Обозначения для дифференцирования - Notation for differentiation

В дифференциальное исчисление, нет единой униформы обозначение для дифференцирования. Вместо этого несколько разных обозначений для производная из функция или же Переменная были предложены разными математиками. Полезность каждой нотации зависит от контекста, и иногда бывает выгодно использовать более одной нотации в данном контексте. Наиболее распространенные обозначения для дифференцирования (и его противоположной операции - антидифференцировка или неопределенная интеграция) перечислены ниже.

Обозначения Лейбница

dy
dx
d2у
dx2
Первая и вторая производные от у относительно Икс, в обозначениях Лейбница.

Исходные обозначения, используемые Готфрид Лейбниц используется во всей математике. Это особенно часто встречается, когда уравнение у = ж(Икс) рассматривается как функциональная связь между зависимые и независимые переменные у и Икс. Обозначения Лейбница делают это отношение явным, записывая производную как

Функция, значение которой при Икс является производной от ж в Икс поэтому написано

Высшие производные записываются как

Это наводящий на размышления прием записи, который происходит от формальных манипуляций с символами, например,

С логической точки зрения эти равенства не являются теоремами. Вместо этого они просто определения обозначений.

Значение производной от у в какой-то момент Икс = а может быть выражено двумя способами, используя обозначение Лейбница:

.

Обозначения Лейбница позволяют указать переменную для дифференцирования (в знаменателе). Это особенно полезно при рассмотрении частные производные. Это также делает Правило цепи легко запомнить и узнать:

Обозначения Лейбница для различения не требуют присвоения значения таким символам, как dx или же dy сами по себе, и некоторые авторы не пытаются присвоить этим символам значение. Лейбниц трактовал эти символы как бесконечно малые. Позже авторы приписывали им другие значения, например бесконечно малые в нестандартный анализ или же внешние производные.

Некоторые авторы и журналы устанавливают дифференциальный символ d в римский шрифт вместо курсив: dИкс. В ISO / IEC 80000 Руководство по научному стилю рекомендует этот стиль.

Обозначение Лейбница для антидифференцировки

у dx
∫∫ у dx2
Одно- и двукратные неопределенные интегралы от у относительно Икс, в обозначениях Лейбница.

Лейбниц представил интегральный символ в Analyseos tetragonisticae pars secunda и Methodi tangentium inversae, образец (оба с 1675 г.). Теперь это стандартный символ для интеграция.

Обозначения Лагранжа

ж(Икс)
Функция ж из Икс, дифференцированный один раз в обозначениях Лагранжа.

Одно из наиболее распространенных современных обозначений дифференциации связано с Жозеф Луи Лагранж. В обозначениях Лагранжа главный знак обозначает производную. Если ж является функцией, то ее производная, вычисляемая на Икс написано

.

Лагранж впервые использовал обозначения в неопубликованных работах, а в печати они появились в 1770 году.[1]

Высшие производные обозначаются дополнительными штрихами, как в для вторая производная и для третья производная. Использование повторяющихся штрихов со временем становится громоздким. Некоторые авторы продолжают использовать римские цифры, обычно в нижнем регистре,[2][3] как в

для обозначения производных четвертого, пятого, шестого и более высоких порядков. Другие авторы используют арабские цифры в скобках, как в

Эти обозначения также позволяют описать п-я производная, где п это переменная. Это написано

Символы Юникода, относящиеся к нотации Лагранжа, включают

  • U + 2032 ◌′ ОСНОВНОЙ (производная)
  • U + 2033 ◌″ ДВОЙНОЙ ПРАЙМ (двойная производная)
  • U + 2034 ◌‴ ТРОЙНОЙ ПРАЙМ (третья производная)
  • U + 2057 ◌⁗ ЧЕТВЕРКА ПРАЙМ (четвертая производная)

Когда есть две независимые переменные для функции ж(Икс,у) можно следовать следующему соглашению:[4]

Обозначение Лагранжа для антидифференцировки

ж(−1)(Икс)
ж(−2)(Икс)
Одно- и двукратные неопределенные интегралы от ж относительно Икс, в обозначениях Лагранжа.

Принимая первообразную, Лагранж руководствовался обозначениями Лейбница:[1]

Однако, поскольку интегрирование является обратным дифференцированию, обозначения Лагранжа для производных более высокого порядка распространяются и на интегралы. Повторяющиеся интегралы от ж можно записать как

для первого интеграла (его легко спутать с обратная функция ),
для второго интеграла
для третьего интеграла и
для п-й интеграл.

Обозначение Эйлера

DИксу
D2ж
В Икс производная от у и вторая производная от ж, Обозначения Эйлера.

Леонард Эйлер в обозначении используется дифференциальный оператор предложено Луи Франсуа Антуан Арбогаст, обозначенный как D (Оператор D)[5] или же (Оператор Ньютона – Лейбница)[6] Применительно к функции ж(Икс), он определяется

Высшие производные обозначаются степенями D, как в[4]

для второй производной
для третьей производной и
для п-я производная.

Нотация Эйлера оставляет неявной переменную, по которой выполняется дифференцирование. Однако эту переменную также можно указать явно. Когда ж является функцией переменной Икс, это делается путем написания[4]

для первой производной,
для второй производной
для третьей производной и
для п-я производная.

Когда ж является функцией нескольких переменных, обычно используется " " скорее, чем D. Как и выше, нижние индексы обозначают взятые производные. Например, вторые частные производные функции ж(Икс, у) находятся:[4]

Видеть § Частные производные.

Обозначения Эйлера полезны для формулировки и решения линейные дифференциальные уравнения, поскольку это упрощает представление дифференциального уравнения, что может облегчить понимание основных элементов проблемы.

Нотация Эйлера для антидифференцировки

D−1
Икс
у
D−2ж
В Икс первообразная у и вторая первообразная ж, Обозначения Эйлера.

Обозначения Эйлера могут использоваться для антидифференцировки так же, как обозначения Лагранжа.[7] следующее[6]

для первого первообразного,
для второй первообразной, и
для пй первообраз.

Обозначение Ньютона

ИксИкс
Первая и вторая производные от Икс, Обозначения Ньютона.

Ньютон обозначение дифференцирования (также называемое точечная запись, а иногда грубо обозначение мухи[8] для дифференциации) ставит точку над зависимой переменной. То есть, если у является функцией т, то производная от у относительно т является

Высшие производные представлены с использованием нескольких точек, как в

Ньютон довольно далеко расширил эту идею:[9]

Символы Юникода, относящиеся к нотации Ньютона, включают:

  • U + 0307 ◌̇ ОБЪЕДИНЕНИЕ ТОЧКИ ВЫШЕ (производная)
  • U + 0308 ◌̈ СОЧЕТАНИЕ ДИАРЕЗА (двойная производная)
  • U + 20 дБ ◌⃛ СОЕДИНЕНИЕ ТРИ ТОЧКИ ВЫШЕ (третья производная) ← заменено на «объединение диэрезиса» + «объединение точки выше».
  • U + 20DC ◌⃜ ОБЪЕДИНЕНИЕ ЧЕТЫРЕ ТОЧКИ ВЫШЕ (четвертая производная) ← дважды заменено на «комбинированный диэрезис».
  • U + 030D ◌̍ ОБЪЕДИНЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ЛИНИИ ВЫШЕ (интеграл)
  • U + 030E ◌̎ ОБЪЕДИНЕНИЕ ДВОЙНОЙ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ЛИНИИ ВЫШЕ (второй интеграл)
  • U + 25AD БЕЛЫЙ ПРЯМОУГОЛЬНИК (интеграл)
  • U + 20DE ◌⃞ КОМБИНИРОВАННАЯ ОГРАЖДЕНИЕ (интеграл)
  • U + 1DE0 ◌ᷠ ОБЪЕДИНЕНИЕ СТРОЧНОЙ ЛАТИНСКОЙ БУКВЫ N (пth производная)

Обозначение Ньютона обычно используется, когда независимая переменная обозначает время. Если место у является функцией т, тогда обозначает скорость[10] и обозначает ускорение.[11] Это обозначение популярно в физика и математическая физика. Он также появляется в областях математики, связанных с физикой, таких как дифференциальные уравнения. Он популярен только для первой и второй производных, но в приложениях это обычно единственные производные, которые необходимы.

При взятии производной зависимой переменной у = ж(Икс) существует альтернативное обозначение:[12]

Ньютон разработал следующие операторы в частных производных, используя боковые точки на изогнутом X (ⵋ). Определения, данные Whiteside, приведены ниже:[13][14]

Обозначение Ньютона для интеграции

ИксИкс
Первые и вторые первообразные Икс, в одной из ньютоновских нотаций.

Ньютон разработал множество различных обозначений для интеграция в его Quadratura curvarum (1704) и позже работает: он написал маленькую вертикальную черту или штрих над зависимой переменной (й̍ ), прямоугольник с префиксом (у), либо заключением члена в прямоугольник (у) для обозначения беглый или интеграл по времени (опускание ).

Для обозначения нескольких интегралов Ньютон использовал две маленькие вертикальные черты или простые числа (й̎) или комбинация предыдущих символов й̍й̍, чтобы обозначить второй интеграл по времени (абсолютность).

Интегралы по времени высшего порядка были следующими:[15]

Этот математическая запись не получили широкого распространения из-за трудностей печати и Споры об исчислении Лейбница – Ньютона.

Частные производные

жИксжху
Функция ж дифференцированный против Икс, то против Икс и у.

Когда необходимы более конкретные типы дифференциации, например, в многомерное исчисление или же тензорный анализ, другие обозначения являются общими.

Для функции ж(Икс), мы можем выразить производную, используя индексы независимой переменной:

Этот тип обозначений особенно полезен для частные производные функции нескольких переменных.

∂f/∂x
Функция ж дифференцированный против Икс.

Частные производные обычно отличаются от обычных производных заменой дифференциального оператора d с " "символ. Например, мы можем указать частную производную от ж(Икс, у, z) относительно Икс, но не у или же z несколькими способами:

.

Что делает это различие важным, так это то, что непрямая производная, такая как май, в зависимости от контекста, интерпретировать как скорость изменения относительно когда все переменные могут изменяться одновременно, тогда как с частной производной, такой как ясно, что должна изменяться только одна переменная.

Другие обозначения можно найти в различных подполях математики, физики и инженерии, см., Например, Максвелл отношения из термодинамика. Символ - производная от температуры Т по объему V при сохранении постоянной энтропии (нижний индекс) S, пока - производная температуры по объему при постоянном давлении п. Это становится необходимым в ситуациях, когда количество переменных превышает количество степеней свободы, так что нужно выбирать, какие другие переменные следует оставить фиксированными.

Частные производные высшего порядка по одной переменной выражаются как

Смешанные частные производные могут быть выражены как

В этом последнем случае переменные записываются в обратном порядке между двумя обозначениями, что объясняется следующим образом:

Обозначения в векторном исчислении

Векторное исчисление обеспокоенность дифференциация и интеграция из вектор или же скаляр поля. Несколько обозначений, характерных для случая трехмерных Евклидово пространство общие.

Предположить, что (Икс, у, z) дано Декартова система координат, который А это векторное поле с компонентами , и это это скалярное поле.

Дифференциальный оператор, введенный Уильям Роуэн Гамильтон, написано и позвонил дель или набла, символически определяется в виде вектора,

где терминология символически отражает, что оператор ∇ также будет рассматриваться как обычный вектор.

φ
Градиент скалярного поля φ.
  • Градиент: Градиент скалярного поля - вектор, который символически выражается умножение и скалярного поля ,
∇∙А
Дивергенция векторного поля А.
2φ
Лапласиан скалярного поля φ.
  • Лапласиан: Лапласиан скалярного поля является скаляром, который символически выражается скалярным умножением ∇2 и скалярное поле φ,
∇×А
Ротор векторного поля А.
  • Вращение: Вращение , или же , векторного поля А - вектор, который символически выражается перекрестное произведение и вектора А,

Многие символьные операции над производными могут быть напрямую обобщены с помощью оператора градиента в декартовых координатах. Например, единственная переменная правило продукта имеет прямой аналог в умножении скалярных полей путем применения оператора градиента, как в

Многие другие правила исчисления одной переменной имеют аналоги векторного исчисления для градиента, дивергенции, ротора и лапласиана.

Для более экзотических типов пространств были разработаны дальнейшие обозначения. Для расчетов в Пространство Минковского, то оператор Даламбера, также называемый даламбертианом, волновым оператором или прямоугольным оператором, представлен как , или как когда не противоречит символу лапласиана.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Лагранж, Новый метод для исследований в области литературных знаний по моей инициативе (1770), стр. 25-26. http://gdz.sub.uni-goettingen.de/dms/load/img/?PID=PPN308900308%7CLOG_0017&physid=PHYS_0031
  2. ^ Моррис, Карла С. (28 июля 2015 г.). Основы исчисления. Старк, Роберт М., 1930-2017. Хобокен, Нью-Джерси. ISBN  9781119015314. OCLC  893974565.
  3. ^ Осборн, Джордж А. (1908). Дифференциальное и интегральное исчисление. Бостон: Д. К. Хит и компания. стр.63 -65.
  4. ^ а б c d Дифференциальное и интегральное исчисление (Огастес Де Морган, 1842). стр. 267-268
  5. ^ «Оператор D - Дифференциальный - Исчисление - Справочник по математике с рабочими примерами». www.codecogs.com. В архиве из оригинала от 19.01.2016.
  6. ^ а б Вайсштейн, Эрик В. «Дифференциальный оператор». Из MathWorld- Веб-ресурс Wolfram. «Архивная копия». В архиве из оригинала от 21.01.2016. Получено 2016-02-07.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  7. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Повторяющийся интеграл». Из MathWorld- Веб-ресурс Wolfram. «Архивная копия». В архиве из оригинала на 01.02.2016. Получено 2016-02-07.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  8. ^ Зилл, Деннис Г. (2009). "1.1". Первый курс дифференциальных уравнений (9-е изд.). Бельмонт, Калифорния: Брукс / Коул. п. 3. ISBN  978-0-495-10824-5.
  9. ^ Обозначения Ньютона воспроизведены по:
    • С 1-й по 5-ю производные: Quadratura curvarum (Ньютон, 1704), стр. 7 (стр. 5r в оригинальной MS: «Архивная копия». В архиве из оригинала от 28.02.2016. Получено 2016-02-05.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)).
    • С 1-го по 7-е, пth и (п+1) -ые производные: Метод флюсий (Ньютон, 1736), стр. 313-318 и стр. 265 (стр. 163 в оригинальной MS: «Архивная копия». В архиве из оригинала на 2017-04-06. Получено 2016-02-05.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь))
    • С 1 по 5 производные: Трактат о колебаниях (Колин МакЛорин, 1742), стр. 613
    • С 1 по 4 и ппроизводные: статьи «Дифференциальный» и «Флюксионный», Словарь чистой и смешанной математики (Питер Барлоу, 1814 г.)
    • С 1 по 4, 10 и пth производные: статьи 622, 580 и 579 в История математических обозначений (Ф. Каджори, 1929)
    • С 1 по 6 и пth производные: Математические статьи Исаака Ньютона Vol. 7 1691-1695 (Д. Т. Уайтсайд, 1976), стр. 88 и 17
    • С 1 по 3 и пth производные: История анализа (Ханс Нильс Янке, 2000), стр. 84-85.
    Точка для п-я производная может быть опущена ( )
  10. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Овердот». Из MathWorld- Веб-ресурс Wolfram. «Архивная копия». В архиве из оригинала от 05.09.2015. Получено 2016-02-05.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  11. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Двойная точка». Из MathWorld- Веб-ресурс Wolfram. «Архивная копия». В архиве из оригинала от 03.03.2016. Получено 2016-02-05.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  12. ^ Статья 580 в деле Флориана Каджори, История математических обозначений (1929), Dover Publications, Inc., Нью-Йорк. ISBN  0-486-67766-4
  13. ^ "Образцы математической мысли в конце семнадцатого века", Архив истории точных наук Vol. 1, No. 3 (D. T. Whiteside, 1961), стр. 361–362 378
  14. ^ С.Б. Энгельсман дал более строгие определения в Семейства кривых и истоки частичной дифференциации (2000), стр. 223-226.
  15. ^ Обозначения Ньютона для интегрирования воспроизведены из:
    • 1–3 интегралы: Quadratura curvarum (Ньютон, 1704), стр. 7 (стр. 5r в оригинальной MS: «Архивная копия». В архиве из оригинала от 28.02.2016. Получено 2016-02-05.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь))
    • 1–3 интегралы: Метод флюсий (Ньютон, 1736), стр. 265-266 (стр. 163 в оригинальном MS: «Архивная копия». В архиве из оригинала на 2017-04-06. Получено 2016-02-05.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь))
    • 4-й интеграл: Доктрина колебаний (Джеймс Ходжсон, 1736), стр. 54 и 72.
    • 1–2 интегралы: статьи 622 и 365 в История математических обозначений (Ф. Каджори, 1929)
    В п-я интегральная запись вычитается из п-я производная. Его можно использовать в Methodus Incrementorum Directa и Inversa (Брук Тейлор, 1715 г.)

внешняя ссылка