Zápis pro rozlišení - Notation for differentiation
Část série článků o | |||||
Počet | |||||
---|---|---|---|---|---|
| |||||
Specializované | |||||
v diferenciální počet, neexistuje jednotná uniforma notace pro diferenciaci. Místo toho několik různých notací pro derivát a funkce nebo proměnná byly navrženy různými matematiky. Užitečnost každého zápisu se liší podle kontextu a je někdy výhodné použít v daném kontextu více než jeden zápis. Nejběžnější notace pro diferenciaci (a její opačná operace, antidiferenciace nebo neurčitá integrace) jsou uvedeny níže.
Leibnizova notace
Původní notace zaměstnaná uživatelem Gottfried Leibniz se používá v celé matematice. To je zvláště běžné, když rovnice y = F(X) je považován za funkční vztah mezi závislé a nezávislé proměnné y a X. Leibnizova notace činí tento vztah výslovným psaním derivace jako
Funkce, jejíž hodnota v X je derivát F v X je tedy psáno
Vyšší deriváty se zapisují jako
Toto je sugestivní notační zařízení, které vychází z formálních manipulací se symboly, jako v
Logicky vzato, tyto rovnosti nejsou věty. Místo toho jsou to jednoduše definice notace.
Hodnota derivátu y v určitém okamžiku X = A lze vyjádřit dvěma způsoby pomocí Leibnizovy notace:
- .
Leibnizova notace umožňuje určit proměnnou pro diferenciaci (ve jmenovateli). To je zvláště užitečné při zvažování částečné derivace. To také dělá řetězové pravidlo snadno zapamatovatelné a rozpoznatelné:
Leibnizova notace pro diferenciaci nevyžaduje přiřazení významu symbolům, jako jsou dx nebo dy samy o sobě a někteří autoři se nepokoušejí přiřadit těmto symbolům význam. Leibniz zacházel s těmito symboly jako nekonečně malá čísla. Pozdější autoři jim přiřadili další významy, například infinitesimals v nestandardní analýza nebo vnější deriváty.
Někteří autoři a časopisy nastavují diferenciální symbol d v římský typ namísto kurzíva: dX. The ISO / IEC 80000 vědecký průvodce stylem tento styl doporučuje.
Leibnizova notace pro antidiferenciaci
∫∫ y dx2
Leibniz představil integrální symbol ∫ v Analyseos tetragonisticae pars secunda a Methodi tangentium inversae exempla (oba od roku 1675). Nyní je to standardní symbol pro integrace.
Lagrangeova notace
Jeden z nejběžnějších moderních zápisů pro rozlišení je způsoben Joseph Louis Lagrange. Podle Lagrangeovy notace, a hlavní známka označuje derivát. Li F je funkce, její derivace se vyhodnotí na X je psáno
- .
Lagrange nejprve použil notaci v nepublikovaných dílech a v tisku se objevil v roce 1770.[1]
Vyšší deriváty jsou označeny pomocí dalších prvočísel, jako v pro druhá derivace a pro třetí derivát. Použití opakovaných prvočísel se nakonec stává nepraktickým. Někteří autoři pokračují v zaměstnávání římské číslice, obvykle malými písmeny,[2][3] jako v
k označení derivátů čtvrtého, pátého, šestého a vyššího řádu. Jiní autoři používají arabské číslice v závorkách, stejně jako v
Tato notace také umožňuje popsat nth derivát, kde n je proměnná. Toto je napsáno
Mezi znaky Unicode související s Lagrangeovou notací patří
- U + 2032 ◌′ PRIMÁRNÍ (derivát)
- U + 2033 ◌″ DOUBLE PRIME (dvojitý derivát)
- U + 2034 ◌‴ TRIPLE PRIME (třetí derivát)
- U + 2057 ◌⁗ Čtyřnásobný PRIME (čtvrtý derivát)
Pokud pro funkci existují dvě nezávislé proměnné F(X,y), lze dodržovat následující konvenci:[4]
Lagrangeova notace pro antidiferenciaci
F(−2)(X)
Když vzal antiderivativ, Lagrange následoval Leibnizovu notaci:[1]
Avšak protože integrace je inverzní funkcí diferenciace, Lagrangeova notace pro deriváty vyššího řádu se vztahuje i na integrály. Opakované integrály F lze psát jako
- pro první integrál (to je snadno zaměnitelné s inverzní funkce ),
- pro druhý integrál,
- pro třetí integrál a
- pro nth integrální.
Eulerova notace
D2F
Leonhard Euler 'notace používá a operátor diferenciálu navrhl Louis François Antoine Arbogast, označeno jako D (Operátor D.)[5] nebo D̃ (Provozovatel Newton – Leibniz)[6] Při použití na funkci F(X), je definován
Vyšší deriváty jsou označovány jako pravomoci D, jako v[4]
- pro druhou derivaci,
- pro třetí derivát a
- pro nth derivát.
Eulerova notace ponechává implicitní proměnnou, s ohledem na kterou se děje diferenciace. Tuto proměnnou však lze také explicitně notovat. Když F je funkce proměnné X, to se děje písemně[4]
- pro první derivát,
- pro druhou derivaci,
- pro třetí derivát a
- pro nth derivát.
Když F je funkce několika proměnných, je běžné používat∂ " spíše než D. Jak je uvedeno výše, dolní indexy označují deriváty, které jsou přijímány. Například druhé parciální derivace funkce F(X, y) jsou:[4]
Vidět § Částečné derivace.
Eulerova notace je užitečná pro konstatování a řešení lineární diferenciální rovnice, protože zjednodušuje prezentaci diferenciální rovnice, což může usnadnit vidění podstatných prvků problému.
Eulerova notace pro antidiferenciaci
Xy
D−2F
Eulerova notace může být použita pro antidiferenciaci stejným způsobem jako Lagrangeova notace.[7] jak následuje[6]
- pro první primitivní,
- pro druhé primitivní, a
- pro nto primitivní.
Newtonova notace
Newton Zápis pro rozlišení (nazývaný také tečkový zápis, nebo někdy hrubě, flyspeck notace[8] pro rozlišení) umístí tečku nad závislou proměnnou. To je, pokud y je funkce t, pak derivát y s ohledem na t je
Vyšší deriváty jsou reprezentovány pomocí více teček, jako v
Newton rozšířil tuto myšlenku docela daleko:[9]
Mezi znaky Unicode související s Newtonovou notací patří:
- U + 0307 ◌̇ KOMBINOVÁNÍ DOT výše (derivát)
- U + 0308 ◌̈ KOMBINACE DIAEREZE (dvojitý derivát)
- U + 20 dB ◌⃛ KOMBINACE TŘI BODŮ výše (třetí derivace) ← nahrazeno slovy „kombinující diaeréza“ + „kombinující tečka výše“.
- U + 20DC ◌⃜ KOMBINOVÁNÍ ČTYŘI BODŮ výše (čtvrtá derivace) ← nahrazeno dvakrát „spojením diaeresis“.
- U + 030D ◌̍ KOMBINOVÁNÍ VERTIKÁLNÍHO ŘÁDKU výše (integrální)
- U + 030E ◌̎ KOMBINACE DVOJITÉ VERTIKÁLNÍ ŘÁDKY NAD (druhý integrál)
- U + 25AD ▭ BÍLÝ OBDÉLNÍK (integrální)
- U + 20DE ◌⃞ KOMBINACE PŘIHLÁŠKY (integrální)
- U + 1DE0 ◌ᷠ KOMBINACE LATINSKÉHO MALÉHO LISTU N (nth derivát)
Newtonova notace se obecně používá, když nezávislá proměnná označuje čas. Pokud umístění y je funkce t, pak označuje rychlost[10] a označuje akcelerace.[11] Tato notace je populární v fyzika a matematická fyzika. Objevuje se také v oblastech matematiky spojených s fyzikou, jako je diferenciální rovnice. Je populární pouze pro první a druhý derivát, ale v aplikacích jsou to obvykle jediné deriváty, které jsou nezbytné.
Když vezmeme derivaci závislé proměnné y = F(X), existuje alternativní notace:[12]
Newton vyvinul následující parciální diferenciální operátory pomocí postranních teček na zakřiveném X (ⵋ). Definice dané Whiteside jsou níže:[13][14]
Newtonova notace pro integraci
Newton vyvinul mnoho různých notací pro integrace v jeho Quadratura curvarum (1704) a pozdější práce: napsal malou svislou čárku nebo prvočíslo nad závislou proměnnou (y̍ ), předpona obdélník (▭y), nebo vložení výrazu do obdélníku (y) k označení plynulý nebo časový integrál (absces ).
K označení více integrálů použil Newton dva malé svislé pruhy nebo prvočísla (y̎), nebo kombinace předchozích symbolů ▭y̍y̍, k označení podruhé integrálu (absence).
Časové integrály vyššího řádu byly následující:[15]
Tento matematická notace se nerozšířil kvůli potížím s tiskem a Leibniz – Newtonova diskuse o počtu.
Částečné derivace
Pokud jsou nutné konkrétnější typy diferenciace, například v vícerozměrný počet nebo tenzorová analýza, ostatní zápisy jsou běžné.
Pro funkci F(X), můžeme derivaci vyjádřit pomocí indexů nezávislé proměnné:
Tento typ notace je obzvláště užitečný pro pořizování částečné derivace funkce několika proměnných.
Částečné deriváty se obecně odlišují od běžných derivátů nahrazením operátoru diferenciálu d s "∂ "". Můžeme například označit částečnou derivaci F(X, y, z) s ohledem na X, ale ne y nebo z několika způsoby:
- .
To, co dělá tento rozdíl důležitým, je to, že ne-částečný derivát, jako je smět, v závislosti na kontextu, lze interpretovat jako rychlost změny v ve vztahu k když je dovoleno měnit všechny proměnné současně, zatímco s parciální derivací, jako je je výslovné, že by se měla lišit pouze jedna proměnná.
Další notace lze nalézt v různých podpolech matematiky, fyziky a techniky, viz například Maxwellovy vztahy z termodynamika. Symbol je derivát teploty T s ohledem na objem PROTI při zachování konstantní entropie (dolní index) S, zatímco je derivace teploty vzhledem k objemu při zachování konstantního tlaku P. To je nezbytné v situacích, kdy počet proměnných překračuje stupně volnosti, takže je třeba zvolit, které další proměnné mají být udržovány pevné.
Parciální derivace vyššího řádu vzhledem k jedné proměnné jsou vyjádřeny jako
Smíšené parciální deriváty lze vyjádřit jako
V tomto posledním případě jsou proměnné zapsány v obráceném pořadí mezi dvěma notacemi, vysvětleno takto:
Zápis ve vektorovém počtu
Vektorový počet obavy diferenciace a integrace z vektor nebo skalární pole. Několik notací specifických pro případ trojrozměrného Euklidovský prostor jsou běžné.
Předpokládat, že (X, y, z) je dané Kartézský souřadnicový systém, že A je vektorové pole s komponenty , a to je skalární pole.
Operátor diferenciálu představený William Rowan Hamilton, psaný ∇ a zavolal del nebo nabla, je symbolicky definována ve formě vektoru,
kde terminologie symbolicky odráží, že operátor ∇ bude také považován za obyčejný vektor.
- Spád: Přechod skalárního pole je vektor, který je symbolicky vyjádřen znakem násobení ∇ a skalární pole ,
- Divergence: Divergence vektorového pole A je skalár, který je symbolicky vyjádřen znakem Tečkovaný produkt ∇ a vektoru A,
- Laplacian: Laplacian skalárního pole je skalární, což je symbolicky vyjádřeno skalárním násobením ∇2 a skalární pole φ,
- Otáčení: Rotace nebo , vektorového pole A je vektor, který je symbolicky vyjádřen znakem křížový produkt ∇ a vektoru A,
Mnoho symbolických operací derivací může být zobecněno přímým způsobem operátorem přechodu v kartézských souřadnicích. Například jedna proměnná produktové pravidlo má přímý analog v násobení skalárních polí použitím operátoru přechodu, jako v
Mnoho dalších pravidel z jednoho proměnného počtu má analoga vektorového počtu pro přechod, divergenci, zvlnění a Laplacian.
Byly vyvinuty další notace pro exotičtější typy prostorů. Pro výpočty v Minkowského prostor, operátor d'Alembert, nazývaný také d'Alembertianův, vlnový operátor nebo operátor boxu je reprezentován jako , nebo jako když není v rozporu se symbolem pro Laplacian.
Viz také
Reference
- ^ A b Lagrange, Nouvelle méthode pour résoudre les équations littérales par le moyen des séries (1770), str. 25-26. http://gdz.sub.uni-goettingen.de/dms/load/img/?PID=PPN308900308%7CLOG_0017&physid=PHYS_0031
- ^ Morris, Carla C. (2015-07-28). Základy počtu. Stark, Robert M., 1930-2017. Hoboken, New Jersey. ISBN 9781119015314. OCLC 893974565.
- ^ Osborne, George A. (1908). Diferenciální a integrální počet. Boston: D. C. Heath a spol. str.63 -65.
- ^ A b C d Diferenciální a integrální počet (Augustus De Morgan, 1842). 267-268
- ^ „Operátor D - Diferenciální - Kalkul - Matematická reference s fungujícími příklady“. www.codecogs.com. Archivováno od originálu 2016-01-19.
- ^ A b Weisstein, Eric W. "Diferenciální operátor." Z MathWorld- Webový zdroj Wolfram. „Archivovaná kopie“. Archivováno od původního dne 2016-01-21. Citováno 2016-02-07.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
- ^ Weisstein, Eric W. "Opakovaná integrace." Z MathWorld- Webový zdroj Wolfram. „Archivovaná kopie“. Archivováno od originálu 2016-02-01. Citováno 2016-02-07.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
- ^ Zill, Dennis G. (2009). "1.1". První kurz v diferenciálních rovnicích (9. vydání). Belmont, Kalifornie: Brooks / Cole. p. 3. ISBN 978-0-495-10824-5.
- ^ Newtonova notace reprodukována z:
- 1. až 5. deriváty: Quadratura curvarum (Newton 1704), str. 7 (str. 5r v původních členských státech: „Archivovaná kopie“. Archivováno z původního dne 2016-02-28. Citováno 2016-02-05.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)).
- 1. až 7., nth a (n+1) th deriváty: Metoda fluxií (Newton, 1736), str. 313-318 a str. 265 (str. 163 v původních členských státech: „Archivovaná kopie“. Archivováno z původního dne 2017-04-06. Citováno 2016-02-05.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz))
- 1. až 5. deriváty: Pojednání o fluxech (Colin MacLaurin, 1742), str. 613
- 1. až 4. a nth deriváty: Články „Diferenciální“ a „Fluxion“, Slovník čisté a smíšené matematiky (Peter Barlow, 1814)
- 1. až 4., 10. a nth deriváty: články 622, 580 a 579 v Historie matematických notací (F. Cajori, 1929)
- 1. až 6. a nth deriváty: Matematické papíry Isaaca Newtona Sv. 7 1691-1695 (D. T. Whiteside, 1976), str. 88 a 17
- 1. až 3. a nth deriváty: Historie analýzy (Hans Niels Jahnke, 2000), str. 84-85
- ^ Weisstein, Eric W. "Přehnaně." Z MathWorld- Webový zdroj Wolfram. „Archivovaná kopie“. Archivováno z původního dne 2015-09-05. Citováno 2016-02-05.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
- ^ Weisstein, Eric W. „Double Dot.“ Z MathWorld- Webový zdroj Wolfram. „Archivovaná kopie“. Archivováno z původního dne 2016-03-03. Citováno 2016-02-05.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
- ^ Článek 580 ve Florian Cajori, Historie matematických notací (1929), Dover Publications, Inc., New York. ISBN 0-486-67766-4
- ^ "Matematické vzorce v pozdějším sedmnáctém století", Archiv pro historii přesných věd Sv. 1, č. 3 (D. T. Whiteside, 1961), str. 361-362,378
- ^ S.B. Engelsman dal přísnější definice v Rodiny křivek a počátky částečné diferenciace (2000), str. 223-226
- ^ Newtonova notace pro integraci reprodukována z:
- 1. až 3. integrály: Quadratura curvarum (Newton 1704), str. 7 (str. 5r v původních členských státech: „Archivovaná kopie“. Archivováno z původního dne 2016-02-28. Citováno 2016-02-05.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz))
- 1. až 3. integrály: Metoda fluxií (Newton, 1736), str. 265-266 (str. 163 v původním MS: „Archivovaná kopie“. Archivováno z původního dne 2017-04-06. Citováno 2016-02-05.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz))
- 4. integrály: Doktrína fluxů (James Hodgson, 1736), s. 54 a 72
- 1. až 2. integrál: Články 622 a 365 v Historie matematických notací (F. Cajori, 1929)
externí odkazy
- Nejčasnější použití symbolů kalkulu, kterou udržuje Jeff Miller.