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गणित · शब्दावली

अवकलनीय क्या है?

अन्य नाम: अवकल · याकोबी आव्यूह

परिभाषा 15.1 विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 2 · अध्याय 15 — अवकल कलन

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

f(a+h)=f(a)+ ⁣dfa(h)+o(h)(h0).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)=(fixj(a))J_f(a) = \bigl(\frac{\partial f_i}{\partial x_j}(a)\bigr) है। अवकलनीयता से संततता तथा सभी दिशिक अवकलजों  ⁣dfa(v)=limt0f(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।

उदाहरण

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

Rn{0}\R^n\setminus\{0\} पर r(x)=x2r(x) = \norm x_2 लीजिए और f=grf = 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

rxi=xir,अर्थात्r(x)=xx,\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)xx.\nabla f(x) = g'\bigl(\norm x\bigr)\,\frac{x}{\norm x} .

किया हुआ उदाहरण: g(r)=1rg(r) = \frac1r 1x=xx3\nabla\frac{1}{\norm x} = -\frac{x}{\norm x^3} देता है, अर्थात् गुरुत्वाकर्षण और स्थिरवैद्युतिकी का प्रतिलोम-वर्ग क्षेत्र — दिशा त्रिज्यीय, परिमाण 1x2\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।

उदाहरण 15.6 (मध्यमान असमिका से एक लिप्शिट्स अचर)

क्या f(x,y)=sinxsinyf(x, y) = \sin x\,\sin y R2\R^2 पर लिप्शिट्स है, और किस अचर के साथ? उसका प्रवणक f=(cosxsiny, sinxcosy)\nabla f = (\cos x\sin y,\ \sin x\cos y) है, जिसका वर्ग-मानदंड

cos2xsin2y+sin2xcos2ysin2y+cos2y1=1\cos^2x\sin^2y + \sin^2x\cos^2y \leq \sin^2 y + \cos^2y\cdot 1 = 1

है (cos2x\cos^2x और sin2x\sin^2x को अलग-अलग 11 से परिबद्ध कीजिए), अतः सर्वत्र  ⁣df(x,y)=f1\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)ba2:\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)=sinxf(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।

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