Absolutní hodnota - Absolute value


v matematika, absolutní hodnota nebo modul a reálné číslo X, označeno |X|, je nezáporné hodnotaX bez ohledu na jeho podepsat. A to, |X| = X -li X je pozitivní, a |X| = −X -li X je negativní (v jakém případě −X je pozitivní) a |0| = 0. Například absolutní hodnota 3 je 3 a absolutní hodnota -3 je také 3. Absolutní hodnotu čísla lze považovat za jeho vzdálenost od nuly.
Zobecnění absolutní hodnoty pro reálná čísla se vyskytuje v široké škále matematických nastavení. Například absolutní hodnota je definována také pro komplexní čísla, čtveřice, objednané prsteny, pole a vektorové prostory. Absolutní hodnota úzce souvisí s pojmy velikost, vzdálenost, a norma v různých matematických a fyzikálních kontextech.
Terminologie a notace
V roce 1806 Jean-Robert Argand představil termín modul, význam měrná jednotka ve francouzštině, konkrétně pro komplex absolutní hodnota,[1][2] a byla vypůjčena do angličtiny v roce 1866 jako latinský ekvivalent modul.[1] Termín absolutní hodnota byl v tomto smyslu používán nejméně od roku 1806 ve francouzštině[3] a 1857 v angličtině.[4] Zápis |X|, s svislá čára na každé straně, byl představen Karl Weierstrass v roce 1841.[5] Jiná jména pro absolutní hodnota zahrnout číselná hodnota[1] a velikost.[1] V programovacích jazycích a výpočetních softwarových balících je absolutní hodnota X je obecně reprezentován břišní svaly(X)
nebo podobný výraz.
Svislý pruhový zápis se také objevuje v řadě dalších matematických kontextů: například při použití na množinu označuje její mohutnost; při aplikaci na a matice, označuje jeho určující. Svislé pruhy označují absolutní hodnotu pouze pro algebraické objekty, pro které je definován pojem absolutní hodnoty, zejména prvek normovaná dělení algebra, například reálné číslo, komplexní číslo nebo čtveřice. Úzce příbuznou, ale odlišnou notací je použití svislých pruhů buď pro euklidovská norma[6] nebo sup norma[7] vektoru v , ačkoli dvojité svislé pruhy s indexy ( a , respektive) jsou běžnější a méně nejednoznačná notace.
Definice a vlastnosti
Skutečná čísla
Pro všechny reálné číslo X, absolutní hodnota nebo modul zX je označen |X| (A svislá čára na každé straně množství) a je definována jako[8]
Absolutní hodnotaX je tedy vždy buď pozitivní nebo nula, ale nikdy negativní: když X sám o sobě je negativní (X < 0), pak je jeho absolutní hodnota nutně kladná (|X| = −X > 0).
Od analytická geometrie z hlediska absolutní hodnoty skutečného čísla je toto číslo vzdálenost od nuly podél řádek skutečných čísel a obecněji absolutní hodnotou rozdílu dvou reálných čísel je vzdálenost mezi nimi. Pojem abstrakt funkce vzdálenosti v matematice lze vidět zobecnění absolutní hodnoty rozdílu (viz "Vzdálenost" níže).
Protože symbol odmocniny představuje jedinečný pozitivní druhá odmocnina (při použití na kladné číslo), z toho vyplývá
je ekvivalentní definici výše a lze ji použít jako alternativní definici absolutní hodnoty reálných čísel.[9]
Absolutní hodnota má následující čtyři základní vlastnosti (A, b jsou reálná čísla), která se používají pro zobecnění tohoto pojmu do jiných domén:
Nezápornost Pozitivní definitivita Multiplikativita Subadditivita, konkrétně nerovnost trojúhelníku
Z definice je zřejmá nezápornost, pozitivní definitivita a multiplikativita. Chcete-li vidět, že subadditivita platí, nejprve si povšimněte jedné ze dvou alternativ užívání s jako buď –1 nebo +1 zaručuje to Nyní, protože a , z toho vyplývá, že podle toho, co je hodnota s, jeden má pro všechny skutečné . Tudíž, , podle přání. (Zobecnění tohoto argumentu na komplexní čísla viz "Důkaz nerovnosti trojúhelníku pro komplexní čísla" níže.)
Některé další užitečné vlastnosti jsou uvedeny níže. Jedná se buď o bezprostřední důsledky definice, nebo vyplývající ze čtyř základních vlastností výše.
Idempotence (absolutní hodnota absolutní hodnoty je absolutní hodnota) Rovnoměrnost (reflexní symetrie grafu) Totožnost nerozbitných (ekvivalent k pozitivní definitivitě) Nerovnost trojúhelníku (ekvivalent subadditivity) (li ) Zachování rozdělení (ekvivalent multiplikativity) Nerovnost trojúhelníku vzad (ekvivalent subadditivity)
Dvě další užitečné vlastnosti týkající se nerovností jsou:
- nebo
Tyto vztahy lze použít k řešení nerovností zahrnujících absolutní hodnoty. Například:
Absolutní hodnota, jako „vzdálenost od nuly“, se používá k definování absolutní rozdíl mezi libovolnými reálnými čísly, standardem metrický na reálných číslech.
Složitá čísla

Protože komplexní čísla nejsou nařízeno, definici skutečné absolutní hodnoty uvedenou nahoře nelze přímo použít na komplexní čísla. Geometrickou interpretaci absolutní hodnoty reálného čísla jako jeho vzdálenosti od 0 lze však zobecnit. Absolutní hodnota komplexního čísla je definována euklidovskou vzdáleností odpovídajícího bodu v složité letadlo z původ. To lze vypočítat pomocí Pythagorova věta: pro jakékoli komplexní číslo
kde X a y jsou reálná čísla, absolutní hodnota nebo modul zz je označen |z| a je definována[10]
kde Re (z) = X a já jsem(z) = y označit skutečné a imaginární části z, resp. Když imaginární část y je nula, to se shoduje s definicí absolutní hodnoty reálného číslaX.
Když komplexní čísloz je vyjádřena v polární forma tak jako
s (a θ ∈ arg (z) je argument (nebo fáze) z z), jeho absolutní hodnota je
- .
Protože produkt libovolného komplexního číslaz a jeho komplexní konjugát se stejnou absolutní hodnotou je vždy nezáporné reálné číslo , lze absolutní hodnotu komplexního čísla pohodlně vyjádřit jako
připomínající alternativní definici skutečností:
Složitá absolutní hodnota sdílí čtyři základní vlastnosti uvedené výše pro skutečnou absolutní hodnotu.
V jazyce teorie skupin, multiplikativní vlastnost může být přeformulována následovně: absolutní hodnota je a skupinový homomorfismus z multiplikativní skupina komplexních čísel na skupina při násobení kladná reálná čísla.[11]
Důležité je, že majetek subadditivita ("nerovnost trojúhelníku ") se vztahuje na jakoukoli konečnou sbírku n komplex čísla tak jako
Tato nerovnost platí také pro nekonečno rodiny, za předpokladu, že nekonečná řada je absolutně konvergentní. Li Lebesgueova integrace je považováno za spojitý analog součtu, pak je tato nerovnost analogicky dodržována komplexně oceněnou, měřitelné funkce při integraci přes a měřitelná podmnožina :
(To zahrnuje Riemann integrovatelný funkce přes omezený interval jako zvláštní případ.)
Důkaz složitosti trojúhelníku nerovnosti
Nerovnost trojúhelníku, jak je dána , lze prokázat použitím tří snadno ověřitelných vlastností komplexních čísel: Jmenovitě pro každé komplexní číslo ,
- i): existuje takhle a ;
- ii): .
Také pro rodinu komplexních čísel , . Zejména,
- (iii): pokud , pak .
Důkaz : Vybrat takhle a (shrnuto ). Následující výpočet pak poskytuje požadovanou nerovnost:
- .
Z tohoto důkazu je zřejmé, že platí rovnost přesně pokud všechny jsou nezáporná reálná čísla, která se naopak vyskytují přesně, pokud jsou všechna nenulová mít stejné argument, tj., pro komplexní konstantu a skutečné konstanty pro .
Od té doby měřitelné to znamená je také měřitelný, důkaz nerovnosti postupuje stejnou technikou nahrazením s a s .[12]
Funkce absolutní hodnoty


Funkce skutečné absolutní hodnoty je kontinuální všude. to je rozlišitelný všude kromě X = 0. to je monotónně klesá na intervalu (−∞,0] a monotónně se zvyšuje na intervalu [0,+∞). Protože skutečné číslo a jeho naproti mají stejnou absolutní hodnotu, je to sudá funkce, a tedy není invertibilní. Funkce skutečné absolutní hodnoty je a po částech lineární, konvexní funkce.
Skutečná i složitá funkce jsou idempotentní.
Vztah k znakové funkci
Funkce absolutní hodnoty reálného čísla vrací jeho hodnotu bez ohledu na jeho znaménko, zatímco funkce sign (nebo signum) vrací znaménko čísla bez ohledu na jeho hodnotu. Následující rovnice ukazují vztah mezi těmito dvěma funkcemi:
nebo
a pro X ≠ 0,
Derivát
Funkce skutečné absolutní hodnoty má pro každého derivaci X ≠ 0, ale není rozlišitelný na X = 0. Jeho derivát pro X ≠ 0 je dán kroková funkce:[13][14]
Funkce skutečné absolutní hodnoty je příkladem spojité funkce, která dosahuje globálního minima tam, kde derivace neexistuje.
The subdiferenciální z|X| naX = 0 je interval [−1,1].[15]
The komplex funkce absolutní hodnoty je spojitá všude kromě komplexní diferencovatelné nikde protože to porušuje Cauchy – Riemannovy rovnice.[13]
Druhá derivace|X| s ohledem naX je nula všude kromě nuly, kde neexistuje. Jako zobecněná funkce, druhý derivát lze brát jako dvojnásobek Diracova delta funkce.
Antiderivativní
The primitivní (neurčitý integrál) funkce skutečné absolutní hodnoty je
kde C je libovolný konstanta integrace. To není komplexní primitivní protože složité výhody mohou existovat pouze pro komplexně diferencovatelné (holomorfní ) funkce, což komplexní funkce absolutní hodnoty není.
Vzdálenost
Absolutní hodnota úzce souvisí s myšlenkou vzdálenosti. Jak je uvedeno výše, absolutní hodnota reálného nebo komplexního čísla je vzdálenost od tohoto čísla po počátek podél linie reálných čísel pro reálná čísla nebo v komplexní rovině pro složitá čísla a obecněji je absolutní hodnotou rozdílu dvou reálných nebo komplexních čísel vzdálenost mezi nimi.
Standardní Euklidovská vzdálenost mezi dvěma body
a
v Euklidovský n-prostor je definován jako:
To lze považovat za zobecnění, protože pro a reálné, tj. v 1 prostoru, podle alternativní definice absolutní hodnoty,
a pro a komplexní čísla, tj. ve 2-prostoru,
Výše uvedené ukazuje, že vzdálenost „absolutní hodnota“ pro reálná a komplexní čísla souhlasí se standardní euklidovskou vzdáleností, kterou zdědí v důsledku toho, že je považovala za jednorozměrný a dvojrozměrný euklidovský prostor.
Vlastnosti absolutní hodnoty rozdílu dvou reálných nebo komplexních čísel: nezápornost, identita nerozporných, symetrie a výše uvedená trojúhelníková nerovnost mohou motivovat obecnější představu a funkce vzdálenosti jak následuje:
Skutečně cenná funkce d na setu X × X se nazývá a metrický (nebo a funkce vzdálenosti) zapnutoX, pokud splňuje následující čtyři axiomy:[16]
Nezápornost Totožnost nerozbitných Symetrie Nerovnost trojúhelníku
Zobecnění
Objednané prsteny
Definici absolutní hodnoty dané pro reálná čísla výše lze rozšířit na libovolné objednaný prsten. To je, pokudA je prvek objednaného prstenuR, pak absolutní hodnota zA, označeno |A|, je definován jako:[17]
kde −A je aditivní inverzní zA, 0 je aditivní identita, a Čtyři základní vlastnosti absolutní hodnoty pro reálná čísla lze použít k zobecnění pojmu absolutní hodnoty na libovolné pole, a to následovně. Funkce se skutečnou hodnotouproti na pole F se nazývá absolutní hodnota (také a modul, velikost, hodnotanebo ocenění)[18] pokud splňuje následující čtyři axiomy: Kde 0 označuje aditivní identita zF. Z pozitivní definitivity a multiplikativity vyplývá, že proti(1) = 1, kde 1 označuje multiplikativní identita zF. Skutečné a komplexní absolutní hodnoty definované výše jsou příklady absolutních hodnot pro libovolné pole. Li proti je absolutní hodnota naF, pak funkced na F × F, definován d(A, b) = proti(A − b), je metrika a následující jsou ekvivalentní: Absolutní hodnota, která splňuje všechny (tedy všechny) výše uvedené podmínky, je považována za non-Archimedean, jinak se říká, že je Archimedean.[19] Opět lze použít základní vlastnosti absolutní hodnoty pro reálná čísla, s malou úpravou, k zobecnění pojmu na libovolný vektorový prostor. Funkce se skutečnou hodnotou na a vektorový prostor PROTI přes poleF, zastoupená jako || · ||, se nazývá absolutní hodnota, ale častěji a norma, pokud splňuje následující axiomy: Pro všechnyA vF, a proti, u vPROTI, Norma vektoru se také nazývá jeho délka nebo velikost. V případě Euklidovský prostor Rn, funkce definovaná je norma zvaná Euklidovská norma. Když skutečná číslaR jsou považovány za jednorozměrný vektorový prostorR1, absolutní hodnota je a norma, a je p-norm (viz Lp prostor ) pro všechnyp. Absolutní hodnota je ve skutečnosti „jedinou“ normou R1, v tom smyslu, že pro každou normu || · || naR1, ||X|| = ||1|| ⋅ |X|. Složitá absolutní hodnota je zvláštním případem normy v vnitřní produktový prostor. Je totožný s euklidovskou normou, pokud složité letadlo je identifikován s Euklidovské letadlo R2. Každá kompoziční algebra A má involuce X → X* volal jeho časování. Produkt v A prvku X a jeho konjugát X* je psáno N(X) = x x* a zavolal norma x. Skutečná čísla ℝ, komplexní čísla ℂ a čtveřice ℍ jsou všechny kompoziční algebry s normami danými určité kvadratické tvary. Absolutní hodnota v nich divize algebry je dán odmocnina normy složení algebry. Obecně může být normou kompoziční algebry a kvadratická forma to není definitivní a má nulové vektory. Stejně jako v případě dělení algebry, když prvek X má tedy nenulovou normu X má multiplikativní inverzní dána X*/N(X).Pole
Nezápornost Pozitivní definitivita Multiplikativita Subadditivita nebo nerovnost trojúhelníku Vektorové prostory
Nezápornost Pozitivní definitivita Pozitivní homogenita nebo pozitivní škálovatelnost Subadditivita nebo nerovnost trojúhelníku Složení algebry
Poznámky
Reference
externí odkazy