Mathematics · किताब 4 · Bachelor Year 2

विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 2

विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 2 · Bachelor Year 2

15अवकल कलन

प्रथम वर्ष के खंड का दो-चर कलन यहाँ मानदंडित समष्टियों के बीच प्रतिचित्रणों के अवकल कलन में परिपक्व होता है: सर्वोत्तम रैखिक सन्निकटन के रूप में अवकल, पूरी व्यापकता में शृंखला नियम, सिद्ध की गई श्वार्ज़ की सममिति प्रमेय, टेलर सूत्र, और चरम मानों का पूरा द्वितीय-कोटि विश्लेषण। और सिद्धांत का मुकुट, प्रतिलोम फलन प्रमेय, अपनी उपपत्ति-रणनीति — बानाख अचल बिंदु — को स्पष्ट करते हुए कहा गया है।

आगे सर्वत्र UU Rn\R^n (अथवा किसी मानदंडित समष्टि; परिमित-विमीय स्थिति सारे विचार उठा लेती है) का कोई विवृत उपसमुच्चय है, f ⁣:U→Rmf \colon U \to \R^m।

15.1 अवकल

परिभाषा 15.1

ff aa पर अवकलनीय कहलाता है जब कोई (संतत) रैखिक प्रतिचित्रण  ⁣dfa ⁣:Rn→Rm\dd f_a \colon \R^n \to \R^m ऐसा हो कि

f(a+h)=f(a)+ ⁣dfa(h)+o(∥h∥)(h→0).f(a + h) = f(a) + \dd f_a(h) + o(\norm h) \qquad (h \to 0).

प्रतिचित्रण  ⁣dfa\dd f_a, अर्थात् aa पर ff का अवकल, अद्वितीय होता है; और विहित आधारों में उसका आव्यूह याकोबी आव्यूह Jf(a)=(∂fi∂xj(a))J_f(a) = \bigl(\frac{\partial f_i}{\partial x_j}(a)\bigr) है। अवकलनीयता से संततता तथा सभी दिशिक अवकलजों  ⁣dfa(v)=lim⁡t→0f(a+tv)−f(a)t\dd f_a(v) = \lim_{t\to0}\frac{f(a + tv) - f(a)}{t} का अस्तित्व निकलता है; पर विलोम विफल है (अभ्यास 15.2)। m=1m = 1 के लिए  ⁣dfa(h)=⟨∇f(a),h⟩\dd f_a(h) = \langle \nabla f(a), h\rangle: अर्थात् प्रथम वर्ष का प्रवणक, अब अवकल को निरूपित करने वाले सदिश के रूप में समझा हुआ।

प्रमेय 15.2 (C1C^1 कसौटी)

यदि ff के सारे आंशिक अवकलज UU पर विद्यमान हों और aa पर संतत हों, तो ff aa पर अवकलनीय है। अतः “UU पर C1C^1” — अर्थात् संतत आंशिक अवकलज — से सर्वत्र अवकलनीयता निकलती है, संतत अवकल के साथ।

उपपत्ति. घटक-दर-घटक (m=1m = 1 पर्याप्त है)। दो चरों के लिए प्रथम वर्ष की उपपत्ति — एक-एक निर्देशांक बदलिए, हर पैर पर एक-चर मध्यमान प्रमेय लगाइए, और aa पर आंशिक अवकलजों की संततता का उपयोग कीजिए — nn पैरों तक अक्षरशः सामान्यीकृत हो जाती है:

f(a+h)−f(a)=∑j=1n(f(a+h(j))−f(a+h(j−1)))=∑jhj ∂f∂xj(ξj),f(a + h) - f(a) = \sum_{j=1}^{n} \bigl(f(a + h^{(j)}) - f(a + h^{(j-1)})\bigr) = \sum_j h_j\,\frac{\partial f}{\partial x_j}(\xi_j),

जहाँ h(j)h^{(j)} hh के पहले jj निर्देशांक जमा देता है और ξj\xi_j jj-वें पैर पर पड़ता है; और संततता हर ∂f∂xj(ξj)\frac{\partial f}{\partial x_j}(\xi_j) को ∂f∂xj(a)+o(1)\frac{\partial f}{\partial x_j}(a) + o(1) बना देती है, तथा त्रुटि o(∥h∥)o(\norm h) रह जाती है। ∎

प्रमेय 15.3 (शृंखला नियम)

यदि ff aa पर अवकलनीय हो और gg f(a)f(a) पर, तो g∘fg \circ f aa पर अवकलनीय है और

 ⁣d(g∘f)a= ⁣dgf(a)∘ ⁣dfa,Jg∘f(a)=Jg(f(a)) Jf(a):\dd(g \circ f)_a = \dd g_{f(a)} \circ \dd f_a , \qquad J_{g\circ f}(a) = J_g\bigl(f(a)\bigr)\,J_f(a) :

अर्थात् याकोबी गुणा हो जाते हैं।

उपपत्ति. f(a+h)=f(a)+ ⁣dfa(h)+∥h∥ ε1(h)f(a + h) = f(a) + \dd f_a(h) + \norm h\,\varepsilon_1(h) और b=f(a)b = f(a), k=k(h)= ⁣dfa(h)+∥h∥ε1(h)k = k(h) = \dd f_a(h) + \norm h \varepsilon_1(h) के साथ g(b+k)=g(b)+ ⁣dgb(k)+∥k∥ ε2(k)g(b + k) = g(b) + \dd g_b(k) + \norm k\,\varepsilon_2(k) लिखिए। प्रतिस्थापित करने पर,

g(f(a+h))=g(b)+ ⁣dgb( ⁣dfa(h))+∥h∥  ⁣dgb(ε1(h))+∥k∥ ε2(k),g(f(a+h)) = g(b) + \dd g_b\bigl(\dd f_a(h)\bigr) + \norm h\,\dd g_b(\varepsilon_1(h)) + \norm{k}\,\varepsilon_2(k),

और दोनों त्रुटि-पद o(∥h∥)o(\norm h) हैं: पहला इसलिए कि  ⁣dgb\dd g_b संतत है और ε1→0\varepsilon_1 \to 0; और दूसरा इसलिए कि ∥k∥≤C∥h∥\norm k \leq C\norm h (परिबद्ध रैखिक प्रतिचित्रण जमा छोटा पद) और h→0h \to 0 होने पर ε2(k)→0\varepsilon_2(k) \to 0। ∎

उदाहरण 15.4 (त्रिज्यीय फलन, एक बार में सदा के लिए)

Rn∖{0}\R^n\setminus\{0\} पर r(x)=∥x∥2r(x) = \norm x_2 लीजिए और f=g∘rf = g \circ r लीजिए, जहाँ gg एक चर का C1C^1 फलन है। पहले, rr 00 से दूर अवकलनीय है: r2=∑xi2r^2 = \sum x_i^2 से

∂r∂xi=xir,अर्थात्∇r(x)=x∥x∥,\frac{\partial r}{\partial x_i} = \frac{x_i}{r}, \qquad\text{अर्थात्}\qquad \nabla r(x) = \frac{x}{\norm x} ,

अर्थात् इकाई त्रिज्यीय सदिश (r2r^2 का अवकलन करके भाग दीजिए — अथवा ⋅\sqrt{\cdot} पर शृंखला नियम लगाइए)। फिर शृंखला नियम हर त्रिज्यीय फलन के लिए देता है

∇f(x)=g′(∥x∥) x∥x∥.\nabla f(x) = g'\bigl(\norm x\bigr)\,\frac{x}{\norm x} .

किया हुआ उदाहरण: g(r)=1rg(r) = \frac1r ∇1∥x∥=−x∥x∥3\nabla\frac{1}{\norm x} = -\frac{x}{\norm x^3} देता है, अर्थात् गुरुत्वाकर्षण और स्थिरवैद्युतिकी का प्रतिलोम-वर्ग क्षेत्र — दिशा त्रिज्यीय, परिमाण 1∥x∥2\frac{1}{\norm x^2}। समापन दृष्टि: त्रिज्यीय फलनों के प्रवणक इसलिए त्रिज्यीय होते हैं कि उनके स्तर समुच्चय गोले हैं और प्रवणक स्तर समुच्चयों के लांबिक होता है; इसके विपरीत x=0x = 0 पर rr अवकलनीय नहीं है (कोई भी उम्मीदवार रैखिक प्रतिचित्रण सभी दिशाओं से ∥h∥\norm h से मेल नहीं खाता) — मूल बिंदु को शालीनता से पार करने के लिए त्रिज्यीय परिच्छेदिकाओं को g′(0)=0g'(0) = 0 चाहिए।

प्रमेय 15.5 (मध्यमान असमिका)

मान लीजिए ff UU पर अवकलनीय है और खंड [a, b]={a+t(b−a)}\intcc{a}{b} = \{a + t(b-a)\} UU में पड़ता है। तब

∥f(b)−f(a)∥≤∥b−a∥ sup⁡x∈[a, b]∣∣∣ ⁣dfx∣∣∣.\norm{f(b) - f(a)} \leq \norm{b - a}\, \sup_{x \in \intcc{a}{b}} \vertiii{\dd f_x} .

विशेष रूप से, किसी संबद्ध विवृत समुच्चय पर शून्य अवकल वाला अवकलनीय प्रतिचित्रण अचर होता है।

उपपत्ति. फलन φ(t)=f(a+t(b−a))\varphi(t) = f(a + t(b-a)) [0, 1]\intcc{0}{1} पर अवकलनीय है और φ′(t)= ⁣dfa+t(b−a)(b−a)\varphi'(t) = \dd f_{a + t(b-a)}(b - a) (शृंखला नियम), जिसका मानदंड ≤M∥b−a∥\leq M\norm{b-a} है जहाँ MM वही प्रदर्शित उच्चतम है। R\R-मान वाले ff के लिए एक-चर मध्यमान असमिका निष्कर्ष दे देती है; और सदिश मानों के लिए उसे t↦⟨u,φ(t)⟩t \mapsto \langle u, \varphi(t)\rangle पर लगाइए, जहाँ uu f(b)−f(a)f(b) - f(a) के अनुदिश इकाई सदिश है। अचरता: स्थानीय अचरता (गोलों के भीतर खंड) और संबद्धता (जिस समुच्चय पर ff किसी दिए हुए मान के बराबर है वह विवृत भी है और संवृत भी: अध्याय 4)। ∎

उदाहरण 15.6 (मध्यमान असमिका से एक लिप्शिट्स अचर)

क्या f(x,y)=sin⁡x sin⁡yf(x, y) = \sin x\,\sin y R2\R^2 पर लिप्शिट्स है, और किस अचर के साथ? उसका प्रवणक ∇f=(cos⁡xsin⁡y, sin⁡xcos⁡y)\nabla f = (\cos x\sin y,\ \sin x\cos y) है, जिसका वर्ग-मानदंड

cos⁡2xsin⁡2y+sin⁡2xcos⁡2y≤sin⁡2y+cos⁡2y⋅1=1\cos^2x\sin^2y + \sin^2x\cos^2y \leq \sin^2 y + \cos^2y\cdot 1 = 1

है (cos⁡2x\cos^2x और sin⁡2x\sin^2x को अलग-अलग 11 से परिबद्ध कीजिए), अतः सर्वत्र ∣∣∣ ⁣df(x,y)∣∣∣=∥∇f∥≤1\vertiii{\dd f_{(x,y)}} = \norm{\nabla f} \leq 1; और किन्हीं दो बिंदुओं के बीच के खंड पर प्रमेय 15.5 देता है

∣f(b)−f(a)∣≤∥b−a∥2:\abs{f(b) - f(a)} \leq \norm{b - a}_2 :

अर्थात् ff 11-लिप्शिट्स है, और अचर तीखा है (मूल बिंदु के पास f(x,π2)=sin⁡xf(x, \tfrac\pi2) = \sin x की ढाल 11 है)। समापन दृष्टि: मध्यमान असमिका अवकल के किसी बिंदुवार परिबंध को संततता के वैश्विक मापांक में बदल देती है — और हर विमा में लिप्शिट्स आकलनों का यही मानक रास्ता है, तथा अभ्यास 15.12 के भीतर का इंजन भी।

15.2 द्वितीय अवकलज

प्रमेय 15.7 (श्वार्ज़)

यदि ff UU पर C2C^2 हो (अर्थात् सारे द्वितीय आंशिक अवकलज विद्यमान और संतत हों), तो सभी i,ji, j के लिए:

∂2f∂xi ∂xj=∂2f∂xj ∂xi.\frac{\partial^2 f}{\partial x_i\,\partial x_j} = \frac{\partial^2 f}{\partial x_j\,\partial x_i} .

उपपत्ति. दो चर पर्याप्त हैं (x=xix = x_i, y=xjy = x_j, शेष जमे हुए)। द्वितीय अंतर

Δ(h)=f(a+h,b+h)−f(a+h,b)−f(a,b+h)+f(a,b).\Delta(h) = f(a + h, b + h) - f(a + h, b) - f(a, b + h) + f(a,b) .

लीजिए। hh स्थिर कीजिए और φ(x)=f(x,b+h)−f(x,b)\varphi(x) = f(x, b+h) - f(x, b) रखिए: तब Δ(h)=φ(a+h)−φ(a)\Delta(h) = \varphi(a + h) - \varphi(a), और मध्यमान प्रमेय के दो प्रयोग

Δ(h)=h φ′(ξ)=h(∂f∂x(ξ,b+h)−∂f∂x(ξ,b))=h2 ∂2f∂y ∂x(ξ,η),\Delta(h) = h\,\varphi'(\xi) = h\Bigl(\frac{\partial f}{\partial x}(\xi, b+h) - \frac{\partial f}{\partial x}(\xi, b)\Bigr) = h^2\,\frac{\partial^2 f}{\partial y\,\partial x}(\xi, \eta),

देते हैं, जहाँ ξ∈(a, a+h)\xi \in \intoo{a}{a+h}, η∈(b, b+h)\eta \in \intoo{b}{b+h}। संततता से h→0h \to 0 होने पर Δ(h)h2→∂2f∂y∂x(a,b)\frac{\Delta(h)}{h^2} \to \frac{\partial^2 f}{\partial y\partial x}(a, b)। और चरों की भूमिकाएँ बदलकर वही परिकलन (पहले दूसरा चर जमाइए) Δ(h)h2→∂2f∂x∂y(a,b)\frac{\Delta(h)}{h^2} \to \frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y}(a,b) देता है: अर्थात् एक ही राशि की दोनों सीमाएँ मेल खाती हैं। ∎

उदाहरण 15.8 (C2C^2 क्यों चाहिए: पियानो का प्रतिउदाहरण)

f(x,y)=xy(x2−y2)x2+y2f(x, y) = \dfrac{xy(x^2 - y^2)}{x^2 + y^2}, f(0,0)=0f(0,0) = 0 लीजिए। मूल बिंदु से दूर ff C∞C^\infty है; और मूल बिंदु पर सारे प्रथम तथा द्वितीय आंशिक अवकलज विद्यमान हैं, पर मिश्रित अवकलज असहमत हैं। अक्षों के अनुदिश परिकलन कीजिए: f(x,0)=f(0,y)=0f(x, 0) = f(0, y) = 0, और y≠0y \neq 0 के लिए

∂f∂x(0,y)=lim⁡x→0f(x,y)x=y(0−y2)y2=−y,सममित रूप से∂f∂y(x,0)=x.\frac{\partial f}{\partial x}(0, y) = \lim_{x\to0}\frac{f(x,y)}{x} = \frac{y(0 - y^2)}{y^2} = -y , \qquad\text{सममित रूप से}\qquad \frac{\partial f}{\partial y}(x, 0) = x .

अतः

∂2f∂y ∂x(0,0)= ⁣d ⁣dy[∂f∂x(0,y)]y=0=−1,∂2f∂x ∂y(0,0)=+1:\frac{\partial^2 f}{\partial y\,\partial x}(0,0) = \frac{\dd}{\dd y}\Bigl[\frac{\partial f}{\partial x}(0,y)\Bigr]_{y=0} = -1, \qquad \frac{\partial^2 f}{\partial x\,\partial y}(0,0) = +1 :

अर्थात् दोनों मिश्रित आंशिक अवकलज विद्यमान हैं और भिन्न हैं। प्रमेय 15.7 के साथ कोई विरोधाभास नहीं: ff के द्वितीय आंशिक अवकलज 00 पर संतत नहीं हैं (y=txy = tx के अनुदिश जाँचिए)। समापन दृष्टि: श्वार्ज़ की प्रमेय संततता के बारे में सच्ची प्रमेय है, कोई औपचारिक सर्वसमिका नहीं — और नीचे टेलर–यंग में परिकल्पना “C2C^2” असली काम कर रही है।

प्रमेय 15.9 (कोटि 2 पर टेलर–यंग)

मान लीजिए f ⁣:U→Rf \colon U \to \R C2C^2 है और a∈Ua \in U। तब h→0h \to 0 होने पर

f(a+h)=f(a)+⟨∇f(a),h⟩+12 ⟨Hah, h⟩+o(∥h∥2),f(a + h) = f(a) + \langle\nabla f(a), h\rangle + \frac12\, \langle H_a h,\, h\rangle + o\bigl(\norm h^2\bigr),

जहाँ Ha=(∂2f∂xi∂xj(a))H_a = \bigl(\frac{\partial^2 f}{\partial x_i\partial x_j}(a)\bigr) हेस्सियन आव्यूह है (जो श्वार्ज़ से सममित है)।

उपपत्ति. [0, 1]\intcc{0}{1} पर φ(t)=f(a+th)\varphi(t) = f(a + th) पर एक-चर टेलर–यंग प्रमेय (प्रथम वर्ष का खंड) लगाइए: शृंखला नियम से φ′(t)=⟨∇f(a+th),h⟩\varphi'(t) = \langle \nabla f(a + th), h\rangle और φ′′(t)=⟨Ha+thh,h⟩\varphi''(t) = \langle H_{a+th}h, h\rangle, और दोनों tt में संतत हैं। तब θ∈(0, 1)\theta \in \intoo{0}{1} के साथ φ(1)=φ(0)+φ′(0)+12φ′′(θ)\varphi(1) = \varphi(0) + \varphi'(0) + \frac12\varphi''(\theta) (टेलर–लाग्रांज), और द्वितीय आंशिक अवकलजों की संततता φ′′(θ)=φ′′(0)+o(1)⋅∥h∥2\varphi''(\theta) = \varphi''(0) + o(1)\cdot\norm h^2-एकसमान रूप में बदल देती है: यही प्रदर्शित प्रसार है। ∎

उदाहरण 15.10 (एक प्रसार, दो तरह से)

f(x,y)=excos⁡yf(x, y) = \eu^x\cos y का मूल बिंदु पर कोटि 22 तक प्रसार कीजिए। एक-चर प्रसारों के संयोजन से:

excos⁡y=(1+x+x22+o(x2))(1−y22+o(y2))=1+x+x2−y22+o(∥(x,y)∥2).\eu^x\cos y = \Bigl(1 + x + \frac{x^2}{2} + o(x^2)\Bigr)\Bigl(1 - \frac{y^2}{2} + o(y^2)\Bigr) = 1 + x + \frac{x^2 - y^2}{2} + o\bigl(\norm{(x,y)}^2\bigr) .

आंशिक अवकलजों से: fx=excos⁡yf_x = \eu^x\cos y, fy=−exsin⁡yf_y = -\eu^x\sin y, अतः ∇f(0)=(1,0)\nabla f(0) = (1, 0); और fxx=ff_{xx} = f, fyy=−ff_{yy} = -f, fxy=−exsin⁡yf_{xy} = -\eu^x\sin y से H0=diag⁡(1,−1)H_0 = \operatorname{diag}(1, -1): अर्थात् प्रमेय 15.9 1+x+12(x2−y2)1 + x + \frac12(x^2 - y^2) को पुनः उत्पन्न कर देता है। दोनों परिकलन सहमत हैं, और संयोजन वाला रास्ता तेज़ था — कोई द्वितीय आंशिक अवकलज लगा ही नहीं। समापन दृष्टि: मूल बिंदु क्रांतिक बिंदु नहीं है (∇f≠0\nabla f \neq 0), अतः अनिश्चित हेस्सियन के बावजूद यहाँ कोई काठी घोषित करने को नहीं है: रैखिक पद ही शासन करता है, और द्वितीय-कोटि जाँच केवल क्रांतिक बिंदुओं पर ही बोलती है।

प्रमेय 15.11 (द्वितीय-कोटि चरम-मान जाँच, सिद्ध)

मान लीजिए ff किसी क्रांतिक बिंदु aa (∇f(a)=0\nabla f(a) = 0) के पास C2C^2 है, और उसका हेस्सियन H=HaH = H_a है।

  1. यदि HH धनात्मक निश्चित हो, तो aa यथार्थ स्थानीय न्यूनतम है (ऋणात्मक निश्चित: महत्तम)।
  2. यदि HH के अभिलक्षणिक मान दोनों चिह्नों के हों, तो aa काठी है: कोई चरम मान नहीं।
  3. यदि HH अपभ्रष्ट (और अर्धनिश्चित) हो, तो कोई निष्कर्ष नहीं।

प्रथम वर्ष की “rt−s2rt - s^2” जाँच n=2n = 2 वाली स्थिति है: det⁡H=rt−s2\det H = rt - s^2, और rr से tr⁡\operatorname{tr}-चिह्न पढ़ लिया जाता है।

उपपत्ति. वर्णक्रमीय प्रमेय (प्रमेय 12.13) से HH का द्विघात रूप उसके चरम अभिलक्षणिक मानों के बीच निचुड़ जाता है: λmin⁡∥h∥2≤⟨Hh,h⟩≤λmax⁡∥h∥2\lambda_{\min}\norm h^2 \leq \langle Hh, h\rangle \leq \lambda_{\max}\norm h^2।

(1) यदि λmin⁡>0\lambda_{\min} > 0: तो टेलर–यंग छोटे h≠0h \neq 0 के लिए

f(a+h)−f(a)≥λmin⁡2∥h∥2−o(∥h∥2)>0f(a + h) - f(a) \geq \frac{\lambda_{\min}}{2}\norm h^2 - o(\norm h^2) > 0

देता है: अर्थात् यथार्थ स्थानीय न्यूनतम।

(2) λ+>0\lambda_+ > 0 वाले किसी अभिलक्षणिक सदिश v+v_+ के अनुदिश: छोटे tt के लिए f(a+tv+)−f(a)=λ+2t2+o(t2)>0f(a + tv_+) - f(a) = \frac{\lambda_+}{2}t^2 + o(t^2) > 0; और λ−<0\lambda_- < 0 वाले v−v_- के अनुदिश अंतर ऋणात्मक है: अतः हर प्रतिवेश में दोनों चिह्न आते हैं।

(3) f(x,y)=x2+y4f(x,y) = x^2 + y^4, x2−y4x^2 - y^4, x2+y3x^2 + y^3 का 00 पर वही अपभ्रष्ट अर्धनिश्चित हेस्सियन है, पर तीन भिन्न व्यवहार। ∎

उदाहरण 15.12 (एक पूरा वर्गीकरण, वैश्विक सहित)

R2\R^2 पर f(x,y)=x4+y4−4xyf(x, y) = x^4 + y^4 - 4xy के सारे चरम मानों का वर्गीकरण कीजिए। क्रांतिक बिंदु: ∇f=(4x3−4y, 4y3−4x)=0\nabla f = (4x^3 - 4y,\ 4y^3 - 4x) = 0 से y=x3y = x^3 और x=y3=x9x = y^3 = x^9 मिलते हैं, अतः x(x8−1)=0x(x^8 - 1) = 0: और वास्तविक हल (0,0)(0,0), (1,1)(1,1), (−1,−1)(-1,-1) हैं। हेस्सियन: H=(12x2−4−412y2)H = \begin{pmatrix} 12x^2 & -4\\ -4 & 12y^2\end{pmatrix}। (±1,±1)(\pm1, \pm1) पर: (12−4−412)\begin{pmatrix} 12 & -4\\ -4 & 12\end{pmatrix}, अभिलक्षणिक मान 88 और 1616: अर्थात् धनात्मक निश्चित, यानी f=−2f = -2 के साथ यथार्थ स्थानीय न्यूनतम। (0,0)(0,0) पर: (0−4−40)\begin{pmatrix} 0 & -4\\ -4 & 0\end{pmatrix}, अभिलक्षणिक मान ±4\pm4: अर्थात् काठी। वैश्विकता: 2∣xy∣≤x2+y22\abs{xy} \leq x^2 + y^2 से

f(x,y)≥x4+y4−2(x2+y2)=(x2−1)2+(y2−1)2+x2+y2−2→∥(x,y)∥→∞+∞:f(x, y) \geq x^4 + y^4 - 2(x^2 + y^2) = (x^2 - 1)^2 + (y^2 - 1)^2 + x^2 + y^2 - 2 \xrightarrow[\norm{(x,y)}\to\infty]{} +\infty :

अर्थात् ff प्रबल है, अतः वह वैश्विक न्यूनतम प्राप्त करता है (उपस्तर-समुच्चयों की संहतता), और अनिवार्यतः किसी क्रांतिक बिंदु पर: इसलिए मान −2-2, जो (1,1)(1,1) तथा (−1,−1)(-1,-1) दोनों पर है, वैश्विक न्यूनतम है; और कोई महत्तम नहीं है (ff ऊपर से अपरिबद्ध)। समापन दृष्टि: स्थानीय जाँच उम्मीदवारों का वर्गीकरण करती है, पर “स्थानीय” को “वैश्विक” केवल कोई वृद्धि-तर्क बनाता है — और यही इस पुस्तक की हर अनुकूलन-उपपत्ति का दो-चरणी ढर्रा है।

विधि 15.13 (f ⁣:Rn→Rf \colon \R^n \to \R के चरम मानों का वर्गीकरण)

  1. ∇f=0\nabla f = 0 हल कीजिए (सारे क्रांतिक बिंदु; और सीमा वाले प्रांत पर सीमा को अलग से निपटाइए, जैसा अभ्यास 15.7 में)।
  2. हर क्रांतिक बिंदु पर हेस्सियन और उसके अभिलक्षणिक मानों के चिह्न परिकलित कीजिए — विमा 22 में तो बस det⁡H\det H और tr⁡H\operatorname{tr} H: det⁡<0\det < 0 काठी; det⁡>0\det > 0 चरम मान, जिसका प्रकार अनुरेख के चिह्न से मिलता है; और det⁡=0\det = 0: जाँच चुप है, वक्रों के अनुदिश ff का अध्ययन कीजिए।
  3. वैश्विक कथनों के लिए कोई संहतता या प्रबलता वाला तर्क जोड़िए (अनंत पर f→+∞f \to +\infty, अथवा कोई संहत प्रतिबंध-समुच्चय), और फिर क्रांतिक मानों की तुलना कीजिए।

15.3 प्रतिलोम फलन प्रमेय

प्रमेय 15.14 (प्रतिलोम फलन प्रमेय)

मान लीजिए f ⁣:U→Rnf \colon U \to \R^n C1C^1 है और a∈Ua \in U, जहाँ  ⁣dfa\dd f_a प्रतिलोमनीय है। तब ऐसे विवृत प्रतिवेश V∋aV \ni a, W∋f(a)W \ni f(a) हैं कि f ⁣:V→Wf \colon V \to W एकैकी आच्छादक हो और उसका प्रतिलोम C1C^1 हो, तथा

 ⁣d(f−1)f(x)=( ⁣dfx)−1(x∈V).\dd (f^{-1})_{f(x)} = (\dd f_x)^{-1} \qquad (x \in V).

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

टिप्पणी 15.15 (यह सत्य क्यों है: अचल-बिंदु रणनीति)

aa के पास f(x)=yf(x) = y हल करना अचल-बिंदु समीकरण x=x+ ⁣dfa−1(y−f(x))=:Φy(x)x = x + \dd f_a^{-1}\bigl(y - f(x)\bigr) =: \Phi_y(x) के रूप में लिखा जा सकता है; और प्रतिचित्रण Φy\Phi_y का अवकल id− ⁣dfa−1 ⁣dfx\mathrm{id} - \dd f_a^{-1}\dd f_x है, जो  ⁣df\dd f की संततता से aa के पास छोटा है, अतः Φy\Phi_y किसी छोटे संवृत गोले पर संकुचन है और बानाख अचल बिंदु प्रमेय (प्रमेय 4.12) अद्वितीय स्थानीय हल x=f−1(y)x = f^{-1}(y) दे देती है। और फिर प्रतिलोम की संततता तथा अवकलनीयता संकुचन के आकलनों से निकल आती हैं। पूरा लेखा-जोखा तृतीय वर्ष में किया गया है; रणनीति — और कथन — अब से खुलकर प्रयुक्त होते हैं। और साथी अंतर्निहित फलन प्रमेय (∂F∂y\frac{\partial F}{\partial y} के प्रतिलोमनीय होने पर y(x)y(x) के लिए F(x,y)=0F(x, y) = 0 हल करना) (x,y)↦(x,F(x,y))(x, y) \mapsto (x, F(x,y)) पर प्रमेय लगाने से निकल आती है।

उदाहरण 15.16 (ध्रुवीय निर्देशांक)

Φ(r,θ)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ)\Phi(r, \theta) = (r\cos\theta, r\sin\theta) का याकोबी

JΦ=(cos⁡θ−rsin⁡θsin⁡θrcos⁡θ),det⁡JΦ=r:J_\Phi = \begin{pmatrix} \cos\theta & -r\sin\theta\\ \sin\theta & r\cos\theta \end{pmatrix}, \qquad \det J_\Phi = r :

है, जो r≠0r \neq 0 के लिए प्रतिलोमनीय है, अतः Φ\Phi मूल बिंदु से दूर स्थानीय C1C^1 अवकल समाकृतिकता है — अर्थात् “ध्रुवीय निर्देशांकों में बदलने” का लाइसेंस, जो अध्याय 20 के बहु समाकलों के लिए फिर से नवीनीकृत हुआ।

उदाहरण 15.17 (सर्वत्र स्थानीय, कहीं भी वैश्विक नहीं)

R2\R^2 पर f(x,y)=(excos⁡y, exsin⁡y)f(x, y) = \bigl(\eu^x\cos y,\ \eu^x\sin y\bigr) लीजिए। उसका याकोबी,

Jf=(excos⁡y−exsin⁡yexsin⁡yexcos⁡y),det⁡Jf=e2x>0,J_f = \begin{pmatrix} \eu^x\cos y & -\eu^x\sin y\\ \eu^x\sin y & \eu^x\cos y \end{pmatrix}, \qquad \det J_f = \eu^{2x} > 0 ,

कभी लुप्त नहीं होता: अतः प्रमेय 15.14 के अनुसार ff समतल के प्रत्येक बिंदु पर स्थानीय C1C^1 अवकल समाकृतिकता है। फिर भी ff एकैकी होने से बहुत दूर है: f(x,y+2π)=f(x,y)f(x, y + 2\pi) = f(x, y), अतः हर मान अपरिमित बार लिया जाता है; और वह आच्छादक भी नहीं है, क्योंकि ∥f(x,y)∥=ex>0\norm{f(x, y)} = \eu^x > 0 मूल बिंदु छोड़ देता है। समापन दृष्टि: प्रतिलोम फलन प्रमेय अखंडनीय रूप से स्थानीय है — हर  ⁣dfa\dd f_a की प्रतिलोमनीयता स्थानीय प्रतिलोमों की एक चकत्ती देती है, और उनका किसी एक प्रतिलोम में जुड़ जाना आवश्यक नहीं। (जो पाठक सम्मिश्र संख्याएँ जानते हैं वे z↦ezz \mapsto \eu^z पहचान लेंगे; और यह चकत्ती लघुगणक की शाखाओं का कुल है।) इसकी तुलना अभ्यास 15.12 से कीजिए, जहाँ कोई परिमाणात्मक वैश्विक परिकल्पना सचमुच एक ही वैश्विक प्रतिलोम को बाध्य कर देती है।

टिप्पणी 15.18 (सामान्य भूलें)

(क) दिशिक अवकलज सस्ते हैं, अवकल नहीं: सारे दिशिक अवकलज विद्यमान हो सकते हैं — और दिशा पर रैखिक रूप से निर्भर न भी हों — फिर भी अवकलनीयता न हो (अभ्यास 15.2); केवल C1C^1 कसौटी (प्रमेय 15.2) आंशिक अवकलजों को अवकल तक बढ़ाती है। (ख) क्रांतिक का अर्थ चरम नहीं: काठियाँ (उदाहरण 15.12) और चुप अपभ्रष्ट स्थिति (प्रमेय 15.11 (3)) दोनों ∇f=0\nabla f = 0 के पीछे छिपी रहती हैं। (ग) सदिश-मान वाली कोई मध्यमान समता नहीं: केवल प्रमेय 15.5 की असमिका बची रहती है (अभ्यास 15.9); Rm\R^m, m≥2m \geq 2 में मान लेने वाले ff के लिए f(b)−f(a)= ⁣dfc(b−a)f(b) - f(a) = \dd f_c(b-a) कभी मत लिखिए। (घ) स्थानीय प्रतिलोमनीयता एकैकीपन नहीं है: उदाहरण 15.17। (ङ) प्रवणक अंतर्गुणन का है: ∇f\nabla f किसी चुने हुए अंतर्गुणन में  ⁣dfa\dd f_a को निरूपित करने वाला सदिश है; गुणन बदलिए (जैसा द्विघात-रूप अध्याय के भारित उदाहरण में) और प्रवणक घूम जाता है, जबकि अवकल — वह अंतर्निहित वस्तु — टस से मस नहीं होता।

टिप्पणी 15.19 (यह कहाँ काम आता है)

इस अध्याय के आगे सब कुछ अवकल कलन का प्रयोग है: अवकल समीकरणों वाला अध्याय प्रवाहों का रैखिकीकरण करता है और ल्यूविल का सारणिक सूत्र काम में लेता है (जो इस अध्याय की सप्ताहांत समस्या में सिद्ध है); वक्रों और पृष्ठों वाले अध्याय स्तर समुच्चयों तथा प्राचलनों का अध्ययन अंतर्निहित फलन प्रमेय के द्वारा करते हैं; और बहु समाकल याकोबियों के द्वारा चर बदलते हैं। सप्ताहांत समस्या स्वयं आव्यूहों की समष्टि पर कलन विकसित करती है — सारणिक का अवकल, प्रतिलोम का अवकल, आव्यूह घातांकी, और किसी चिकने स्तर समुच्चय के रूप में लांबिक समूह — अर्थात् जिसे तृतीय वर्ष का खंड बहुविध और ली समूहों के रूप में औपचारिक बनाता है उसकी द्वितीय वर्ष वाली परछाईं।

15.4 अभ्यास

अभ्यास 15.1 ★

f(x,y)=(x2−y2, 2xy)f(x,y) = (x^2 - y^2,\, 2xy) तथा Φ(r,θ,z)=(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)\Phi(r,\theta,z) = (r\cos\theta, r\sin\theta, z) के याकोबी आव्यूह परिकलित कीजिए; अवकल कहाँ प्रतिलोमनीय हैं?

हल

हल — अभ्यास 15.1.

Jf=(2x−2y2y2x)J_f = \begin{pmatrix} 2x & -2y\\ 2y & 2x\end{pmatrix}, det⁡Jf=4(x2+y2)\det J_f = 4(x^2 + y^2): मूल बिंदु से दूर प्रतिलोमनीय। (यह ff सम्मिश्र भेस में z↦z2z \mapsto z^2 है।)

JΦ=(cos⁡θ−rsin⁡θ0sin⁡θrcos⁡θ0001)J_\Phi = \begin{pmatrix} \cos\theta & -r\sin\theta & 0\\ \sin\theta & r\cos\theta & 0\\ 0 & 0 & 1\end{pmatrix}, det⁡=r\det = r: r≠0r \neq 0 के लिए प्रतिलोमनीय (बेलनीय निर्देशांक)।

अभ्यास 15.2 ★

f(0,0)=0f(0,0) = 0 के लिए f(x,y)=x3x2+y2f(x,y) = \frac{x^3}{x^2 + y^2} लीजिए। सिद्ध कीजिए कि 00 पर ff के सारे दिशिक अवकलज विद्यमान हैं, परंतु ff 00 पर अवकलनीय नहीं है (प्रतिचित्रण v↦v \mapsto दिशिक अवकलज रैखिक नहीं है)।

हल

हल — अभ्यास 15.2.

v=(a,b)≠0v = (a, b) \neq 0 के लिए: f(tv)−0t=t3a3t⋅t2(a2+b2)=a3a2+b2\frac{f(tv) - 0}{t} = \frac{t^3a^3}{t\cdot t^2(a^2+b^2)} = \frac{a^3}{a^2 + b^2}: अर्थात् हर दिशिक अवकलज विद्यमान है और उसका मान Dv=a3a2+b2D_v = \frac{a^3}{a^2+b^2} है। परंतु v↦Dvv \mapsto D_v रैखिक नहीं है (D(1,0)=1D_{(1,0)} = 1, D(0,1)=0D_{(0,1)} = 0, D(1,1)=12≠1D_{(1,1)} = \frac12 \neq 1): कोई भी रैखिक प्रतिचित्रण ये मान नहीं दे सकता, अतः ff 00 पर अवकलनीय नहीं है (अवकल को v↦Dvv \mapsto D_v होना पड़ता)।

अभ्यास 15.3 ★

प्रमेय 15.11 के द्वारा f(x,y)=x3+y3−3xyf(x, y) = x^3 + y^3 - 3xy के, तथा g(x,y)=x4+y4−2(x−y)2g(x,y) = x^4 + y^4 - 2(x - y)^2 के क्रांतिक बिंदु ज्ञात कीजिए और उनका वर्गीकरण कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 15.3.

f=x3+y3−3xyf = x^3 + y^3 - 3xy: क्रांतिक बिंदु (0,0)(0,0) और (1,1)(1,1) (प्रथम वर्ष का परिकलन)। हेस्सियन: H=(6x−3−36y)H = \begin{pmatrix} 6x & -3\\ -3 & 6y\end{pmatrix}। (0,0)(0,0) पर: अभिलक्षणिक चिह्न मिश्रित (det⁡=−9<0\det = -9 < 0): अर्थात् काठी। (1,1)(1,1) पर: det⁡=27>0\det = 27 > 0, अनुरेख >0> 0: अतः धनात्मक निश्चित, यथार्थ स्थानीय न्यूनतम — और अब यह प्रमेय 15.11 से न्यायोचित है, केवल घोषित नहीं।

g=x4+y4−2(x−y)2g = x^4 + y^4 - 2(x-y)^2: ∇g=(4x3−4(x−y),  4y3+4(x−y))\nabla g = (4x^3 - 4(x - y),\; 4y^3 + 4(x-y)); क्रांतिक बिंदु (0,0)(0,0), (2,−2)(\sqrt2, -\sqrt2), (−2,2)(-\sqrt2, \sqrt2) (प्रथम वर्ष)। (±2,∓2)(\pm\sqrt2, \mp\sqrt2) पर: H=(12⋅2−44420)=(204420)H = \begin{pmatrix} 12\cdot2 - 4 & 4\\ 4 & 20\end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 20 & 4\\ 4 & 20\end{pmatrix}: धनात्मक निश्चित (विकर्ण-प्रधान; अभिलक्षणिक मान 24,1624, 16): अतः यथार्थ स्थानीय न्यूनतम। और (0,0)(0,0) पर: H=(−444−4)H = \begin{pmatrix} -4 & 4\\ 4 & -4\end{pmatrix}, अपभ्रष्ट ऋणात्मक अर्धनिश्चित: जाँच चुप है; और दिशिक अध्ययन (g(x,x)=2x4>0g(x,x) = 2x^4 > 0, छोटा g(x,−x)=2x4−8x2<0g(x,-x) = 2x^4 - 8x^2 < 0) काठी जैसा बिंदु दिखा देता है — अर्थात् कोई चरम मान नहीं।

अभ्यास 15.4 ★★

मान लीजिए f ⁣:Rn→Rf \colon \R^n \to \R C1C^1 है और घात pp का समघातीय: t>0t > 0 के लिए f(tx)=tpf(x)f(tx) = t^pf(x)। ऑयलर की सर्वसमिका

⟨∇f(x),x⟩=p f(x),\langle \nabla f(x), x\rangle = p\,f(x) ,

सिद्ध कीजिए, और Rn∖{0}\R^n\setminus\{0\} पर C1C^1 फलनों के लिए उसका विलोम भी।

हल

हल — अभ्यास 15.4.

t=1t = 1 पर t↦f(tx)t \mapsto f(tx) का अवकलन कीजिए: शृंखला नियम से ⟨∇f(x),x⟩\langle \nabla f(x), x\rangle; और समघातता से वही फलन tpf(x)t^pf(x) है, जिसका t=1t = 1 पर अवकलज pf(x)pf(x) है: अर्थात् ऑयलर की सर्वसमिका।

विलोम: x≠0x \neq 0 स्थिर कीजिए और t>0t > 0 पर φ(t)=f(tx)−tpf(x)\varphi(t) = f(tx) - t^p f(x) लीजिए। तब φ′(t)=⟨∇f(tx),x⟩−ptp−1f(x)=1t(⟨∇f(tx),tx⟩−p tpf(x))\varphi'(t) = \langle\nabla f(tx), x\rangle - pt^{p-1}f(x) = \frac1t\bigl(\langle \nabla f(tx), tx\rangle - p\,t^pf(x)\bigr)। और परिकल्पना — अर्थात् बिंदु txtx पर ऑयलर की सर्वसमिका — कोष्ठक का मान p f(tx)−p tpf(x)=p φ(t)p\,f(tx) - p\,t^pf(x) = p\,\varphi(t) दे देती है। अतः φ(1)=0\varphi(1) = 0 सहित φ′=ptφ\varphi' = \frac{p}{t}\varphi: और इस रैखिक अवकल समीकरण का अद्वितीय हल φ≡0\varphi \equiv 0 है (प्रथम वर्ष की अद्वितीयता), अर्थात् f(tx)=tpf(x)f(tx) = t^pf(x)।

अभ्यास 15.5 ★★

मान लीजिए AA सममित है और f(x)=12⟨Ax,x⟩−⟨b,x⟩f(x) = \frac12\langle Ax, x\rangle - \langle b, x\rangle। ∇f\nabla f तथा HfH_f परिकलित कीजिए; ff कब उत्तल है? AA को धनात्मक निश्चित मानते हुए दिखाइए कि ff का Ax=bAx = b के हल पर अद्वितीय वैश्विक न्यूनतम है — अर्थात् प्रवणक अवरोहण का औचित्य।

हल

हल — अभ्यास 15.5.

f(x+h)−f(x)=⟨Ax−b,h⟩+12⟨Ah,h⟩f(x + h) - f(x) = \langle Ax - b, h\rangle + \frac12\langle Ah, h\rangle को खोलने पर (AA की सममितता): सर्वत्र ∇f(x)=Ax−b\nabla f(x) = Ax - b और Hf=AH_f = A। ff उत्तल है तभी जब AA धनात्मक अर्धनिश्चित हो (हेस्सियन जाँच, जो यहाँ वैश्विक है क्योंकि HH अचर है: द्वितीय-कोटि टेलर सूत्र यथार्थ है)। और यदि AA धनात्मक निश्चित हो: तो अद्वितीय क्रांतिक बिंदु x∗=A−1bx^* = A^{-1}b है, और h≠0h \neq 0 के लिए f(x∗+h)−f(x∗)=12⟨Ah,h⟩≥λmin⁡2∥h∥2>0f(x^* + h) - f(x^*) = \frac12\langle Ah, h\rangle \geq \frac{\lambda_{\min}}{2}\norm h^2 > 0: अर्थात् यथार्थ वैश्विक न्यूनतम।

अभ्यास 15.6 ★★

(लाग्रांज गुणक, एक प्रतिबंध, हाथ से सिद्ध) मान लीजिए f,gf, g R2\R^2 पर C1C^1 हैं, और ff ∇g(a)≠0\nabla g(a) \neq 0 सहित स्तर समुच्चय {g=0}\{g = 0\} पर aa पर कोई स्थानीय चरम मान प्राप्त करता है। सिद्ध कीजिए कि किसी λ\lambda के लिए ∇f(a)=λ∇g(a)\nabla f(a) = \lambda\nabla g(a)। (अंतर्निहित फलन प्रमेय से aa के पास स्तर समुच्चय का प्राचलन कीजिए और t↦f(γ(t))t \mapsto f(\gamma(t)) का अवकलन कीजिए।) अनुप्रयोग: वृत्त x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 पर f(x,y)=xyf(x,y) = xy के चरम मान।

हल

हल — अभ्यास 15.6.

चूँकि ∇g(a)≠0\nabla g(a) \neq 0, कोई एक आंशिक अवकलज, मान लीजिए ∂g∂y(a)≠0\frac{\partial g}{\partial y}(a) \neq 0: तब अंतर्निहित फलन प्रमेय (प्रमेय 15.14 की साथी) a=(a1,a2)a = (a_1, a_2) के पास {g=0}\{g = 0\} का प्राचलन yy C1C^1, y′(t)=−∂xg∂yg(γ(t))y'(t) = -\frac{\partial_x g}{\partial_y g}(\gamma(t)) सहित γ(t)=(t,y(t))\gamma(t) = (t, y(t)) के रूप में कर देती है (g(t,y(t))=0g(t, y(t)) = 0 का अवकलन कीजिए)। और एक-चर फलन t↦f(γ(t))t \mapsto f(\gamma(t)) का t=a1t = a_1 पर स्थानीय चरम मान है:

0= ⁣d ⁣dtf(γ(t))∣a1=∂xf(a)+∂yf(a) y′(a1)=∂xf(a)−∂yf(a)∂xg(a)∂yg(a):0 = \frac{\dd}{\dd t}f(\gamma(t))\Big|_{a_1} = \partial_x f(a) + \partial_y f(a)\,y'(a_1) = \partial_x f(a) - \partial_yf(a)\frac{\partial_x g(a)}{\partial_y g(a)} :

अर्थात् सदिशों ∇f(a)\nabla f(a) और ∇g(a)\nabla g(a) के निर्देशांक अनुपाती हैं: λ=∂yf(a)∂yg(a)\lambda = \frac{\partial_y f(a)}{\partial_y g(a)} सहित ∇f(a)=λ∇g(a)\nabla f(a) = \lambda \nabla g(a)।

अनुप्रयोग: वृत्त पर ∇(xy)=(y,x)\nabla(xy) = (y, x) का (2x,2y)(2x, 2y) के समांतर होना y2=x2y^2 = x^2 को बाध्य कर देता है; और प्रतिबंध के साथ उम्मीदवार ±(12,12)\pm\bigl(\tfrac{1}{\sqrt2}, \tfrac{1}{\sqrt2}\bigr) (मान 12\frac12) तथा ±(12,−12)\pm\bigl(\tfrac{1}{\sqrt2}, -\tfrac{1}{\sqrt2}\bigr) (मान −12-\frac12) हैं: अतः महत्तम 12\frac12, न्यूनतम −12-\frac12 (और ये प्राप्त होते हैं: वृत्त संहत है)।

अभ्यास 15.7 ★★

R2\R^2 पर f(x,y)=x2+y2−xy+x−yf(x, y) = x^2 + y^2 - xy + x - y के चरम मान निर्धारित कीजिए, और फिर शीर्षों (0,0)(0,0), (1,0)(1,0), (0,1)(0,1) वाले संवृत त्रिभुज पर उसका महत्तम और न्यूनतम (पहले अभ्यंतरीय क्रांतिक बिंदु, फिर तीनों भुजाएँ, फिर शीर्ष)।

हल

हल — अभ्यास 15.7.

∇f=(2x−y+1,  2y−x−1)=0\nabla f = (2x - y + 1,\; 2y - x - 1) = 0: हल करने पर x=−13x = -\frac13, y=13y = \frac13। हेस्सियन (2−1−12)\begin{pmatrix} 2 & -1\\ -1 & 2\end{pmatrix}, जो धनात्मक निश्चित है: अतः द्विघात ff का वैश्विक न्यूनतम, मान f(−13,13)=−13f\bigl(-\frac13, \frac13\bigr) = -\frac13।

त्रिभुज TT पर: अभ्यंतरीय क्रांतिक बिंदु (−13,13)∉T(-\frac13, \frac13) \notin T (ऋणात्मक xx)। भुजाएँ: y=0y = 0 पर x∈[0, 1]x \in \intcc{0}{1}: f=x2+xf = x^2 + x, जो वर्धमान है: अतः चरम मान 00 और 22। x=0x = 0 पर: f=y2−yf = y^2 - y, न्यूनतम y=12y = \frac12 पर −14-\frac14, और सिरों पर मान 00 तथा 00। x+y=1x + y = 1 पर: y=1−xy = 1 - x प्रतिस्थापित कीजिए, f=x2+(1−x)2−x(1−x)+x−(1−x)=3x2−xf = x^2 + (1-x)^2 - x(1-x) + x - (1-x) = 3x^2 - x; और [0, 1]\intcc{0}{1} पर: न्यूनतम x=16x = \frac16 पर −112-\frac{1}{12}, तथा मान 00 (x=0x=0 पर) और 22 (x=1x=1 पर)। शीर्ष: f(0,0)=0f(0,0) = 0, f(1,0)=2f(1,0) = 2, f(0,1)=0f(0,1) = 0। TT पर वैश्विक: न्यूनतम −14-\frac14 (0,12)(0, \frac12) पर, महत्तम 22 (1,0)(1, 0) पर।

अभ्यास 15.8 ★★★

f ⁣:R2→R2f \colon \R^2 \to \R^2, f(x,y)=(x+y2,  y+x2)f(x, y) = (x + y^2,\; y + x^2) लीजिए। दिखाइए कि ff 00 के पास स्थानीय अवकल समाकृतिकता है,  ⁣d(f−1)(0,0)\dd(f^{-1})_{(0,0)} परिकलित कीजिए, और वह महत्तम rr ज्ञात कीजिए जिसके लिए  ⁣df\dd f गोले ∥(x,y)∥2<r\norm{(x,y)}_2 < r पर प्रतिलोमनीय हो (det⁡Jf\det J_f परिकलित कीजिए)।

हल

हल — अभ्यास 15.8.

Jf=(12y2x1)J_f = \begin{pmatrix} 1 & 2y\\ 2x & 1\end{pmatrix}, det⁡Jf=1−4xy\det J_f = 1 - 4xy। 00 पर: det⁡=1≠0\det = 1 \neq 0: अर्थात् स्थानीय अवकल समाकृतिकता (प्रमेय 15.14), जहाँ

 ⁣d(f−1)(0,0)=(Jf(0))−1=I2.\dd(f^{-1})_{(0,0)} = (J_f(0))^{-1} = I_2 .

किसी गोले पर प्रतिलोमनीयता: सर्वत्र 4∣xy∣<14\abs{xy} < 1 चाहिए; और ∥(x,y)∥2<r\norm{(x,y)}_2 < r पर ∣xy∣≤x2+y22<r22\abs{xy} \leq \frac{x^2 + y^2}{2} < \frac{r^2}{2}, अतः r=12r = \frac{1}{\sqrt2} काम करता है; और वही महत्तम है: (x,y)=(12,12)(x, y) = \bigl(\tfrac12, \tfrac12\bigr) पर, जिसका मानदंड 12\frac{1}{\sqrt2} है, det⁡Jf=0\det J_f = 0।

अभ्यास 15.9 ★★★

(रोल विफल, मध्यमान बचा रहता है) ऐसा f ⁣:R→R2f \colon \R \to \R^2, C1C^1 दीजिए जिसके लिए f(0)=f(2π)f(0) = f(2\pi) हो पर सभी tt के लिए f′(t)≠0f'(t) \neq 0 (अर्थात् सदिश-मान वाला कोई रोल नहीं)। फिर अपने उदाहरण पर प्रमेय 15.5 की मध्यमान असमिका सत्यापित कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 15.9.

f(t)=(cos⁡t,sin⁡t)f(t) = (\cos t, \sin t): f(0)=f(2π)=(1,0)f(0) = f(2\pi) = (1, 0), फिर भी f′(t)=(−sin⁡t,cos⁡t)f'(t) = (-\sin t, \cos t) का मानदंड 11 है, जो कभी शून्य नहीं: अर्थात् ऐसा कोई बिंदु नहीं जहाँ अवकलज लुप्त हो — रोल का कोई सदिश अनुरूप नहीं है। और मध्यमान असमिका आराम से सत्य रहती है: ∥f(2π)−f(0)∥=0≤2π⋅sup⁡∥f′∥=2π\norm{f(2\pi) - f(0)} = 0 \leq 2\pi \cdot \sup\norm{f'} = 2\pi।

अभ्यास 15.10 ★

Rn\R^n पर f(x)=∥x∥22f(x) = \norm x_2^2 तथा g(x)=⟨Ax,x⟩g(x) = \langle Ax, x\rangle के अवकल और प्रवणक परिकलित कीजिए (AA कोई वर्ग आव्यूह, सममित नहीं माना गया), और हर एक का हेस्सियन भी। किन AA के लिए gg उत्तल है?

हल

हल — अभ्यास 15.10.

f(x+h)−f(x)=2⟨x,h⟩+∥h∥2f(x+h) - f(x) = 2\langle x, h\rangle + \norm h^2:  ⁣dfx=2⟨x,⋅⟩\dd f_x = 2\langle x, \cdot\rangle, ∇f(x)=2x\nabla f(x) = 2x, हेस्सियन 2I2I (अचर)। gg के लिए:

g(x+h)−g(x)=⟨Ax,h⟩+⟨Ah,x⟩+⟨Ah,h⟩=⟨(A+AT)x, h⟩+O(∥h∥2),g(x + h) - g(x) = \langle Ax, h\rangle + \langle Ah, x\rangle + \langle Ah, h\rangle = \bigl\langle (A + A^{\mathsf T})x,\ h\bigr\rangle + O(\norm h^2),

अतः ∇g(x)=(A+AT)x\nabla g(x) = (A + A^{\mathsf T})x और Hg=A+ATH_g = A + A^{\mathsf T}, जो अचर है। अभ्यास 15.11 के अनुसार gg उत्तल है तभी जब A+ATA + A^{\mathsf T} धनात्मक अर्धनिश्चित हो — अर्थात् केवल AA का सममित भाग मायने रखता है, और वास्तव में g(x)=⟨A+AT2x,x⟩g(x) = \langle \frac{A + A^{\mathsf T}}2 x, x\rangle।

अभ्यास 15.11 ★★

मान लीजिए f ⁣:Rn→Rf \colon \R^n \to \R C2C^2 है। सिद्ध कीजिए कि ff उत्तल है यदि और केवल यदि उसका हेस्सियन HxH_x प्रत्येक xx पर धनात्मक अर्धनिश्चित हो (एक चर तक ले आइए: t↦f(a+t(b−a))t \mapsto f(a + t(b-a)); एक दिशा में टेलर–लाग्रांज लगाइए, और विलोम के लिए φ′′\varphi'' का मूल्यांकन कीजिए)।

हल

हल — अभ्यास 15.11.

ff उत्तल है तभी जब हर खंड तक उसका प्रतिबंधन उत्तल हो, अर्थात् तभी जब हर φ(t)=f(a+tv)\varphi(t) = f(a + tv) उत्तल हो। और शृंखला नियम से φ′′(t)=⟨Ha+tv v, v⟩\varphi''(t) = \langle H_{a+tv}\,v,\ v\rangle।

यदि सारे हेस्सियन धनात्मक अर्धनिश्चित हों: तो φ′′≥0\varphi'' \geq 0, अतः हर φ\varphi उत्तल है (प्रथम वर्ष का खंड) और ff उत्तल। विलोमतः यदि ff उत्तल हो, तो हर φ\varphi उत्तल है, अतः φ′′(0)≥0\varphi''(0) \geq 0: प्रत्येक aa और प्रत्येक दिशा vv के लिए ⟨Hav,v⟩≥0\langle H_a v, v\rangle \geq 0: अर्थात् सारे हेस्सियन धनात्मक अर्धनिश्चित हैं।

अभ्यास 15.12 ★★★

(एक वैश्विक प्रतिलोम प्रमेय) मान लीजिए g ⁣:Rn→Rng \colon \R^n \to \R^n C1C^1 है, सभी xx के लिए ∣∣∣ ⁣dgx∣∣∣≤k<1\vertiii{\dd g_x} \leq k < 1, और f=id+gf = \mathrm{id} + g।

  1. दिखाइए ∥f(x)−f(y)∥≥(1−k)∥x−y∥\norm{f(x) - f(y)} \geq (1 - k)\norm{x - y}: अर्थात् ff एकैकी है और अपने प्रतिबिंब पर उसका प्रतिलोम संतत है।
  2. दिखाइए कि प्रत्येक y∈Rny \in \R^n के लिए प्रतिचित्रण x↦y−g(x)x \mapsto y - g(x) पूर्ण समष्टि Rn\R^n का संकुचन है, और बानाख अचल बिंदु प्रमेय (प्रमेय 4.12) से निष्कर्ष निकालिए कि ff आच्छादक है।
  3. निष्कर्ष निकालिए कि ff Rn\R^n का एकैकी आच्छादक प्रतिचित्रण है जिसका प्रतिलोम (1−k)−1(1-k)^{-1}-लिप्शिट्स है — अर्थात् प्रमेय 15.14 का वैश्विक प्रतिरूप (जो इसके विपरीत विशुद्ध रूप से स्थानीय है)।
हल

हल — अभ्यास 15.12.

  1. gg पर लगाई गई मध्यमान असमिका (प्रमेय 15.5) से ∥g(x)−g(y)∥≤k∥x−y∥\norm{g(x) - g(y)} \leq k\norm{x-y}, अतः

    ∥f(x)−f(y)∥≥∥x−y∥−∥g(x)−g(y)∥≥(1−k)∥x−y∥:\norm{f(x) - f(y)} \geq \norm{x - y} - \norm{g(x) - g(y)} \geq (1 - k)\norm{x - y} :

    अर्थात् ff एकैकी है और (प्रतिबिंब पर परिभाषित) f−1f^{-1} 11−k\frac{1}{1-k}-लिप्शिट्स है।

  2. yy स्थिर कीजिए; T(x)=y−g(x)T(x) = y - g(x) ∥T(x)−T(x′)∥=∥g(x′)−g(x)∥≤k∥x−x′∥\norm{T(x) - T(x')} = \norm{g(x') - g(x)} \leq k\norm{x - x'} पूरा करता है: अर्थात् पूर्ण समष्टि Rn\R^n का संकुचन। बानाख (प्रमेय 4.12) अचल बिंदु x∗=y−g(x∗)x^* = y - g(x^*) दे देती है, अर्थात् f(x∗)=yf(x^*) = y: इसलिए ff आच्छादक है।
  3. अतः ff Rn\R^n का ऐसा एकैकी आच्छादक प्रतिचित्रण है जिसका प्रतिलोम 11−k\frac{1}{1-k}-लिप्शिट्स है: यही वैश्विक प्रतिलोम प्रमेय है, जहाँ सर्वत्र  ⁣dg\dd g की लघुता प्रमेय 15.14 की स्थानीय प्रतिलोमनीयता वाली परिकल्पना की जगह ले लेती है।

15.5 समस्या: आव्यूहों का कलन — याकोबी, घातांकी और लांबिक समूह

समस्या 15.1

अवकल कलन का सबसे स्वच्छ खेल-मैदान स्वयं समष्टि Mn(R)≃Rn2\mathcal M_n(\R) \simeq \R^{n^2} है: उसके सबसे स्वाभाविक प्रतिचित्रणों — गुणनफल, प्रतिलोम, सारणिक, घातांकी — के अवकल आश्चर्यजनक रूप से सुंदर हैं। यह समस्या उन सबका परिकलन करती है: नॉयमान श्रेणी, प्रतिलोम का अवकल, सारणिक के लिए याकोबी सूत्र और लाभ में ल्यूविल का सूत्र, det⁡eA=etr⁡A\det\eu^A = \eu^{\operatorname{tr}A} वाला आव्यूह घातांकी, और अंत में लांबिक समूह OnO_n किसी चिकने स्तर समुच्चय के रूप में जिसकी स्पर्श समष्टि प्रतिसममित आव्यूह हैं — अर्थात् भ्रूण-रूप में अवकल ज्यामिति। आगे सर्वत्र ∣∣∣⋅∣∣∣\vertiii\cdot ∥⋅∥2\norm\cdot_2 के अधीनस्थ संकारक मानदंड है, और ⟨X,Y⟩=tr⁡(XTY)\langle X, Y\rangle = \operatorname{tr}(X^{\mathsf T}Y) फ्रोबेनियस अंतर्गुणन।

भाग I — नॉयमान श्रेणी।

  1. उपगुणात्मकता ∣∣∣AB∣∣∣≤∣∣∣A∣∣∣ ∣∣∣B∣∣∣\vertiii{AB} \leq \vertiii A\,\vertiii B सिद्ध कीजिए, और इससे निष्कर्ष निकालिए कि AA के बहुपद प्रतिचित्रण (आव्यूह गुणनफल, सारणिक, अनुरेख) Mn(R)\mathcal M_n(\R) पर संतत हैं।
  2. ∣∣∣X∣∣∣<1\vertiii X < 1 के लिए दिखाइए कि ∑k≥0Xk\sum_{k\geq0}X^k Mn(R)\mathcal M_n(\R) में निरपेक्ष रूप से अभिसरित होती है (प्रमेय 5.21), कि उसका योग (I−X)−1(I - X)^{-1} है, और यह कि

    ∣∣∣(I−X)−1∣∣∣≤11−∣∣∣X∣∣∣,(I−X)−1=I+X+O(∣∣∣X∣∣∣2).\vertiii{(I - X)^{-1}} \leq \frac{1}{1 - \vertiii X}, \qquad (I - X)^{-1} = I + X + O\bigl(\vertiii X^2\bigr) .
  3. इससे निष्कर्ष निकालिए कि GLn(R)GL_n(\R) विवृत है: यदि AA प्रतिलोमनीय हो और ∣∣∣H∣∣∣<1∣∣∣A−1∣∣∣\vertiii H < \frac{1}{\vertiii{A^{-1}}}, तो A+HA + H प्रतिलोमनीय है। यह भी निष्कर्ष निकालिए कि GLn(R)GL_n(\R) Mn(R)\mathcal M_n(\R) में सघन है (AA को εI\varepsilon I से विक्षुब्ध कीजिए: det⁡(A+εI)\det(A + \varepsilon I) ε\varepsilon में अशून्य बहुपद है)।
  4. दिखाइए कि प्रतिलोमन प्रतिचित्रण Φ(A)=A−1\Phi(A) = A^{-1} GLn(R)GL_n(\R) पर संतत है।

भाग II — पहले अवकल।

  1. दिखाइए कि वर्ग-प्रतिचित्रण A↦A2A \mapsto A^2 अवकलनीय है और उसका अवकल H↦AH+HAH \mapsto AH + HA है, और अधिक सामान्य रूप में A↦AkA \mapsto A^k का अवकल H↦∑i=0k−1AiHAk−1−iH \mapsto \sum_{i=0}^{k-1} A^iHA^{k-1-i}। सामान्यतः kAk−1HkA^{k-1}H क्यों नहीं लिखा जा सकता?
  2. सिद्ध कीजिए कि Φ(A)=A−1\Phi(A) = A^{-1} GLn(R)GL_n(\R) पर अवकलनीय है और

     ⁣dΦA(H)=−A−1HA−1\dd\Phi_A(H) = -A^{-1}HA^{-1}

    ((A+H)−1=(I+A−1H)−1A−1(A + H)^{-1} = (I + A^{-1}H)^{-1}A^{-1} लिखिए और प्रश्न 2 से प्रसार कीजिए)। सूत्र को अदिश स्थिति n=1n = 1 के विरुद्ध जाँचिए।

  3. किसी C1C^1 वक्र t↦A(t)∈GLn(R)t \mapsto A(t) \in GL_n(\R) के लिए (A(t)−1)′=−A−1A′A−1\bigl(A(t)^{-1}\bigr)' = -A^{-1}A'A^{-1} निष्कर्ष रूप में निकालिए, और t=0t = 0 पर t↦(I+tB)−1t \mapsto (I + tB)^{-1} का प्रथम कोटि तक प्रसार कीजिए।
  4. f(A)=tr⁡(Ak)f(A) = \operatorname{tr}(A^k) का अवकल परिकलित कीजिए और फ्रोबेनियस अंतर्गुणन के लिए उसका प्रवणक पहचानिए:

     ⁣dfA(H)=ktr⁡(Ak−1H),∇f(A)=k (Ak−1)T.\dd f_A(H) = k\operatorname{tr}\bigl(A^{k-1}H\bigr), \qquad \nabla f(A) = k\,\bigl(A^{k-1}\bigr)^{\mathsf T} .
  5. f(A)=tr⁡(ATA)=∥A∥F2f(A) = \operatorname{tr} (A^{\mathsf T}A) = \norm A_F^2 के लिए वही प्रश्न: अवकल, प्रवणक, और (अचर) हेस्सियन; निष्कर्ष निकालिए कि ∥⋅∥F2\norm\cdot_F^2 यथार्थतः उत्तल है।

भाग III — याकोबी सूत्र।

  1. सिद्ध कीजिए

    det⁡(I+H)=1+tr⁡H+O(∣∣∣H∣∣∣2)\det(I + H) = 1 + \operatorname{tr}H + O\bigl(\vertiii H^2\bigr)

    (det⁡(e1+h1,…,en+hn)\det(e_1 + h_1, \dots, e_n + h_n) को स्तंभों में बहुरैखिकता से खोलिए: कम से कम दो hh-स्तंभों वाले पद O(∣∣∣H∣∣∣2)O(\vertiii H^2) हैं):  ⁣d(det⁡)I=tr⁡\dd(\det)_I = \operatorname{tr}।

  2. प्रतिलोमनीय AA के लिए निष्कर्ष निकालिए

     ⁣d(det⁡)A(H)=det⁡(A) tr⁡(A−1H).\dd(\det)_A(H) = \det(A)\, \operatorname{tr}\bigl(A^{-1}H\bigr) .
  3. दिखाइए कि प्रत्येक AA के लिए (प्रतिलोमनीय हो या न हो) ∂det⁡∂aij(A)=Cij\frac{\partial\det}{\partial a_{ij}}(A) = C_{ij} (i,j)(i,j) सहगुणनखंड है (पंक्ति ii के अनुदिश लाप्लास प्रसार), अतः संलग्नक adj⁡A=com⁡(A)T\operatorname{adj}A = \operatorname{com}(A)^{\mathsf T} के साथ:

     ⁣d(det⁡)A(H)=tr⁡(adj⁡(A) H),∇(det⁡)(A)=com⁡(A),\dd(\det)_A(H) = \operatorname{tr}\bigl(\operatorname{adj}(A)\,H\bigr), \qquad \nabla(\det)(A) = \operatorname{com}(A) ,

    जो AA के प्रतिलोमनीय होने पर प्रश्न 11 पुनः दे देता है (adj⁡A=det⁡(A)A−1\operatorname{adj}A = \det(A)A^{-1})। यही याकोबी सूत्र है: (det⁡A(t))′=tr⁡(adj⁡(A(t)) A′(t))\bigl(\det A(t)\bigr)' = \operatorname{tr}\bigl( \operatorname{adj}(A(t))\,A'(t)\bigr)।

  4. (ल्यूविल का सूत्र) मान लीजिए A(t)A(t) आव्यूहों का ऐसा C1C^1 वक्र है जो रैखिक अवकल समीकरण A′(t)=M(t)A(t)A'(t) = M(t)A(t) पूरा करता है। सिद्ध कीजिए

    (det⁡A(t))′=tr⁡(M(t)) det⁡A(t),अतःdet⁡A(t)=det⁡A(0) exp⁡(∫0ttr⁡M)\bigl(\det A(t)\bigr)' = \operatorname{tr}\bigl(M(t)\bigr)\,\det A(t), \qquad\text{अतः}\qquad \det A(t) = \det A(0)\, \exp\Bigl(\int_0^t\operatorname{tr}M\Bigr)

    (adj⁡(A) A=det⁡(A)I\operatorname{adj}(A)\,A = \det(A)I तथा अनुरेख की चक्रीय अपरिवर्त्यता का उपयोग कीजिए) — यही वह व्रोंस्कियन सर्वसमिका है जिसे अवकल समीकरणों वाला अध्याय लगातार काम में लेगा।

  5. दिखाइए कि SLn(R)={det⁡=1}SL_n(\R) = \{\det = 1\} चिकना स्तर समुच्चय है: प्रत्येक A∈SLn(R)A \in SL_n(\R) पर अवकल  ⁣d(det⁡)A\dd(\det)_A R\R पर आच्छादक रैखिक प्रतिचित्रण है (उसका H=1nAH = \frac1nA पर मूल्यांकन कीजिए)।

भाग IV — आव्यूह घातांकी।

  1. दिखाइए कि eA=∑k≥0Akk!\eu^A = \sum_{k\geq0}\frac{A^k}{k!} प्रत्येक AA के लिए निरपेक्ष रूप से और हर गोले पर सामान्य रूप से अभिसरित होती है, जहाँ ∣∣∣eA∣∣∣≤e∣∣∣A∣∣∣\vertiii{\eu^A} \leq \eu^{\vertiii A}; और यह कि eA\eu^A AA पर संतत रूप से निर्भर करता है।
  2. सिद्ध कीजिए कि AB=BAAB = BA से eA+B=eAeB\eu^{A+B} = \eu^A\eu^B निकलता है (कोशी गुणनफल, जो निरपेक्ष अभिसरण से वैध है); और इससे निष्कर्ष निकालिए कि eA\eu^A सदा प्रतिलोमनीय है जिसका प्रतिलोम e−A\eu^{-A} है: अर्थात् exp⁡\exp Mn(R)\mathcal M_n(\R) को GLn(R)GL_n(\R) में भेजता है।
  3. दिखाइए कि t↦etAt \mapsto \eu^{tA} C1C^1 है (वस्तुतः C∞C^\infty) और

     ⁣d ⁣dt etA=A etA=etAA\frac{\dd}{\dd t}\,\eu^{tA} = A\,\eu^{tA} = \eu^{tA}A

    (खंडों पर श्रेणी का पद-दर-पद अवकलन कीजिए: व्युत्पन्न श्रेणी सामान्य रूप से अभिसरित होती है)।

  4. सर्वसमिका

    det⁡(eA)=etr⁡A\det\bigl(\eu^{A}\bigr) = \eu^{\operatorname{tr}A}

    सिद्ध कीजिए (A(t)=etAA(t) = \eu^{tA} पर ल्यूविल का सूत्र, प्रश्न 13, लगाइए)। तर्कसंगति की जाँचें: n=1n = 1; शून्यंभावी AA; और अनुरेख-शून्य आव्यूह SLn(R)SL_n(\R) में उतरते हैं।

  5. दिखाइए कि eH=I+H+O(∣∣∣H∣∣∣2)\eu^H = I + H + O(\vertiii H^2), अतः exp⁡\exp 00 पर  ⁣d(exp⁡)0=id\dd(\exp)_0 = \mathrm{id} के साथ अवकलनीय है; और प्रतिलोम फलन प्रमेय (प्रमेय 15.14) से निष्कर्ष निकालिए कि exp⁡\exp 00 के किसी प्रतिवेश से II के किसी प्रतिवेश पर C1C^1 अवकल समाकृतिकता है: अर्थात् तत्समक के निकट हर आव्यूह का लघुगणक होता है।
  6. दिखाइए कि exp⁡\exp सममित आव्यूहों को सममित धनात्मक निश्चित आव्यूहों पर एकैकी आच्छादक रूप से भेजता है (विकर्णन कीजिए; प्रतिलोम वर्णक्रमीय लघुगणक है)।

भाग V — स्तर समुच्चय के रूप में लांबिक समूह।

  1. Mn(R)\mathcal M_n(\R) से सममित आव्यूहों SnS_n में जाने वाला F(A)=ATAF(A) = A^{\mathsf T}A लीजिए।  ⁣dFA(H)=ATH+HTA\dd F_A(H) = A^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}A परिकलित कीजिए और दिखाइए कि प्रत्येक A∈On=F−1(I)A \in O_n = F^{-1}(I) पर यह अवकल SnS_n पर आच्छादक है (S∈SnS \in S_n दिया हो तो H=12ASH = \frac12 AS आज़माइए): अर्थात् OnO_n विमा n2−n(n+1)2=n(n−1)2n^2 - \frac{n(n+1)}2 = \frac{n(n-1)}2 का चिकना स्तर समुच्चय है।
  2. दिखाइए कि A(0)=IA(0) = I वाले हर C1C^1 वक्र A(t)∈OnA(t) \in O_n का वेग A′(0)A'(0) प्रतिसममित होता है, और विलोमतः प्रतिसममित KK के लिए वक्र etK\eu^{tK} OnO_n में बना रहता है: अर्थात् II पर OnO_n की स्पर्श समष्टि ठीक प्रतिसममित आव्यूह हैं।
  3. प्रतिसममित KK के लिए det⁡eK=1\det\eu^{K} = 1 दिखाइए (प्रश्न 18): अतः घातांकी वक्र घूर्णन समूह SOnSO_n में बसता है। n=2n = 2 के लिए उसे पूरा परिकलित कीजिए: J=(0−110)J = \begin{pmatrix}0 & -1\\ 1 & 0\end{pmatrix} के साथ सिद्ध कीजिए

    eθJ=(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ):\eu^{\theta J} = \begin{pmatrix} \cos\theta & -\sin\theta\\ \sin\theta & \cos\theta\end{pmatrix} :

    अर्थात् आव्यूह घातांकी θ\theta से घूर्णन ही है, और कोसाइन तथा साइन की श्रेणी-परिभाषाएँ किसी आव्यूह के भीतर फिर प्रकट हो जाती हैं।

  4. (सघनता की युक्ति) GLn(R)GL_n(\R) की सघनता (प्रश्न 3) और संततता का उपयोग करके सर्वसमिका

    adj⁡(AB)=adj⁡(B)adj⁡(A)\operatorname{adj}(AB) = \operatorname{adj}(B)\operatorname{adj}(A)

    को प्रतिलोमनीय से सभी आव्यूहों तक बढ़ाइए (प्रतिलोमनीय A,BA, B के लिए दोनों पक्ष det⁡(AB)(AB)−1\det(AB)(AB)^{-1} हैं; और दोनों पक्ष प्रविष्टियों में बहुपद हैं)।

  5. संश्लेषण। एक-एक वाक्य में: (क) हर भाग का इंजन किन पिछले अध्यायों ने दिया (पूर्णता और मानदंडित बीजगणित; वर्णक्रमीय प्रमेय; प्रतिलोम फलन प्रमेय); (ख) इस समस्या का कौन-सा सूत्र अवकल समीकरणों वाला अध्याय काम में लेगा, और कहाँ; (ग)  ⁣d(det⁡)I=tr⁡\dd(\det)_I = \operatorname{tr} और det⁡eA=etr⁡A\det\eu^A = \eu^{\operatorname{tr}A} अनुरेख तथा सारणिक के बारे में “अत्यल्प और वैश्विक आयतन” के रूप में क्या कहते हैं; (घ) तृतीय वर्ष का खंड प्रश्न 21–23 का क्या बना देता है (ली समूह और उनके ली बीजगणित)।
हल

हल — समस्या 15.1.

1. ∥ABx∥≤∣∣∣A∣∣∣∥Bx∥≤∣∣∣A∣∣∣∣∣∣B∣∣∣∥x∥\norm{ABx} \leq \vertiii A\norm{Bx} \leq \vertiii A\vertiii B\norm x: ∥x∥=1\norm x = 1 पर उच्चतम लीजिए। आव्यूह गुणनफल, det⁡\det और tr⁡\operatorname{tr} प्रविष्टियों के बहुपद फलन हैं, अतः संतत (Mn(R)≃Rn2\mathcal M_n(\R) \simeq \R^{n^2}, और सारे मानदंड तुल्य: प्रमेय 5.13)।

2. ∑∣∣∣Xk∣∣∣≤∑∣∣∣X∣∣∣k<∞\sum\vertiii{X^k} \leq \sum\vertiii X^k < \infty: श्रेणी निरपेक्ष रूप से अभिसरित होती है, अतः अभिसरित होती है (प्रमेय 5.21)। (I−X)∑k≤NXk=I−XN+1→I(I - X)\sum_{k\leq N}X^k = I - X^{N+1} \to I से: योग (I−X)−1(I - X)^{-1} है। मानदंड: ≤∑∣∣∣X∣∣∣k=11−∣∣∣X∣∣∣\leq \sum\vertiii X^k = \frac{1}{1 - \vertiii X}; और

(I−X)−1−I−X=∑k≥2Xk=X2(I−X)−1,∣∣∣X2(I−X)−1∣∣∣≤∣∣∣X∣∣∣21−∣∣∣X∣∣∣=O(∣∣∣X∣∣∣2).(I - X)^{-1} - I - X = \sum_{k\geq2}X^k = X^2(I - X)^{-1}, \qquad \vertiii{X^2(I-X)^{-1}} \leq \frac{\vertiii X^2}{1 - \vertiii X} = O(\vertiii X^2).

3. ∣∣∣A−1H∣∣∣≤∣∣∣A−1∣∣∣∣∣∣H∣∣∣<1\vertiii{A^{-1}H} \leq \vertiii{A^{-1}}\vertiii H < 1 के साथ A+H=A(I+A−1H)A + H = A(I + A^{-1}H): प्रश्न 2 से प्रतिलोमनीय: अतः AA के चारों ओर त्रिज्या ∣∣∣A−1∣∣∣−1\vertiii{A^{-1}}^{-1} का विवृत गोला GLn(R)GL_n(\R) में है। सघनता: det⁡(A+εI)\det(A + \varepsilon I) ε\varepsilon में घात-nn का बहुपद है जिसका अग्र गुणांक 11 है: अतः उसके परिमित मूल हैं, इसलिए ऐसे εk→0\varepsilon_k \to 0 हैं कि A+εkIA + \varepsilon_kI प्रतिलोमनीय हो और वे AA पर अभिसरित हों।

4. ∣∣∣H∣∣∣<12∣∣∣A−1∣∣∣\vertiii H < \frac{1}{2\vertiii{A^{-1}}} के लिए:

(A+H)−1−A−1=[(I+A−1H)−1−I]A−1,(A + H)^{-1} - A^{-1} = \bigl[(I + A^{-1}H)^{-1} - I\bigr]A^{-1},

जिसका मानदंड अधिकतम ∣∣∣A−1H∣∣∣1−∣∣∣A−1H∣∣∣ ∣∣∣A−1∣∣∣≤2∣∣∣A−1∣∣∣2∣∣∣H∣∣∣→0\frac{\vertiii{A^{-1}H}}{1 - \vertiii{A^{-1}H}}\,\vertiii{A^{-1}} \leq 2\vertiii{A^{-1}}^2\vertiii H \to 0 है: अतः Φ\Phi प्रत्येक A∈GLn(R)A \in GL_n(\R) पर संतत है।

5. (A+H)2=A2+AH+HA+H2(A+H)^2 = A^2 + AH + HA + H^2: प्रतिचित्रण H↦AH+HAH \mapsto AH + HA रैखिक है और त्रुटि H2H^2 O(∣∣∣H∣∣∣2)O(\vertiii H^2) है। (A+H)k(A + H)^k को खोलकर HH-गुणनखंडों की संख्या के अनुसार छाँटने पर: रैखिक भाग ∑i=0k−1AiHAk−1−i\sum_{i=0}^{k-1}A^iHA^{k-1-i} है, और ≥2\geq 2 गुणनखंड HH वाले पद (k2)\binom k2 गुणनफलों से परिबद्ध हैं जिनका मानदंड ≤∣∣∣A∣∣∣k−2∣∣∣H∣∣∣2\leq \vertiii A^{k-2}\vertiii H^2 के पैमाने का है: O(∣∣∣H∣∣∣2)O(\vertiii H^2)। योग को kAk−1HkA^{k-1}H में समेटा नहीं जा सकता क्योंकि HH और AA का क्रमविनिमेय होना आवश्यक नहीं — यह योग ही सही अक्रमविनिमेय अवकलज है।

6. छोटे HH के लिए:

(A+H)−1=(I+A−1H)−1A−1=(I−A−1H+O(∣∣∣H∣∣∣2))A−1=A−1−A−1HA−1+O(∣∣∣H∣∣∣2):(A+H)^{-1} = (I + A^{-1}H)^{-1}A^{-1} = \bigl(I - A^{-1}H + O(\vertiii H^2)\bigr)A^{-1} = A^{-1} - A^{-1}HA^{-1} + O(\vertiii H^2) :

 ⁣dΦA(H)=−A−1HA−1\dd\Phi_A(H) = -A^{-1}HA^{-1}, जो HH में रैखिक है। और n=1n = 1 के लिए:  ⁣d(1/a)(h)=−h/a2\dd(1/a)(h) = -h/a^2, अर्थात् परिचित अवकलज।

7. वक्र के अनुदिश शृंखला नियम: (A(t)−1)′= ⁣dΦA(t)(A′(t))=−A(t)−1A′(t)A(t)−1\bigl(A(t)^{-1}\bigr)' = \dd\Phi_{A(t)}(A'(t)) = -A(t)^{-1}A'(t)A(t)^{-1}। A(t)=I+tBA(t) = I + tB पर, t=0t = 0: (I+tB)−1=I−tB+O(t2)(I + tB)^{-1} = I - tB + O(t^2)।

8. प्रश्न 5 तथा अनुरेख की चक्रीय अपरिवर्त्यता से:

 ⁣dfA(H)=tr⁡(∑i=0k−1AiHAk−1−i)=ktr⁡(Ak−1H).\dd f_A(H) = \operatorname{tr}\Bigl(\sum_{i=0}^{k-1} A^iHA^{k-1-i}\Bigr) = k\operatorname{tr}\bigl(A^{k-1}H\bigr) .

और फ्रोबेनियस गुणन के विरुद्ध  ⁣dfA(H)=tr⁡((∇f)TH)\dd f_A(H) = \operatorname{tr}\bigl((\nabla f)^{\mathsf T}H\bigr) के लिए (∇f)T=kAk−1(\nabla f)^{\mathsf T} = kA^{k-1} आवश्यक है: ∇f(A)=k (Ak−1)T\nabla f(A) = k\,(A^{k-1})^{\mathsf T}।

9. f(A+H)−f(A)=2tr⁡(ATH)+tr⁡(HTH)f(A + H) - f(A) = 2\operatorname{tr} (A^{\mathsf T}H) + \operatorname{tr}(H^{\mathsf T}H): अवकल H↦2tr⁡(ATH)=2⟨A,H⟩H \mapsto 2\operatorname{tr}(A^{\mathsf T}H) = 2\langle A, H\rangle है, अतः ∇f(A)=2A\nabla f(A) = 2A; और द्वितीय-कोटि पद ठीक ∥H∥F2\norm H_F^2 है: अर्थात् हेस्सियन तत्समक द्विघात रूप का दुगुना है, जो धनात्मक निश्चित और अचर है, इसलिए ∥⋅∥F2\norm\cdot_F^2 यथार्थतः उत्तल है (यहाँ टेलर सूत्र यथार्थ है)।

10. स्तंभों में बहुरैखिकता से det⁡(I+H)=∑S⊆{1,…,n}det⁡(MS)\det(I + H) = \sum_{S\subseteq\{1,\dots,n\}}\det(M_S), जहाँ MSM_S का स्तंभ j∈Sj \in S के लिए hjh_j है और अन्यथा eje_j। S=∅S = \varnothing 11 देता है; S={j}S = \{j\} उस II का सारणिक देता है जिसका स्तंभ jj hjh_j से बदल दिया गया है, अर्थात् उसकी jj-वीं प्रविष्टि hjjh_{jj}, और योग लेने पर tr⁡H\operatorname{tr}H; और ∣S∣≥2\abs S \geq 2 वाले हर पद में कम से कम दो स्तंभ O(∣∣∣H∣∣∣)O(\vertiii H) आकार के हैं, अतः वह O(∣∣∣H∣∣∣2)O(\vertiii H^2) है (परिमित-विमीय समष्टि पर बहुरैखिक प्रतिचित्रण परिबद्ध होते हैं), और ऐसे पद परिमित हैं। अतः det⁡(I+H)=1+tr⁡H+O(∣∣∣H∣∣∣2)\det(I + H) = 1 + \operatorname{tr}H + O(\vertiii H^2):  ⁣d(det⁡)I=tr⁡\dd(\det)_I = \operatorname{tr}।

11. det⁡(A+H)=det⁡A det⁡(I+A−1H)=det⁡A (1+tr⁡(A−1H)+O(∣∣∣H∣∣∣2))\det(A + H) = \det A\,\det(I + A^{-1}H) = \det A\,\bigl(1 + \operatorname{tr}(A^{-1}H) + O(\vertiii H^2)\bigr): अवकल H↦det⁡(A)tr⁡(A−1H)H \mapsto \det(A)\operatorname{tr}(A^{-1}H) है।

12. पंक्ति ii के अनुदिश लाप्लास प्रसार: det⁡A=∑jaijCij\det A = \sum_j a_{ij}C_{ij}, और सहगुणनखंड CijC_{ij} में पंक्ति ii आती ही नहीं: ∂det⁡∂aij=Cij\frac{\partial\det}{\partial a_{ij}} = C_{ij}। अतः

 ⁣d(det⁡)A(H)=∑i,jCijhij=tr⁡(com⁡(A)TH)=tr⁡(adj⁡(A)H),∇(det⁡)(A)=com⁡(A).\dd(\det)_A(H) = \sum_{i,j}C_{ij}h_{ij} = \operatorname{tr}\bigl(\operatorname{com}(A)^{\mathsf T} H\bigr) = \operatorname{tr}\bigl(\operatorname{adj}(A)H\bigr), \qquad \nabla(\det)(A) = \operatorname{com}(A) .

प्रतिलोमनीय AA के लिए adj⁡A=det⁡(A)A−1\operatorname{adj}A = \det(A)A^{-1} प्रश्न 11 पुनः दे देता है। और किसी C1C^1 वक्र के अनुदिश शृंखला नियम (det⁡A(t))′=tr⁡(adj⁡(A(t)) A′(t))(\det A(t))' = \operatorname{tr}(\operatorname{adj} (A(t))\,A'(t)) पढ़ा जाता है: यही याकोबी सूत्र है।

13. A′=MAA' = MA और adj⁡(A)A=det⁡(A)I\operatorname{adj}(A)A = \det(A)I के साथ:

(det⁡A)′=tr⁡(adj⁡(A)MA)=tr⁡(Aadj⁡(A)M)=det⁡A  tr⁡M(\det A)' = \operatorname{tr}\bigl(\operatorname{adj}(A)MA \bigr) = \operatorname{tr}\bigl(A\operatorname{adj}(A)M\bigr) = \det A\;\operatorname{tr}M

(चक्रीयता; Aadj⁡A=det⁡(A)IA\operatorname{adj}A = \det(A) I भी)। और अदिश रैखिक अवकल समीकरण y′=tr⁡(M(t)) yy' = \operatorname{tr}(M(t))\,y का अद्वितीय हल y(t)=y(0)exp⁡(∫0ttr⁡M)y(t) = y(0)\exp\bigl(\int_0^t \operatorname{tr}M\bigr) है (प्रथम वर्ष): यही ल्यूविल का सूत्र है।

14. A∈SLn(R)A \in SL_n(\R) पर H=1nAH = \frac1nA लीजिए:  ⁣d(det⁡)A(1nA)=1ndet⁡(A)tr⁡(A−1A)=1n⋅1⋅n=1≠0\dd(\det)_A\bigl(\tfrac1nA\bigr) = \frac1n\det(A) \operatorname{tr}(A^{-1}A) = \frac1n\cdot1\cdot n = 1 \neq 0: अतः अवकल कोई अशून्य रैखिक फलनिक है, इसलिए स्तर समुच्चय के हर बिंदु पर R\R पर आच्छादक: अर्थात् SLn(R)SL_n(\R) चिकना स्तर समुच्चय है (विमा n2−1n^2 - 1 का)।

15. ∑k∣∣∣Ak/k!∣∣∣≤∑∣∣∣A∣∣∣k/k!=e∣∣∣A∣∣∣\sum_k\vertiii{A^k/k!} \leq \sum\vertiii A^k/k! = \eu^{\vertiii A}: निरपेक्ष अभिसरण (प्रश्न 2 का पूर्णता-तर्क), और हर गोले ∣∣∣A∣∣∣≤R\vertiii A \leq R पर सामान्य अभिसरण (AA से स्वतंत्र परिबंध Rk/k!R^k/k!)। हर आंशिक योग संतत है (बहुपद); और गोलों पर एकसमान सीमा संतत होती है: अतः A↦eAA \mapsto \eu^A संतत है, जहाँ ∣∣∣eA∣∣∣≤e∣∣∣A∣∣∣\vertiii{\eu^A} \leq \eu^{\vertiii A}।

16. दोनों श्रेणियाँ निरपेक्ष रूप से अभिसरित होती हैं, अतः कोशी गुणनफल वैध है (प्रमेय 7.14):

eAeB=∑n≥01n!∑k=0n(nk)AkBn−k=∑n≥0(A+B)nn!=eA+B,\eu^A\eu^B = \sum_{n\geq0}\frac{1}{n!}\sum_{k=0}^n\binom nkA^kB^{n-k} = \sum_{n\geq0}\frac{(A+B)^n}{n!} = \eu^{A+B},

और द्विपद सर्वसमिका को AB=BAAB = BA चाहिए। B=−AB = -A के साथ: eAe−A=e0=I\eu^A\eu^{-A} = \eu^0 = I: अर्थात् हर eA∈GLn(R)\eu^A \in GL_n(\R)।

17. श्रेणी ∑tkAk/k!\sum t^kA^k/k! और उसकी व्युत्पन्न श्रेणी ∑tk−1Ak/(k−1)!=A∑tk−1Ak−1/(k−1)!\sum t^{k-1}A^k/(k-1)! = A\sum t^{k-1}A^{k-1}/(k-1)! हर खंड ∣t∣≤T\abs t \leq T पर सामान्य रूप से अभिसरित होती हैं (परिबंध Tk∣∣∣A∣∣∣k/k!T^k\vertiii A^k/k!): अतः श्रेणियों के लिए अवकलन प्रमेय (प्रमेय 10.11, प्रविष्टि-दर-प्रविष्टि लगाई गई)  ⁣d ⁣dtetA=AetA\frac{\dd}{\dd t}\eu^{tA} = A\eu^{tA} देती है; और दाईं ओर AA बाहर निकालने पर etAA\eu^{tA}A। इसे दोहराने पर: C∞C^\infty।

18. A(t)=etAA(t) = \eu^{tA} A′(t)=A A(t)A'(t) = A\,A(t) पूरा करता है: अतः अचर M=AM = A के साथ ल्यूविल का सूत्र (प्रश्न 13) det⁡etA=ettr⁡A\det\eu^{tA} = \eu^{t\operatorname{tr}A} देता है (t=0t = 0 पर मान 11); और t=1t = 1 पर det⁡eA=etr⁡A\det\eu^A = \eu^{\operatorname{tr}A}। जाँचें: n=1n = 1 स्वयं घातांकी है; शून्यंभावी AA के लिए tr⁡A=0\operatorname{tr}A = 0 और eA\eu^A सारणिक 11 वाला एकघाती है; और tr⁡A=0\operatorname{tr}A = 0 det⁡eA=1\det\eu^A = 1 देता है: अर्थात् अनुरेख-शून्य आव्यूह SLn(R)SL_n(\R) में भेजे जाते हैं।

19. eH−I−H=∑k≥2Hk/k!\eu^H - I - H = \sum_{k\geq2}H^k/k!, जिसका मानदंड ≤∣∣∣H∣∣∣2e∣∣∣H∣∣∣=O(∣∣∣H∣∣∣2)\leq \vertiii H^2\eu^{\vertiii H} = O(\vertiii H^2) है:  ⁣d(exp⁡)0=id\dd(\exp)_0 = \mathrm{id}, अतः प्रतिलोमनीय। इसके अतिरिक्त exp⁡\exp C1C^1 है: प्रश्न 5 से संभावित अवकल H↦∑k1k!∑iAiHAk−1−iH \mapsto \sum_k\frac1{k!}\sum_iA^iHA^{k-1-i} AA पर संतत रूप से निर्भर रैखिक प्रतिचित्रणों की सामान्य अभिसारी श्रेणी है (गोलों पर परिबंध ∣∣∣A∣∣∣k−1/(k−1)!\vertiii A^{k-1}/(k-1)!), अतः आंशिक अवकलज विद्यमान और संतत हैं (प्रमेय 15.2 तथा श्रेणी की स्थानांतरण प्रमेय)। प्रतिलोम फलन प्रमेय (प्रमेय 15.14) 00 पर लागू होती है: अर्थात् exp⁡\exp 00 के किसी प्रतिवेश से II के किसी प्रतिवेश पर C1C^1 अवकल समाकृतिकता है — II के निकट आव्यूहों के लघुगणक होते हैं।

20. सममित S=PDPTS = PDP^{\mathsf T} के लिए (वर्णक्रमीय प्रमेय): eS=PeDPT\eu^S = P\eu^DP^{\mathsf T} सममित है और उसके अभिलक्षणिक मान eλi>0\eu^{\lambda_i} > 0 हैं: अतः धनात्मक निश्चित। आच्छादकता: कोई धनात्मक निश्चित Q=Pdiag⁡(μi)PTQ = P\operatorname{diag}(\mu_i)P^{\mathsf T} (μi>0\mu_i > 0) S=Pdiag⁡(ln⁡μi)PTS = P\operatorname{diag}(\ln\mu_i)P^{\mathsf T} के लिए eS\eu^S है। एकैकीपन: eS\eu^S अपनी अभिलक्षणिक समष्टियाँ निर्धारित कर देता है, जो ठीक SS की ही हैं (λ\lambda के लिए SS की हर अभिलक्षणिक समष्टि पर eS\eu^S eλ\eu^\lambda की तरह क्रिया करता है; और भिन्न λ\lambda भिन्न eλ\eu^\lambda देते हैं), और अभिलक्षणिक मानों का ln⁡\ln लेने पर SS वापस मिल जाता है। अतः exp⁡\exp सममित आव्यूहों से धनात्मक निश्चित आव्यूहों पर एकैकी आच्छादक है।

21. F(A+H)=ATA+ATH+HTA+HTHF(A + H) = A^{\mathsf T}A + A^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}A + H^{\mathsf T}H:  ⁣dFA(H)=ATH+HTA\dd F_A(H) = A^{\mathsf T}H + H^{\mathsf T}A (SnS_n में मान; त्रुटि O(∣∣∣H∣∣∣2)O(\vertiii H^2))। A∈OnA \in O_n पर और S∈SnS \in S_n के लिए चुनाव H=12ASH = \frac12AS देता है

AT⋅12AS+12(AS)TA=12S+12ST=S:A^{\mathsf T}\cdot\tfrac12AS + \tfrac12(AS)^{\mathsf T}A = \tfrac12 S + \tfrac12 S^{\mathsf T} = S :

अर्थात् आच्छादक। इस प्रकार On=F−1(I)O_n = F^{-1}(I) विमा n2−dim⁡Sn=n(n−1)2n^2 - \dim S_n = \frac{n(n-1)}2 का चिकना स्तर समुच्चय है।

22. t=0t = 0 पर A(t)TA(t)=IA(t)^{\mathsf T}A(t) = I का अवकलन (A(0)=IA(0) = I के साथ): A′(0)T+A′(0)=0A'(0)^{\mathsf T} + A'(0) = 0: अर्थात् प्रतिसममित। विलोमतः KT=−KK^{\mathsf T} = -K के लिए: (etK)TetK=etKTetK=e−tKetK=I(\eu^{tK})^{\mathsf T}\eu^{tK} = \eu^{tK^{\mathsf T}} \eu^{tK} = \eu^{-tK}\eu^{tK} = I (श्रेणी का पद-दर-पद परिवर्त लीजिए; घातांक क्रमविनिमेय हैं): अतः वक्र OnO_n में बना रहता है, और t=0t = 0 पर उसका वेग KK है। इस प्रकार II पर स्पर्श समष्टि == प्रतिसममित आव्यूह, जिनकी विमा अपेक्षित n(n−1)2\frac{n(n-1)}2 है।

23. प्रतिसममित KK के लिए tr⁡K=0\operatorname{tr}K = 0, अतः det⁡eK=e0=1\det\eu^K = \eu^0 = 1 (प्रश्न 18): इसलिए घातांकी SOnSO_n में उतरता है। n=2n = 2 के लिए: J2=−IJ^2 = -I, अतः J2m=(−1)mIJ^{2m} = (-1)^mI, J2m+1=(−1)mJJ^{2m+1} = (-1)^mJ, और

eθJ=(∑m(−1)mθ2m(2m)!)I+(∑m(−1)mθ2m+1(2m+1)!)J=cos⁡θ I+sin⁡θ J,\eu^{\theta J} = \Bigl(\sum_m\frac{(-1)^m\theta^{2m}}{(2m)!}\Bigr)I + \Bigl(\sum_m\frac{(-1)^m\theta^{2m+1}}{(2m+1)!}\Bigr)J = \cos\theta\,I + \sin\theta\,J ,

अर्थात् θ\theta से घूर्णन: और साइन तथा कोसाइन की श्रेणियाँ आव्यूह घातांकी के भीतर बसती हैं।

24. प्रतिलोमनीय A,BA, B के लिए: adj⁡(AB)=det⁡(AB)(AB)−1=det⁡(B)det⁡(A)B−1A−1=adj⁡(B)adj⁡(A)\operatorname{adj}(AB) = \det(AB)(AB)^{-1} = \det(B)\det(A)B^{-1}A^{-1} = \operatorname{adj}(B)\operatorname{adj}(A)। सर्वसमिका के दोनों पक्ष (A,B)(A, B) की प्रविष्टियों के बहुपद (अतः संतत) प्रतिचित्रण हैं; और वे Mn×Mn\mathcal M_n\times\mathcal M_n के सघन उपसमुच्चय GLn×GLnGL_n\times GL_n पर सहमत हैं (प्रश्न 3: हर गुणनखंड का सन्निकटन कीजिए), अतः वे सर्वत्र सहमत हैं।

25. (क) भाग I परिमित-विमीय मानदंडित समष्टियों की पूर्णता पर चला (निरपेक्ष अभिसारी श्रेणियाँ अभिसरित होती हैं), भाग IV उसी पर और प्रश्न 20 के लिए वर्णक्रमीय प्रमेय पर, तथा भाग V का स्थानीय लघुगणक प्रतिलोम फलन प्रमेय पर। (ख) अवकल समीकरणों वाला अध्याय रैखिक निकायों के व्रोंस्कियन के लिए ल्यूविल के सूत्र (प्रश्न 13) पर टिकता है, और  ⁣d ⁣dtetA=AetA\frac{\dd}{\dd t}\eu^{tA} = A\eu^{tA} (प्रश्न 17) पर, जो यही कहता है कि etA\eu^{tA} X′=AXX' = AX को हल करता है। (ग)  ⁣d(det⁡)I=tr⁡\dd(\det)_I = \operatorname{tr} कहता है कि अनुरेख आयतन-परिवर्तन की अत्यल्प दर है, और det⁡eA=etr⁡A\det\eu^A = \eu^{\operatorname{tr}A} उसी कथन का वैश्विक समाकलन है। (घ) तृतीय वर्ष का खंड इन संरचनाओं को नाम दे देता है: OnO_n और SLn(R)SL_n(\R) ली समूह हैं, II पर उनकी स्पर्श समष्टियाँ (प्रतिसममित और अनुरेख-शून्य आव्यूह) ली बीजगणित हैं, और exp⁡\exp उनके बीच का पुल है।

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