Wiskunde · Begrippenlijst

Wat is differentieerbaar?

Ook bekend als: differentiaal · jacobimatrix

Definitie 15.1 Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2 · Hoofdstuk 15 — Differentiaalrekening

ff heet differentieerbaar in aa wanneer er een (continue) lineaire afbeelding  ⁣dfa ⁣:RnRm\dd f_a \colon \R^n \to \R^m bestaat met

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).

De afbeelding  ⁣dfa\dd f_a, de differentiaal van ff in aa, is uniek; haar matrix in de canonieke basissen is de jacobimatrix Jf(a)=(fixj(a))J_f(a) = \bigl(\frac{\partial f_i}{\partial x_j}(a)\bigr). Differentieerbaarheid impliceert continuïteit en het bestaan van alle richtingsafgeleiden  ⁣dfa(v)=limt0f(a+tv)f(a)t\dd f_a(v) = \lim_{t\to0}\frac{f(a + tv) - f(a)}{t}; het omgekeerde faalt (Oefening 15.2). Voor m=1m = 1 is  ⁣dfa(h)=f(a),h\dd f_a(h) = \langle \nabla f(a), h\rangle: de gradiënt uit bachelorjaar 1, nu begrepen als de vector die de differentiaal voorstelt.

Voorbeelden

Voorbeeld 15.4 (Radiale functies, eens en voor altijd)

Zij r(x)=x2r(x) = \norm x_2 op Rn{0}\R^n\setminus\{0\} en f=grf = g \circ r met gg een C1C^1-functie van één veranderlijke. Eerst is rr differentieerbaar buiten 00: uit r2=xi2r^2 = \sum x_i^2 volgt

rxi=xir,dat wil zeggenr(x)=xx,\frac{\partial r}{\partial x_i} = \frac{x_i}{r}, \qquad\text{dat wil zeggen}\qquad \nabla r(x) = \frac{x}{\norm x} ,

de radiale eenheidsvector (differentieer r2r^2 en deel — of pas de kettingregel toe op \sqrt{\cdot}). Vervolgens geeft de kettingregel voor elke radiale functie

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

Uitgewerkt geval: g(r)=1rg(r) = \frac1r levert 1x=xx3\nabla\frac{1}{\norm x} = -\frac{x}{\norm x^3} op, het omgekeerd-kwadratische veld van de zwaartekracht en de elektrostatica — radiaal van richting, met grootte 1x2\frac{1}{\norm x^2}. Het inzicht om te onthouden: gradiënten van radiale functies zijn radiaal omdat de niveauverzamelingen bollen zijn en de gradiënt loodrecht op de niveauverzamelingen staat; in x=0x = 0 daarentegen is rr niet differentieerbaar (geen enkele kandidaat-lineaire afbeelding past bij h\norm h uit alle richtingen) — gladde radiale profielen hebben g(0)=0g'(0) = 0 nodig om de oorsprong sierlijk te passeren.

Voorbeeld 15.6 (Een lipschitzconstante uit de middelwaardeongelijkheid)

Is f(x,y)=sinxsinyf(x, y) = \sin x\,\sin y lipschitz op R2\R^2, en met welke constante? Haar gradiënt is f=(cosxsiny, sinxcosy)\nabla f = (\cos x\sin y,\ \sin x\cos y), met kwadratische norm

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

(begrens cos2x\cos^2x en sin2x\sin^2x afzonderlijk door 11), dus  ⁣df(x,y)=f1\vertiii{\dd f_{(x,y)}} = \norm{\nabla f} \leq 1 overal, en Stelling 15.5 op het segment tussen twee willekeurige punten geeft

f(b)f(a)ba2:\abs{f(b) - f(a)} \leq \norm{b - a}_2 :

ff is 11-lipschitz, en de constante is scherp (nabij de oorsprong heeft f(x,π2)=sinxf(x, \tfrac\pi2) = \sin x helling 11). Het inzicht om te onthouden: de middelwaardeongelijkheid zet een puntsgewijze grens op de differentiaal om in een globale continuïteitsmodulus — de standaardweg naar lipschitzschattingen in elke dimensie, en de motor in Oefening 15.12.

Lees in het hoofdstuk →