Μετάβαση στο περιεχόμενο

Πολυμεταβλητός λογισμός

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Βαθμωτό πεδίο με δύο μεταβλητές.

Ο πολυμεταβλητός λογισμός[1] (επίσης γνωστός ως λογισμός πολλών μεταβλητών) είναι η επέκταση του λογισμού σε μία μεταβλητή στον λογισμό με συναρτήσεις πολλών μεταβλητών: η διαφοροποίηση και η ολοκλήρωση συναρτήσεων που περιλαμβάνουν πολλές μεταβλητές (πολυμεταβλητές), αντί για μία μόνο[2].

Ο πολυμεταβλητός λογισμός θεωρείται ως ένα στοιχειώδες μέρος του λογισμού στον Ευκλείδειο χώρο. Η ειδική περίπτωση του λογισμού στον τρισδιάστατο χώρο ονομάζεται συχνά διανυσματικός λογισμός.

Στον λογισμό μίας μεταβλητής, πράξεις όπως η διαφοροποίηση και η ολοκλήρωση γίνονται σε συναρτήσεις μίας μεταβλητής. Στον πολυμεταβλητό λογισμό, απαιτείται η γενίκευσή τους σε πολλαπλές μεταβλητές, και επομένως το πεδίο είναι πολυδιάστατο. Επομένως, απαιτείται προσοχή σε αυτές τις γενικεύσεις, λόγω δύο βασικών διαφορών μεταξύ των χώρων 1D και των χώρων υψηλότερων διαστάσεων[3]:

  1. Υπάρχουν άπειροι τρόποι για να προσεγγίσουμε ένα σημείο στις υψηλότερες διαστάσεις, σε αντίθεση με τους δύο (από τη θετική και την αρνητική κατεύθυνση) στις 1D,
  2. Υπάρχουν πολλαπλά εκτεταμένα αντικείμενα που σχετίζονται με τη διάσταση- για παράδειγμα, για μια συνάρτηση 1D, πρέπει να αναπαρίσταται ως καμπύλη στο καρτεσιανό επίπεδο 2D, αλλά μια συνάρτηση με δύο μεταβλητές είναι μια επιφάνεια στο 3D, ενώ οι καμπύλες μπορούν επίσης να υπάρχουν στον 3D χώρο.

Η συνέπεια της πρώτης διαφοράς είναι η διαφορά στον ορισμό του ορίου και της διαφοροποίησης. Τα όρια και οι παράγωγοι κατεύθυνσης ορίζουν το όριο και τη διαφορική κατά μήκος μιας παραμετρικής καμπύλης 1D, μειώνοντας το πρόβλημα στην περίπτωση 1D. Περαιτέρω αντικείμενα υψηλότερης διάστασης μπορούν να κατασκευαστούν από αυτούς τους τελεστές.

Συνέπεια της δεύτερης διαφοράς είναι η ύπαρξη πολλαπλών τύπων ολοκλήρωσης, συμπεριλαμβανομένων των ολοκληρωμάτων γραμμής, των ολοκληρωμάτων επιφάνειας και των ολοκληρωμάτων όγκου. Λόγω της μη μοναδικότητας αυτών των ολοκληρωμάτων, δεν μπορεί να οριστεί σωστά ένα αντιπαράγωγο ή ένα αόριστο ολοκλήρωμα.

Η μελέτη των ορίων και της συνέχειας στον πολυμεταβλητό λογισμό δίνει πολλά αντιφατικά αποτελέσματα που δεν αποδεικνύονται από συναρτήσεις μίας μεταβλητής.

Ένα όριο κατά μήκος μιας διαδρομής μπορεί να οριστεί θεωρώντας μια παραμετροποιημένη διαδρομή στον n-διάστατο Ευκλείδειο χώρο. Οποιαδήποτε συνάρτηση μπορεί στη συνέχεια να προβάλλεται στο μονοπάτι ως 1D συνάρτηση . Το όριο της στο σημείο κατά μήκος της διαδρομής μπορεί επομένως να οριστεί ως εξής

 

 

 

 

(1)

Ας σημειωθεί ότι η τιμή αυτού του ορίου μπορεί να εξαρτάται από τη μορφή του , δηλαδή από τη διαδρομή που επιλέγεται, όχι μόνο από το σημείο στο οποίο προσεγγίζει το όριο.[2]:19–22 Παραδείγματος χάριν, ας πάρουμε τη συνάρτηση

Αν το σημείο προσεγγίζεται μέσω της ευθείας , ή σε παραμετρική μορφή:

Γραφική παράσταση της συνάρτησης f(x, y) = (x²y)/(x4 + y2)

 

 

 

 

(2)

Τότε το όριο κατά μήκος της διαδρομής θα είναι:

 

 

 

 

(3)

Από την άλλη πλευρά, αν επιλεγεί η διαδρομή (ή παραμετρικά, ), τότε το όριο γίνεται:

 

 

 

 

(4)

Δεδομένου ότι η λήψη διαφορετικών διαδρομών προς το ίδιο σημείο δίνει διαφορετικές τιμές, δεν μπορεί να οριστεί ένα γενικό όριο στο σημείο για τη συνάρτηση.

Ένα γενικό όριο μπορεί να οριστεί αν τα όρια σε ένα σημείο κατά μήκος όλων των πιθανών διαδρομών συγκλίνουν στην ίδια τιμή, δηλαδή λέμε για μια συνάρτηση ότι το όριο της σε κάποιο σημείο είναι L, αν και μόνο αν

 

 

 

 

(5)

για όλες τις συνεχείς συναρτήσεις τέτοιες ώστε .

Από την έννοια του ορίου κατά μήκος μιας διαδρομής, μπορούμε στη συνέχεια να εξάγουμε τον ορισμό για την πολυμεταβλητή συνέχεια με τον ίδιο τρόπο, δηλαδή: λέμε για μια συνάρτηση ότι η είναι συνεχής στο σημείο , αν και μόνο αν

 

 

 

 

(5)

για όλες τις συνεχείς συναρτήσεις such that .

Όπως συμβαίνει και με τα όρια, η συνέχεια κατά μήκος μιας διαδρομής δεν συνεπάγεται πολυμεταβλητή συνέχεια.

Το ότι η συνέχεια σε κάθε επιχείρημα δεν αρκεί για την πολυμεταβλητή συνέχεια μπορεί επίσης να φανεί από το ακόλουθο παράδειγμα.[2]:17–19 . Επί παραδείγματι, για μια συνάρτηση πραγματικών τιμών με δύο παραμέτρους πραγματικής τιμής, , η συνέχεια της στο για σταθερό και η συνέχεια της στο για σταθερό δεν συνεπάγεται συνέχεια της .

Ας θεωρήσουμε το

Είναι εύκολο να επαληθεύσουμε ότι η συνάρτηση αυτή είναι μηδέν εξ ορισμού συνοριακή και εκτός του τετραγώνου . Επιπλέον, οι συναρτήσεις που ορίζονται για σταθερές και και από

και

είναι συνεχείς. Συγκεκριμένα,

για όλα τα x και y. Επομένως, και επιπλέον, κατά μήκος των αξόνων συντεταγμένων, και . Επομένως, η συνάρτηση είναι συνεχής κατά μήκος και των δύο επιμέρους ορίσματων.

Ωστόσο, ας εξετάσουμε την παραμετρική διαδρομή . Η παραμετρική συνάρτηση γίνεται

 

 

 

 

(6)

Ως εκ τούτου,

 

 

 

 

(7)

Είναι επομένως σαφές ότι η συνάρτηση δεν είναι πολυμεταβλητή συνεχής, παρά το γεγονός ότι είναι συνεχής και στις δύο συντεταγμένες.

Θεωρήματα σχετικά με πολυμεταβλητά όρια και συνέχεια

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  • Όλες οι ιδιότητες της γραμμικότητας και της υπέρθεσης από τον λογισμό μιας μεταβλητής μεταφέρονται στον πολυμεταβλητό λογισμό.
  • Σύνθεση': Αν και είναι και οι δύο πολυμεταβλητές συνεχείς συναρτήσεις στα σημεία και αντίστοιχα, τότε είναι επίσης μια πολυμεταβλητή συνεχής συνάρτηση στο σημείο .
  • Πολλαπλασιασμός: Αν και είναι και οι δύο συνεχείς συναρτήσεις στο σημείο , τότε είναι συνεχής στο , και είναι επίσης συνεχής στο υπό την προϋπόθεση ότι .
  • Αν είναι συνεχής συνάρτηση στο σημείο , τότε είναι επίσης συνεχής στο ίδιο σημείο.
  • Αν είναι συνεχής κατά Λίπσιτς (με τους κατάλληλους κανονικοποιημένους χώρους όπως απαιτείται) στη γειτονιά του σημείου , τότε η είναι πολυμεταβλητή συνεχής στο .

Κατευθυντική παράγωγος

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η παράγωγος μιας μεταβλητής συνάρτησης ορίζεται ως

 

 

 

 

(9)

Χρησιμοποιώντας την επέκταση των ορίων που συζητήθηκε παραπάνω, μπορεί κανείς να επεκτείνει τον ορισμό της παραγώγου σε μια συνάρτηση με βαθμωτή τιμή κατά μήκος κάποιας διαδρομής :

 

 

 

 

(10)

Σε αντίθεση με τα όρια, για τα οποία η τιμή εξαρτάται από την ακριβή μορφή της διαδρομής , μπορεί να δειχθεί ότι η παράγωγος κατά μήκος της διαδρομής εξαρτάται μόνο από το εφαπτόμενο διάνυσμα της διαδρομής στο , δηλαδή. δηλαδή , υπό την προϋπόθεση ότι η είναι συνεχής κατά Λίπσιτς στο και ότι το όριο εξέρχεται για τουλάχιστον ένα τέτοιο μονοπάτι.

Επομένως, είναι δυνατόν να παραχθεί ο ορισμός της κατευθυντικής παραγώγου ως εξής: Η κατευθυντική παράγωγος μιας συνάρτησης με βαθμωτή τιμή κατά μήκος του μοναδιαίου διανύσματος σε κάποιο σημείο είναι

 

 

 

 

(14)

ή, όταν εκφράζεται με όρους συνήθους διαφοροποίησης,

 

 

 

 

(15)

η οποία είναι μια καλά ορισμένη έκφραση επειδή είναι μια βαθμωτή συνάρτηση με μια μεταβλητή στο .

Δεν είναι δυνατόν να οριστεί μια μοναδική κλιμακωτή παράγωγος χωρίς κατεύθυνση- είναι σαφές, επί παραδείγματι, ότι . Είναι επίσης δυνατόν να υπάρχουν κατευθυντικές παράγωγοι για ορισμένες κατευθύνσεις αλλά όχι για άλλες.

Η μερική παράγωγος γενικεύει την έννοια της παραγώγου σε υψηλότερες διαστάσεις. Η μερική παράγωγος μιας πολυμεταβλητής συνάρτησης είναι η παράγωγος ως προς μία μεταβλητή με όλες τις άλλες μεταβλητές να παραμένουν σταθερές.[2]:26ff

Μια μερική παράγωγος μπορεί να θεωρηθεί ως η κατευθυντική παράγωγος της συνάρτησης κατά μήκος ενός άξονα συντεταγμένων.

Οι μερικές παράγωγοι μπορούν να συνδυαστούν με ενδιαφέροντες τρόπους για τη δημιουργία πιο περίπλοκων εκφράσεων της παραγώγου. Στο διανυσματικό λογισμό, ο τελεστής del () χρησιμοποιείται για να ορίσει τις έννοιες της κλίσης, της απόκλισης και της κύρτωσης με όρους μερικών παραγώγων. Ένας πίνακας μερικών παραγώγων, ο Ιακωβιανός πίνακας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναπαράσταση της παραγώγου μιας συνάρτησης μεταξύ δύο χώρων αυθαίρετης διάστασης. Η παράγωγος μπορεί έτσι να κατανοηθεί ως ένας γραμμικός μετασχηματισμός που μεταβάλλεται άμεσα από σημείο σε σημείο στο πεδίο της συνάρτησης.

Οι διαφορικές εξισώσεις που περιέχουν μερικές παραγώγους ονομάζονται μερικές διαφορικές εξισώσεις ή PDE. Οι εξισώσεις αυτές είναι γενικά πιο δύσκολο να επιλυθούν από τις συνήθεις διαφορικές εξισώσεις, οι οποίες περιέχουν παραγώγους ως προς μία μόνο μεταβλητή.[2]:654ff

Πολλαπλή ενσωμάτωση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το πολλαπλό ολοκλήρωμα επεκτείνει την έννοια του ολοκληρώματος σε συναρτήσεις οποιουδήποτε αριθμού μεταβλητών. Τα διπλά και τριπλά ολοκληρώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό εμβαδών και όγκων περιοχών στο επίπεδο και στο χώρο. Το θεώρημα του Φουμπίνι εγγυάται ότι ένα πολλαπλό ολοκλήρωμα μπορεί να εκτιμηθεί ως επαναλαμβανόμενο ολοκλήρωμα ή επαναλαμβανόμενο ολοκλήρωμα εφόσον το ολοκλήρωμα είναι συνεχές σε όλη την περιοχή ολοκλήρωσης[2]:367ff

Το επιφανειακό ολοκλήρωμα και το ευθύγραμμο ολοκλήρωμα χρησιμοποιούνται για την ολοκλήρωση πάνω σε καμπύλες πολλαπλότητας όπως οι επιφάνειες και οι καμπύλες.

Βασικό θεώρημα του λογισμού σε πολλαπλές διαστάσεις

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Στον λογισμό μίας μεταβλητής, το θεμελιώδες θεώρημα του λογισμού εγκαθιδρύει μια σύνδεση μεταξύ της παραγώγου και του ολοκληρώματος. Η σύνδεση μεταξύ της παραγώγου και του ολοκληρώματος στον λογισμό πολλαπλών μεταβλητών ενσωματώνεται από τα ολοκληρωτικά θεωρήματα του διανυσματικού λογισμού:[2]:543ff

  • Θεώρημα κλίσης[4]
  • Θεώρημα Στόουκ[5]
  • Θεώρημα απόκλισης[6]
  • Θεώρημα του Γκριν (Green).[7]

Σε μια πιο προχωρημένη μελέτη του πολυμεταβλητού λογισμού, γίνεται αντιληπτό ότι αυτά τα τέσσερα θεωρήματα είναι ειδικές ενσαρκώσεις ενός γενικότερου θεωρήματος, του γενικευμένου θεωρήματος του Στόουκς, το οποίο εφαρμόζεται στην ολοκλήρωση διαφορικών μορφών πάνω σε πολλαπλές.[8]

Εφαρμογές και χρήσεις

Οι τεχνικές του πολυμεταβλητού λογισμού χρησιμοποιούνται για τη μελέτη πολλών αντικειμένων που παρουσιάζουν ενδιαφέρον στον υλικό κόσμο.

Τύπος των λειτουργιών Εφαρμόσιμες τεχνικές
Καμπύλη
for
Μήκη καμπυλών, γραμμικά ολοκληρώματα και καμπυλότητα.
Επιφάνεια
for
Περιοχές επιφανειών, επιφανειακά ολοκληρώματα, ροή μέσω επιφανειών και καμπυλότητα.
Βαθμωτό πεδίο Μέγιστα και ελάχιστα, πολλαπλασιαστές Λαγκράνζ, κατευθυντικές παράγωγοι, σύνολα επιπέδων.
Διανυσματικό πεδίο Οποιαδήποτε από τις πράξεις του διανυσματικού λογισμού, συμπεριλαμβανομένης της κλίσης, της απόκλισης και της περιστροφής.

Ο πολυμεταβλητός λογισμός μπορεί να εφαρμοστεί για την ανάλυση ντετερμινιστικών συστημάτων που έχουν πολλούς βαθμούς ελευθερίας. Συχνά χρησιμοποιούνται συναρτήσεις με ανεξάρτητες μεταβλητές που αντιστοιχούν σε καθέναν από τους βαθμούς ελευθερίας για τη μοντελοποίηση αυτών των συστημάτων και ο πολυμεταβλητός λογισμός παρέχει εργαλεία για τον χαρακτηρισμό της δυναμικής του συστήματος.

Ο πολυμεταβλητός λογισμός χρησιμοποιείται στον βέλτιστο έλεγχο δυναμικών συστημάτων συνεχούς χρόνου. Χρησιμοποιείται στην ανάλυση παλινδρόμησης για την εξαγωγή τύπων για την εκτίμηση των σχέσεων μεταξύ διαφόρων συνόλων εμπειρικών δεδομένων.

Ο πολυμεταβλητός λογισμός χρησιμοποιείται σε πολλά πεδία των φυσικών και κοινωνικών επιστημών και της μηχανικής για τη μοντελοποίηση και μελέτη συστημάτων υψηλής διάστασης που παρουσιάζουν ντετερμινιστική συμπεριφορά. Στα οικονομικά, λόγου χάριν, η επιλογή του καταναλωτή για μια ποικιλία αγαθών και η επιλογή του παραγωγού για διάφορες εισροές που θα χρησιμοποιήσει και εκροές που θα παράγει, μοντελοποιούνται με τον πολυμεταβλητό λογισμό.

Τα μη ντετερμινιστικά ή στοχαστικά συστήματα μπορούν να μελετηθούν χρησιμοποιώντας ένα διαφορετικό είδος μαθηματικών, όπως ο στοχαστικός λογισμός.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. Cristina, Stefania (19 Ιουλίου 2021). «A Gentle Introduction to Multivariate Calculus». MachineLearningMastery.com (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 12 Φεβρουαρίου 2025. 
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 Richard Courant· Fritz John (14 Δεκεμβρίου 1999). Introduction to Calculus and Analysis Volume II/2. Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-540-66570-0. 
  3. «What Is Multivariable Calculus? | Outlier». articles.outlier.org (στα Αγγλικά). 26 Ιανουαρίου 2022. Ανακτήθηκε στις 12 Φεβρουαρίου 2025. 
  4. «Gradient Theorem (Fundamental Theorem for Gradients)». PHY309: Advanced Electromagnetism (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 12 Φεβρουαρίου 2025. 
  5. «16.7: Stokes' Theorem». Mathematics LibreTexts (στα Αγγλικά). 11 Ιουλίου 2016. Ανακτήθηκε στις 12 Φεβρουαρίου 2025. 
  6. Weisstein, Eric W. «Divergence Theorem». mathworld.wolfram.com (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 12 Φεβρουαρίου 2025. 
  7. «16.4: Green's Theorem». Mathematics LibreTexts (στα Αγγλικά). 11 Ιουλίου 2016. Ανακτήθηκε στις 12 Φεβρουαρίου 2025. 
  8. Spivak, Michael (1965). Calculus on Manifolds. New York: W. A. Benjamin, Inc. ISBN 9780805390216. 
  • Hirsch, Morris (1994), Differential Topology (2nd έκδοση), Springer-Verlag 
  • O'Neill, Barrett (2006), Elementary Differential Geometry (revised 2nd έκδοση), Amsterdam: Elsevier/Academic Press, ISBN 0-12-088735-5 
  • Rudin, :en:Walter (1976), Principles of Mathematical Analysis (3rd έκδοση), New York: McGraw Hill, σελ. 204–299, ISBN 978-0-07-054235-8, https://archive.org/details/1979RudinW 
  • Spivak, Michael (1965). Calculus on Manifolds: A Modern Approach to Classical Theorems of Advanced Calculus. San Francisco: Benjamin Cummings. ISBN 0-8053-9021-9. 
  • Crowe, Michael J. (1967). A History of Vector Analysis : The Evolution of the Idea of a Vectorial System (reprint έκδοση). Dover Publications. ISBN 978-0-486-67910-5. 
  • Schey, H. M. (2005). Div Grad Curl and all that: An informal text on vector calculus. W. W. Norton & Company. ISBN 978-0-393-92516-6. 
  • Chen-To Tai (1995). A historical study of vector analysis. Technical Report RL 915, Radiation Laboratory, University of Michigan.
  • Adams, Robert A. (2003). Calculus: A Complete Course (5th έκδοση). Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-79131-0. 
  • Jain, R. K.· Iyengar, S. R. K. (2009). Advanced Engineering Mathematics (3rd έκδοση). Narosa Publishing House. ISBN 978-81-7319-730-7. 
  • Apostol, Tom M. (1974), Mathematical Analysis (2nd έκδοση), Menlo Park: Addison-Wesley 
  • Apostol, Tom M. (1974), Mathematical Analysis (2 έκδοση), Addison–Wesley, ISBN 0-201-00288-4 
  • Hardy, G.H. (1921), A course in pure mathematics, Cambridge University Press 
  • Page, Warren; Hersh, Reuben; Selden, Annie και άλλοι., επιμ.. (2002), «Media Highlights», The College Mathematics 33 (2): 147–154 .
  • Sherbert, Robert (2000), Introduction to real analysis, Wiley 
  • Whittaker; Watson (1904), A Course of Modern Analysis, Cambridge University Press 
  • Burton, David M. (1997), The History of Mathematics: An introduction (Third έκδοση), New York: McGraw–Hill, σελ. 558–559, ISBN 978-0-07-009465-9 
  • Weisstein, Eric W. «Epsilon-Delta Definition». mathworld.wolfram.com (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 18 Αυγούστου 2020. 
  • Weisstein, Eric W. «Limit». mathworld.wolfram.com (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 18 Αυγούστου 2020.