Главная » Просмотр файлов » 1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84

1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84 (824701), страница 86

Файл №824701 1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84 (Зорич 2-е издание (на английском)) 86 страница1610912322-b551b095a53deaf3d3fbd1ed05ae9b84 (824701) страница 862021-01-17СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 86)

8.1 show,g (y) o(h) = o(h) as h → 0,f (x + h) − f (x) = f (x)h + o(h) = O(h) + o(h) = O(h)ando f (x + h) − f (x) = o O(h) = o(h)as h → 0,as h → 0.Consequently,α(x; h) = o(h) + o(h) = o(h)as h → 0,and the theorem is proved.When rewritten in coordinate form, Theorem 3 means that if x is an interior pointof the set X and⎞⎛∂1 f 1 (x) · · · ∂m f 1 (x)......⎟ j⎜f (x) = ⎝.⎠ = ∂i f (x),..∂1 f n (x)···∂m f n (x)and y = f (x) is an interior point of the set Y and⎛⎞∂1 g 1 (y) · · · ∂n g 1 (y)......⎜⎟ kg (y) = ⎝.⎠ = ∂j g (y),..∂1 g k (y)···∂n g k (y)then⎛∂1 (g 1 ◦ f )(x)..⎜(g ◦ f ) (x) = ⎝.···...∂1 (g k ◦ f )(x)···⎞∂m (g 1 ◦ f )(x)..⎟ l⎠ = ∂i g ◦ f (x) =.∂1 g 1 (y)..⎜=⎝.···...∂m (g k ◦ f )(x)⎞⎛∂n g 1 (y)∂1 f 1 (x)....⎟⎜⎠⎝..∂1 g k (y)···∂1 f n (x)⎛∂n g k (y)= ∂j g l (y) · ∂i f j (x) .···...···⎞∂m f 1 (x)..⎟⎠=.∂m f n (x)In the equality l∂i g ◦ f (x) = ∂j g l f (x) · ∂i f j (x)(8.34)summation is understood on the right-hand side with respect to the index j over itsinterval of variation, that is, from 1 to n.8.3 The Basic Laws of Differentiation443In contrast to Eqs.

(8.31 ), (8.32 ), and (8.33 ), relation (8.34) is nontrivial evenin the sense of elementwise equality of the matrices occurring in it.Let us now consider some important cases of the theorem just proved.b. The Differential and Partial Derivatives of a Composite Real-ValuedFunctionLet z = g(y 1 , . . . , y n ) be a real-valued function of the real variables y 1 , . . .

, y n , eachof which in turn is a function y j = f j (x 1 , . . . , x m ) (j = 1, . . . , n) of the variablesx 1 , . . . , x m . Assuming that the functions g and f j are differentiable (j = 1, . . . , n),)let us find the partial derivative ∂(g◦f(x) of the composition of the mappings f :∂x iX → Y and g : Y → R.According to formula (8.34), in which l = 1 under the present conditions, wefind(8.35)∂i (g ◦ f )(x) = ∂j g f (x) · ∂i f j (x),or, in notation that shows more detail,∂g ∂y 1∂(g ◦ f ) 1∂g ∂y n∂zmx=(x)=,...,x·+···+·=∂x i∂x i∂y n ∂x i∂y 1 ∂x i= ∂1 g f (x) · ∂i f 1 (x) + · · · + ∂n g f (x) · ∂i f n (x).c.

The Derivative with Respect to a Vector and the Gradient of a Functionat a PointConsider the stationary flow of a liquid or gas in some domain G of R3 . The term“stationary” means that the velocity of the flow at each point of G does not varywith time, although of course it may vary from one point of G to another. Suppose, for example, f (x) = f (x 1 , x 2 , x 3 ) is the pressure in the flow at the pointx = (x 1 , x 2 , x 3 ) ∈ G.

If we move about in the flow according to the law x = x(t),where t is time, we shall record a pressure (f ◦ x)(t) = f (x(t)) at time t. The rateof variation of pressure over time along our trajectory is obviously the derivatived(f ◦x)dt (t) of the function (f ◦ x)(t) with respect to time. Let us find this derivative,assuming that f (x 1 , x 2 , x 3 ) is a differentiable function in the domain G. By the rulefor differentiating composite functions, we find∂f d(f ◦ x)∂f ∂f (t) = 1 x(t) ẋ 1 (t) + 2 x(t) ẋ 2 (t) + 3 x(t) ẋ 3 (t),dt∂x∂x∂xi(8.36)where ẋ i (t) = dxdt (t) (i = 1, 2, 3).Since the vector (ẋ 1 , ẋ 2 , ẋ 3 ) = v(t) is the velocity of our displacement at time tand (∂1 f, ∂2 f, ∂3 f )(x) is the coordinate notation for the differential df (x) of the4448 Differential Calculus in Several Variablesfunction f at the point x, Eq.

(8.36) can also be rewritten asd(f ◦ x)(t) = df x(t) v(t),dt(8.37)that is, the required quantity is the value of the differential df (x(t)) of the functionf (x) at the point x(t) evaluated at the velocity vector v(t) of the motion.In particular, if we were at the point x0 = x(0) at time t = 0, thend(f ◦ x)(0) = df (x0 ) v,dt(8.38)where v = v(0) is the velocity vector at time t = 0.The right-hand side of (8.38) depends only on the point x0 ∈ G and the velocityvector v that we have at that point; it is independent of the specific form of thetrajectory x = x(t), provided the condition ẋ(0) = v holds.

That means that thevalue of the left-hand side of Eq. (8.38) is the same on any trajectory of the formx(t) = x0 + vt + α(t),(8.39)where α(t) = o(t) as t → 0, since this value is completely determined by giving thepoint x0 and the vector v ∈ T R3x0 attached at that point. In particular, if we wishedto compute the value of the left-hand side of Eq. (8.38) directly (and hence also theright-hand side), we could choose the law of motion to bex(t) = x0 + vt,(8.40)corresponding to a uniform motion at velocity v under which we are at the pointx(0) = x0 at time t = 0.We now give the followingDefinition 1 If the function f (x) is defined in a neighborhood of the point x0 ∈ Rmand the vector v ∈ T Rmx0 is attached at the point x0 , then the quantityDv f (x0 ) := limt→0f (x0 + vt) − f (x0 )t(8.41)(if the indicated limit exists) is called the derivative of f at the point x0 with respectto the vector v or the derivative along the vector v at the point x0 .It follows from these considerations that if the function f is differentiable at thepoint x0 , then the following equality holds for any function x(t) of the form (8.39),and in particular, for any function of the form (8.40):Dv f (x0 ) =d(f ◦ x)(0) = df (x0 ) v.dt(8.42)8.3 The Basic Laws of Differentiation445In coordinate notation, this equality saysDv f (x0 ) =∂f∂f(x0 )v 1 + · · · + m (x0 )v m .∂x∂x 1(8.43)In particular, for the basis vectors e1 = (1, 0, .

. . , 0), . . . , em = (0, . . . , 0, 1) thisformula implies∂f(x0 ) (i = 1, . . . , m).∂x iBy virtue of the linearity of the differential df (x0 ), we deduce from Eq. (8.42)that if f is differentiable at the point x0 , then for any vectors v1 , v2 ∈ T Rmx0 and anyλ1 , λ2 ∈ R the function has a derivative at the point x0 with respect to the vector(λ1 v1 + λ2 v2 ) ∈ T Rmx0 , and thatDei f (x0 ) =Dλ1 v1 +λ2 v2 f (x0 ) = λ1 Dv1 f (x0 ) + λ2 Dv2 f (x0 ).(8.44)If Rm is regarded as a Euclidean space, that is, as a vector space with an innerproduct, then (see Sect. 8.1) it is possible to write any linear functional L(v) as theinner product &ξ, v' of a fixed vector ξ = ξ(L) and the variable vector v.In particular, there exists a vector ξ such thatdf (x0 )v = &ξ, v'.(8.45)Definition 2 The vector ξ ∈ T Rmx0 corresponding to the differential df (x0 ) of thefunction f at the point x0 in the sense of Eq. (8.45) is called the gradient of thefunction at that point and is denoted grad f (x0 ).Thus, by definition+,(8.46)df (x0 )v = grad f (x0 ), v .If a Cartesian coordinate system has been chosen in Rm , then, by comparingrelations (8.42), (8.43), and (8.46), we conclude that the gradient has the followingrepresentation in such a coordinate system:∂f∂f, .

. . , m (x0 ).(8.47)grad f (x0 ) =∂x∂x 1We shall now explain the geometric meaning of the vector grad f (x0 ).Let e ∈ T Rmx0 be a unit vector. Then by (8.46)De f (x0 ) = grad f (x0 ) cos ϕ,(8.48)where ϕ is the angle between the vectors e and grad f (x0 ).Thus if grad f (x0 ) = 0 and e = , grad f (x0 ),−1 grad f (x0 ), the derivativeDe f (x0 ) assumes a maximum value. That is, the rate of increase of the function f(expressed in the units of f relative to a unit length in Rm ) is maximal and equalto , grad f (x0 ), for motion from the point x0 precisely when the displacement is4468 Differential Calculus in Several Variablesin the direction of the vector grad f (x0 ). The value of the function decreases mostsharply under displacement in the opposite direction, and the rate of variation of thefunction is zero in a direction perpendicular to the vector grad f (x0 ).The derivative with respect to a unit vector in a given direction is usually calledthe directional derivative in that direction.Since a unit vector in Euclidean space is determined by its direction cosinese = (cos α1 , .

. . , cos αm ),where αi is the angle between the vector e and the basis vector ei in a Cartesiancoordinate system, it follows that+,∂f∂fDe f (x0 ) = grad f (x0 ), e = 1 (x0 ) cos α1 + · · · + m (x0 ) cos αm .∂x∂xThe vector grad f (x0 ) is encountered very frequently and has numerous applications. For example the so-called gradient methods for finding extrema of functionsof several variables numerically (using a computer) are based on the geometric property of the gradient just noted. (In this connection, see Problem 2 at the end of thissection.)Many important vector fields, such as, for example, a Newtonian gravitationalfield or the electric field due to charge, are the gradients of certain scalar-valuedfunctions, known as the potentials of the fields (see Problem 3).Many physical laws use the vector grad f in their very statement. For example,in the mechanics of continuous media the equivalent of Newton’s basic law of dynamics ma = F is the relationρa = − grad p,which connects the acceleration a = a(x, t) in the flow of an ideal liquid or gasfree of external forces at the point x and time t with the density of the mediumρ = ρ(x, t) and the gradient of the pressure p = p(x, t) at the same point and time(see Problem 4).We shall discuss the vector grad f again later, when we study vector analysis andthe elements of field theory.8.3.3 Differentiation of an Inverse MappingTheorem 4 Let f : U (x) → V (y) be a mapping of a neighborhood U (x) ⊂ Rm ofthe point x onto a neighborhood V (y) ⊂ Rm of the point y = f (x).

Assume that fis continuous at the point x and has an inverse mapping f −1 : V (y) → U (x) thatis continuous at the point y.Given these assumptions, if the mapping f is differentiable at x and the tanm−1 :gent mapping f (x) : T Rmx → T Ry to f at the point x has an inverse [f (x)]8.3 The Basic Laws of Differentiation447m−1 : V (y) → U (x) is differentiable at the pointT Rmy → T Rx , then the mapping fy = f (x), and the following equality holds: −1 )*−1f(y) = f (x) .Thus, mutually inverse differentiable mappings have mutually inverse tangentmappings at corresponding points.Proof We use the following notation:f (x) = y,f (x + h) = y + t,t = f (x + h) − f (x),so thatf −1 (y) = x,f −1 (y + t) = x + h,h = f −1 (y + t) − f −1 (y).We shall assume that h is so small that x + h ∈ U (x), and hence y + t ∈ V (y).It follows from the continuity of f at x and f −1 at y thatt = f (x + h) − f (x) → 0 as h → 0(8.49)h = f −1 (y + t) − f −1 (y) → 0 as t → 0.(8.50)andIt follows from the differentiability of f at x thatt = f (x)h + o(h)as h → 0,(8.51)that is, we can even assert that t = O(h) as h → 0 (see relations (8.17) and (8.18)of Sect.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
5,08 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6543
Авторов
на СтудИзбе
300
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее