Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В исчислении , то дифференциальное представляет собой основную часть этого изменения в функции у  =  ф ( х ) относительно изменений в независимой переменной. Дифференциал dy определяется как

где это производная от F по отношению к й и ому является дополнительным реальным переменным (так что ду является функцией х и дм ). Обозначения таковы, что уравнение

где производная представлена ​​в обозначении Лейбница dy / dx , и это согласуется с рассмотрением производной как частного дифференциалов. Еще один пишет

Точное значение переменных dy и dx зависит от контекста приложения и требуемого уровня математической строгости. Область этих переменных может иметь особое геометрическое значение, если дифференциал рассматривается как особую форму дифференциала , или аналитическое значение, если дифференциал рассматривается как линейное приближение к приращению функции. Традиционно переменные dx и dy считаются очень малыми ( бесконечно малыми ), и такая интерпретация делается строго в нестандартном анализе .

История и использование [ править ]

Дифференциал был впервые введен через интуитивное или эвристическое определение Готфридом Вильгельмом Лейбницем , который думал о дифференциале  dy как о бесконечно малом (или бесконечно малом ) изменении значения  y функции, соответствующем бесконечно малому изменению  dx в аргументе функции  х . По этой причине мгновенная скорость изменения y по отношению к x , которая является значением производной функции, обозначается дробью

в так называемой нотации Лейбница для производных. Фактор dy / dx не бесконечно мал; скорее это реальное число .

Использование бесконечно малых величин в этой форме широко критиковалось, например, в известной брошюре епископа Беркли «Аналитик ». Огюстен-Луи Коши ( 1823 ) определил дифференциал, не обращаясь к атомизму бесконечно малых Лейбница. [1] [2] Вместо этого Коши, вслед за Даламбером , перевернул логический порядок Лейбница и его последователей: сама производная стала фундаментальным объектом, определенным как предел разностных коэффициентов, а дифференциалы затем были определены в терминах Это. То есть можно было определить дифференциал dy выражением

в которой dy и dx - просто новые переменные, принимающие конечные действительные значения [3], а не фиксированные бесконечно малые величины, как это было для Лейбница. [4]

Согласно Бойеру (1959 , с. 12), подход Коши был значительным логическим улучшением по сравнению с подходом бесконечно малых Лейбница, потому что вместо использования метафизического понятия бесконечно малых величин dy и dx теперь можно было манипулировать точно так же, как любые другие реальные количества значимым образом. Общий концептуальный подход Коши к дифференциалам остается стандартным для современных аналитических подходов [5], хотя последнее слово о строгости, полностью современном понятии предела, в конечном итоге принадлежит Карлу Вейерштрассу . [6]

В физических методах лечения, например, применяемых в теории термодинамики , все еще преобладает точка зрения бесконечно малых. Курант и Джон (Courant & John, 1999 , с. 184) согласовывают физическое использование бесконечно малых дифференциалов с их математической невозможностью следующим образом. Дифференциалы представляют собой конечные ненулевые значения, которые меньше степени точности, необходимой для конкретной цели, для которой они предназначены. Таким образом, «физические бесконечно малые» не должны обращаться к соответствующей математической бесконечно малой величине, чтобы иметь точный смысл.

После развития математического анализа и дифференциальной геометрии в двадцатом веке стало ясно, что понятие дифференциала функции может быть расширено множеством способов. В реальном анализе более желательно иметь дело непосредственно с дифференциалом как с главной частью приращения функции. Это непосредственно приводит к представлению о том, что дифференциал функции в точке является линейным функционалом от приращения Δ x . Такой подход позволяет разрабатывать дифференциал (как линейное отображение) для множества более сложных пространств, что в конечном итоге приводит к появлению таких понятий, как производная Фреше или Гато . Точно так же вВ дифференциальной геометрии дифференциал функции в точке является линейной функцией касательного вектора («бесконечно малое смещение»), что демонстрирует его как разновидность одной формы: внешней производной функции. В нестандартном исчислении дифференциалы рассматриваются как бесконечно малые, которые сами по себе могут быть поставлены на строгую основу (см. Дифференциал (бесконечно малый) ).

Определение [ править ]

Дифференциал функции ƒ ( x ) в точке  x 0 .

В современных трактовках дифференциального исчисления дифференциал определяется следующим образом. [7] Дифференциал функции f ( x ) одной действительной переменной x - это функция df двух независимых действительных переменных x и Δ x, заданная формулой

Один или оба аргумента могут быть подавлены, то есть можно увидеть df ( x ) или просто df . Если y  =  f ( x ), дифференциал также можно записать как dy . Поскольку dx ( x , Δ x ) = Δ x, принято писать dx  = Δ x , так что выполняется равенство

Это понятие дифференциала широко применимо, когда ищется линейное приближение к функции, в котором значение приращения Δ x достаточно мало. Точнее, если f - дифференцируемая функция в точке x , то разность значений y

удовлетворяет

где ошибка ε в приближении удовлетворяет условию ε / Δ x  → 0 при Δ x  → 0. Другими словами, имеется приближенное тождество

в котором ошибка может быть сделана сколь угодно малой по отношению к Δ x , ограничивая Δ x достаточно малым; то есть,

при Δ x  → 0. По этой причине дифференциал функции известен как главная (линейная) часть приращения функции: дифференциал является линейной функцией приращения Δ x , и, хотя ошибка ε может быть нелинейный, он быстро стремится к нулю, когда Δ x стремится к нулю.

Дифференциалы нескольких переменных [ править ]

Следуя Гурсу (1904 , I, §15), для функций более чем одной независимой переменной

частный дифференциал от у по отношению к какой - либо одной из переменных  х 1 является основной частью изменения у в результате изменения  дх 1 в этой одной переменной. Следовательно, частный дифференциал

с участием частных производным от у по отношению к  й 1 . Сумма частных дифференциалов по всем независимым переменным и есть полный дифференциал

что является основной частью изменения y в результате изменений независимых переменных  x i .

Точнее, в контексте многомерного исчисления, следуя Куранту (1937b) , если f - дифференцируемая функция, то по определению дифференцируемости приращение

где члены ошибки ε i стремятся к нулю, когда приращения Δ x i вместе стремятся к нулю. Тогда полный дифференциал строго определяется как 

Поскольку с этим определением

надо

Как и в случае одной переменной, выполняется приближенное тождество

в котором общая ошибка может быть сделана сколь угодно малой по сравнению с , сосредоточив внимание на достаточно малых приращениях.

Применение полного дифференциала к оценке ошибки [ править ]

При измерении полный дифференциал используется для оценки ошибки Δ f функции f на основе ошибок Δ x , Δ y , ... параметров x , y ,…. Предполагая, что интервал достаточно короткий, чтобы изменение было приблизительно линейным:

Δ f ( x ) = f ' ( x ) × Δ x

и что все переменные независимы, то для всех переменных

Это связано с тем, что производная f x по конкретному параметру x дает чувствительность функции f к изменению x , в частности ошибку Δ x . Поскольку предполагается, что они независимы, анализ описывает наихудший сценарий. Используются абсолютные значения ошибок компонентов, поскольку после несложного вычисления производная может иметь отрицательный знак. Из этого принципа выводятся правила суммирования, умножения и т. Д. Ошибок, например:

Пусть f ( a , b ) = a × b ;
Δ f = f a Δ a + f b Δ b ; оценка производных
Δ f = b Δ a + a Δ b ; деление на f , которое есть a × b
Δ f / f = Δ a / a + Δ b / b

Иными словами, при умножении общая относительная ошибка является суммой относительных ошибок параметров.

Чтобы проиллюстрировать, как это зависит от рассматриваемой функции, рассмотрим случай, когда функция имеет вид f ( a , b ) = a ln b . Затем можно вычислить, что оценка ошибки равна

Δ f / f = Δ a / a + Δ b / ( b ln b )

с дополнительным фактором ln b , которого нет в случае простого продукта. Этот дополнительный фактор имеет тенденцию к уменьшению ошибки, поскольку ln b не так велик, как голое  b .

Дифференциалы высшего порядка [ править ]

Дифференциалы высшего порядка функции y  =  f ( x ) одной переменной x могут быть определены с помощью: [8]

и в целом

Неформально это мотивирует обозначение Лейбница для производных высшего порядка

Когда самой независимой переменной x разрешено зависеть от других переменных, тогда выражение становится более сложным, поскольку оно должно включать также дифференциалы более высокого порядка в самом x . Так, например,

и так далее.

Аналогичные соображения применимы к определению дифференциалов высшего порядка функций нескольких переменных. Например, если f является функцией двух переменных x и y , то

где - биномиальный коэффициент . Для большего количества переменных выполняется аналогичное выражение, но с соответствующим полиномиальным расширением, а не биномиальным расширением. [9]

Дифференциалы более высокого порядка по нескольким переменным также становятся более сложными, когда независимые переменные сами могут зависеть от других переменных. Например, для функции f от x и y, которая может зависеть от вспомогательных переменных, есть

Из-за этой неточности обозначений использование дифференциалов более высокого порядка подверглось резкой критике Адамаром 1935 , который пришел к выводу:

Enfin, que signifie ou que représente l'égalité
A mon avis, rien du tout.

То есть: наконец, что подразумевается или представлено равенством [...]? На мой взгляд, вообще ничего. Несмотря на этот скептицизм, дифференциалы высшего порядка стали важным инструментом анализа. [10]

В этих контекстах дифференциал n- го порядка функции f, применяемый к приращению Δ x , определяется как

или эквивалентное выражение, например

где это п - й прямой разности с шагом т Δ х .

Это определение также имеет смысл, если f является функцией нескольких переменных (для простоты здесь используется как векторный аргумент). Тогда определяемый таким образом n- й дифференциал является однородной функцией степени n в приращении вектора Δ x . Кроме того, ряд Тейлора функции f в точке x имеет вид

Производная Гато более высокого порядка обобщает эти соображения на бесконечномерные пространства.

Свойства [ править ]

Ряд свойств дифференциала напрямую следует из соответствующих свойств производной, частной производной и полной производной. К ним относятся: [11]

  • Линейность : для констант a и b и дифференцируемых функций f и g ,
  • Правило произведения : для двух дифференцируемых функций f и g ,

Операция d с этими двумя свойствами известна в абстрактной алгебре как вывод . Они подразумевают правило власти

Кроме того, действуют различные формы цепного правила , с возрастающей степенью общности: [12]

  • Если y  =  f ( u ) - дифференцируемая функция переменной u, а u  =  g ( x ) - дифференцируемая функция от x , то
  • Если y = f ( x 1 , ..., x n ) и все переменные  x 1 , ...,  x n зависят от другой переменной  t , то по цепному правилу для частных производных имеем
Эвристически правило цепочки для нескольких переменных можно понять, разделив обе части этого уравнения на бесконечно малую величину dt .
  • Справедливы более общие аналогичные выражения, в которых промежуточные переменные x i зависят от более чем одной переменной.

Общая формулировка [ править ]

Непротиворечивое понятие дифференциала может быть развито для функции f  : R nR m между двумя евклидовыми пространствами . Пусть x , ∆ x  ∈  R n - пара евклидовых векторов . Приращение функции f равно

Если существует матрица A размера m  ×  n такая, что

в котором вектор ε  → 0 при ∆ x  → 0, то f по определению дифференцируема в точке x . Матрица A иногда называется матрицей Якоби , а линейное преобразование, которое связывает с приращением Δ x  ∈  R n вектор A Δ x  ∈  R m , в этом общем случае известно как дифференциал df ( x ) функции f в точке x . Это в точности производная Фреше, и такая же конструкция может работать для функции между любыми банаховыми пространствами .

Еще одна полезная точка зрения - определить дифференциал непосредственно как своего рода производную по направлению :

который уже используется для определения дифференциалов более высокого порядка (и наиболее близок к определению, данному Коши). Если t представляет время и положение по оси x , то h представляет собой скорость, а не смещение, как мы до сих пор его рассматривали. Это приводит к еще одному уточнению понятия дифференциала: он должен быть линейной функцией кинематической скорости. Набор всех скоростей через данную точку пространства известен как касательное пространство , и поэтому df дает линейную функцию на касательном пространстве: дифференциальную форму . При такой интерпретации дифференциал f известен как внешняя производная, и имеет широкое применение в дифференциальной геометрии, поскольку понятие скоростей и касательного пространства имеет смысл на любом дифференцируемом многообразии . Если, кроме того, выходное значение f также представляет положение (в евклидовом пространстве), то размерный анализ подтверждает, что выходное значение df должно быть скоростью. Если рассматривать дифференциал таким образом, то он известен как « продвижение вперед», поскольку он «толкает» скорости из исходного пространства в скорости в целевом пространстве.

Другие подходы [ править ]

Хотя понятие наличия бесконечно малого приращения dx не совсем четко определено в современном математическом анализе , существует множество методов для определения бесконечно малого дифференциала, чтобы дифференциал функции можно было обрабатывать таким образом, который не противоречит обозначениям Лейбница. . К ним относятся:

  • Определение дифференциала как разновидности дифференциальной формы , а именно внешней производной функции. Затем бесконечно малые приращения идентифицируются с векторами в касательном пространстве в точке. Этот подход популярен в дифференциальной геометрии и смежных областях, поскольку он легко обобщается на отображения между дифференцируемыми многообразиями .
  • Дифференциалы как нильпотентные элементы коммутативных колец . Этот подход популярен в алгебраической геометрии . [13]
  • Дифференциалы в гладких моделях теории множеств. Этот подход известен как синтетическая дифференциальная геометрия или гладкий анализ бесконечно малых и тесно связан с алгебро-геометрическим подходом, за исключением того, что идеи теории топосов используются, чтобы скрыть механизмы, с помощью которых вводятся нильпотентные бесконечно малые. [14]
  • Дифференциалы как бесконечно малые в гиперреальных системах счисления, которые являются расширениями действительных чисел, которые содержат обратимые бесконечно малые и бесконечно большие числа. Это подход нестандартного анализа, впервые предложенный Абрахамом Робинсоном . [15]

Примеры и приложения [ править ]

Дифференциалы можно эффективно использовать в численном анализе для изучения распространения экспериментальных ошибок в расчетах и, таким образом, общей численной устойчивости задачи ( Courant 1937a ). Предположим, что переменная x представляет собой результат эксперимента, а y - результат численного вычисления, примененного к x . Вопрос в том, в какой степени ошибки в измерении x влияют на результат вычисления y . Если x известен с точностью до Δ x своего истинного значения, то теорема Тейлора дает следующую оценку ошибки Δy при вычислении y :

где ξ = x + θ Δ x для некоторого 0 < θ <1 . Если Δ x мало, то членом второго порядка можно пренебречь, так что Δ y для практических целей хорошо аппроксимируется выражением dy = f ' ( x ) Δ x .

Дифференциал часто бывает полезен для переписывания дифференциального уравнения

в виде

в частности, когда нужно разделить переменные .

Примечания [ править ]

  1. ^ Подробный исторический отчет о дифференциале см. В Boyer 1959 , особенно на странице 275, где содержится вклад Коши по этому вопросу. Сокращенный счет появляется в Kline 1972 , Глава 40.
  2. ^ Коши явно отрицал возможность реальных бесконечно малых и бесконечных величин ( Boyer 1959 , стр. 273–275) и придерживался совершенно иной точки зрения, что «переменная величина становится бесконечно малой, когда ее числовое значение бесконечно уменьшается таким образом, как сходиться к нулю »( Коши 1823 , стр. 12; перевод из Бойера 1959 , стр. 273).
  3. Перейти ↑ Boyer 1959 , p. 275
  4. Перейти ↑ Boyer 1959 , p. 12: «Определенные таким образом дифференциалы - это только новые переменные , а не фиксированные бесконечно малые величины ...»
  5. ^ Курант 1937a , II, §9: «Здесь мы просто мимоходом отметим, что можно использовать это приближенное представление приращения Δ y линейным выражением hf ( x ) для построения логически удовлетворительного определения« дифференциала », как это сделал, в частности, Коши ".
  6. Перейти ↑ Boyer 1959 , p. 284
  7. ^ См, например, влиятельные трактаты Курантовского 1937а , Kline 1977 , Гурса 1904 года , и Харди 1905 . Третичные источники для этого определения включают также Толстов 2001 и Ито 1993 , §106.
  8. ^ Коши 1823 . См. Также, например, Goursat 1904 , I, §14.
  9. ^ Гурс 1904 , I, §14
  10. ^ В частности, к бесконечномерной голоморфии ( Hille & Phillips 1974 ) и численному анализу с помощью исчисления конечных разностей .
  11. ^ Гурс 1904 , I, §17
  12. ^ Гурс 1904 , I, §§14,16
  13. ^ Эйзенбад & Harris 1998 .
  14. См. Kock 2006 и Moerdijk & Reyes 1991 .
  15. ^ См Robinson 1996 и Кейслера 1986 .

Ссылки [ править ]

  • Бойер, Карл Б. (1959), История исчисления и его концептуальное развитие , Нью-Йорк: Dover Publications , MR  0124178.
  • Коши, Огюстен-Луи (1823 г.), Résumé des Leçons données à l'Ecole royale polytechnique sur les Applications du Calcul infinitésimal , заархивировано из оригинала 04.05.2009 , получено 19.08.2009.
  • Курант, Ричард (1937a), Дифференциальное и интегральное исчисление. Vol. I , Wiley Classics Library, New York: John Wiley & Sons (опубликовано в 1988 г.), ISBN 978-0-471-60842-4, Руководство по ремонту  1009558.
  • Курант, Ричард (1937b), Дифференциальное и интегральное исчисление. Vol. II , Wiley Classics Library, Нью-Йорк: John Wiley & Sons (опубликовано в 1988 г.), ISBN 978-0-471-60840-0, Руководство по ремонту  1009559.
  • Курант, Ричард ; Джон, Фриц (1999), Введение в исчисление и анализ, том 1 , Классика математики, Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag , ISBN 3-540-65058-Х, Руководство по ремонту  1746554
  • Эйзенбуд, Дэвид ; Харрис, Джо (1998), Геометрия схем , Springer-Verlag, ISBN 0-387-98637-5.
  • Фреше, Морис (1925), "La notion de différentielle dans l'analyse générale", Annales Scientifiques de l'École Normale Supérieure , Série 3, 42 : 293–323, ISSN  0012-9593 , MR  1509268.
  • Гурса, Эдуард (1904), Курс математического анализа: Том 1: Производные и дифференциалы, определенные интегралы, разложение в ряды, приложения к геометрии , ER Hedrick, New York: Dover Publications (опубликовано в 1959), MR  0106155.
  • Адамар, Жак (1935), "La notion de différentiel dans l'enseignement", Mathematical Gazette , XIX (236): 341–342, JSTOR  3606323.
  • Харди, Годфри Гарольд (1908), курс чистой математики , Cambridge University Press , ISBN 978-0-521-09227-2.
  • Хилле, Эйнар ; Филлипс, Ральф С. (1974), Функциональный анализ и полугруппы , Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество , MR  0423094.
  • Ито, Киёси (1993), Энциклопедический математический словарь (2-е изд.), MIT Press , ISBN 978-0-262-59020-4.
  • Клайн, Моррис (1977), «Глава 13: Дифференциалы и закон среднего», Исчисление: интуитивный и физический подход , John Wiley and Sons.
  • Клайн, Моррис (1972), Математическая мысль от древних до наших дней (3-е изд.), Oxford University Press (опубликовано в 1990 г.), ISBN 978-0-19-506136-9
  • Кейслер, Х. Джером (1986), Элементарное исчисление: бесконечно малый подход (2-е изд.).
  • Кок, Андерс (2006), Синтетическая дифференциальная геометрия (PDF) (2-е изд.), Cambridge University Press.
  • Moerdijk, I .; Рейес, Г.Е. (1991), Модели для гладкого инфинитезимального анализа , Springer-Verlag.
  • Робинсон, Абрахам (1996), нестандартный анализ , Princeton University Press , ISBN 978-0-691-04490-3.
  • Толстов, Г.П. (2001) [1994], «Дифференциал» , Энциклопедия математики , EMS Press.

Внешние ссылки [ править ]

  • Дифференциал функции в демонстрационном проекте Wolfram