Кіріспе
Математикалық формула белгілі бір операциялар жиынтығын қамтиды. Математикада, егер өрнек константалармен, айнымалылармен және арифметикалық операциялармен (+, - және бүтін дәрежелер) және функциялардың құрамымен байланысты негізгі функциялардың шекті жиынтығымен құрылса, ол жабық түрде болады. Көбінесе рұқсат етілген функцияларға n-ші тамыр, экспоненциалды функция, логарифм және тригонометриялық функциялар жатады. Дегенмен, негізгі функциялар жиынтығы контекстке байланысты. Жабық түрдегі мәселе математикалық объектілерді, мысалы, лимиттерді, қатарларды және интегралдарды анықтаудың жаңа тәсілдері енгізілген кезде туындайды: егер мұндай құралдармен берілген объект үшін, мүмкін болса, осы объектінің жабық түрдегі өрнегін табу – табиғи мәселе, яғни осы объектіні анықтаудың бұрынғы тәсілдерімен өрнектеу.
In mathematics, an expression is in closed form if it is formed with constants, variables and a finite set of basic functions connected by arithmetic operations (, and integer powers) and function composition. Commonly, the allowed functions are nth root, exponential function, logarithm, and trigonometric functions. However, the set of basic functions depends on the context. The closed form problem arises when new ways are introduced for specifying mathematical objects, such as limits, series and integrals: given an object specified with such tools, a natural problem is to find, if possible, a closed form expression of this object, that is, an expression of this object in terms of previous ways of specifying it.
Баламалы анықтамалар
"Жақсы белгілі" деген анықтаманы қосымша функцияларды қамту үшін өзгерту жабық түрдегі шешімі бар теңдеулер жиынтығын өзгерте алады. Көптеген жинақталған үлестірім функцияларын жабық түрде жазу мүмкін емес, егер қателік функциясы немесе гамма функциясы сияқты арнайы функциялар жақсы белгілі деп есептелмесе. Егер жалпы гипергеометриялық функциялар қосылса, бесінші дәрежелі теңдеуді шешуге болады, бірақ шешім алгебралық тұрғыдан тым күрделі болғандықтан пайдалы емес. Көптеген практикалық компьютерлік қолданбалар үшін гамма функциясы және басқа да арнайы функциялар жақсы белгілі деп қарастыру толығымен орынды, себебі сандық есептеулер кеңінен қолжетімді.
Талдаулық өрнегі
Аналитикалық өрнек (аналитикалық түрдегі өрнек немесе аналитикалық формула деп те аталады) – есептеуге ыңғайлы белгілі операциялар қолданылып құрастырылған математикалық өрнек. Жабық түрдегі өрнектерге ұқсас, рұқсат етілген белгілі функциялар жиынтығы контекстке қарай өзгеруі мүмкін, бірақ әрқашан негізгі арифметикалық амалдарды (қосу, алу, көбейту және бөлу), нақты дәрежеге көтеруді (соның ішінде n-ші түбірді табу), логарифмдерді және тригонометриялық функцияларды қамтиды. Дегенмен, аналитикалық өрнектер деп есептелетін өрнектер класы жабық түрдегі өрнектерге қарағанда кеңірек болады. Атап айтқанда, Бессель функциялары және гамма функциясы сияқты арнайы функцияларға рұқсат беріледі, сондай-ақ шексіз қатарлар мен тізбекті бөлшектер де жиі рұқсат етіледі. Ал лимиттер, жалпы алғанда, және интегралдар, әсіресе, әдетте қолданылмайды. Егер аналитикалық өрнекте тек алгебралық амалдар (қосу, алу, көбейту, бөлу және рационалды дәрежеге көтеру) және рационалды тұрақтылар ғана болса, онда ол алгебралық өрнек деп аталады.
Әртүрлі өрнектердің салыстыруы
Жабық түрдегі өрнектер – белгілі функциялардың шекті санын қолданатын талдау өрнектерінің маңызды кіші тобы. Басқаша айтқанда, жабық түрдегі өрнектер кең аналитикалық өрнектерден өзгеше, шексіз қатарларды немесе тізбекті бөлшектерді, сондай-ақ интегралдар мен лимиттерді қамтымайды. Шындығында, Стоун-Вейерштрасс теоремасына сәйкес, бірлік аралығындағы кез келген үздіксіз функцияны көпмүшелердің лиміті ретінде көрсетуге болады, демек көпмүшелерді қамтитын және лимиттер бойынша жабық функциялардың кез келген класы барлық үздіксіз функцияларды міндетті түрде қамтиды. Сол сияқты, теңдеу немесе теңдеулер жүйесінің жабық түрдегі шешімі бар делінеді, егер және тек қана кем дегенде бір шешімді жабық түрдегі өрнек түрінде көрсету мүмкін болса; ал кем дегенде бір шешімді аналитикалық өрнек түрінде көрсету мүмкін болса, онда аналитикалық шешімі бар делінеді. "Жабық түрдегі функция" мен "жабық түрдегі сан" арасында "жабық түрдегі шешім" талқылауында және одан әрі қарастырылатын айқын айырмашылық бар. Жабық түрдегі немесе аналитикалық шешім кейде нақты шешім деп те аталады.
Математикалық модельдеу және компьютерлік симуляция
Жабық түрде немесе аналитикалық жолмен шешуге тым күрделі теңдеулер немесе жүйелер көбінесе математикалық модельдеу және компьютерлік симуляция арқылы талданады (мысалы, физикада қараңыз).
Жабық нысанның нөмірі
"C" кешенді сандарының үш қосалқы өрісі "жабық түрдегі сан" ұғымын кодтау үшін ұсынылған; жалпылығының өсу ретімен, бұл Лиувиль сандары (рационалдық жуықтау мағынасындағы Лиувиль сандарымен шатастырмау керек), EL сандары және элементар сандар. Лиувильдік сандар, "L" деп белгіленеді, "C" кешенді сандарының ең кіші алгебралық жабық қосалқы өрісін құрайды, ол экспоненталау және логарифмдеу операциялары бойынша жабық (формальды түрде, барлық мұндай қосалқы өрістердің қиылысы) – яғни, нақты экспоненталау және логарифмдеуді қамтитын, бірақ сонымен қатар нақты және жасырын полиномдардың (полиномдардың түбірлерін) болуына рұқсат беретін сандар; бұл "L" ішінде анықталған. Бастапқыда элементар сандар деп аталған, бірақ қазір бұл термин алгебралық амалдар, экспоненталар және логарифмдер арқылы ашық немесе жасырын түрде анықталған сандарды көрсету үшін кеңірек қолданылады. "E" деп белгіленетін және EL сандары деп аталатын, мақалада ұсынылған тар анықтама, "C" кешенді сандарының экспоненталау және логарифмдеу операциялары бойынша жабық ең кіші қосалқы өрісі болып табылады – бұл алгебралық жабық болуы міндетті емес және нақты алгебралық, экспоненциалдық және логарифмдік амалдарға сәйкес келеді. "EL" аббревиатурасы "экспоненталық-логарифмдік" және "элементар" мағынасын білдіреді. Санның жабық түрдегі сан болуы оның трансценденттік болуымен байланысты. Формальды түрде, Лиувильдік сандар мен элементар сандар алгебралық сандарды қамтиды және кейбір, бірақ барлық трансценденттік сандарды қамтымайды. Керісінше, EL сандары барлық алгебралық сандарды қамтымайды, бірақ кейбір трансценденттік сандарды қамтиды. Жабық түрдегі сандар трансценденттік сандар теориясы арқылы зерттеледі, онда маңызды нәтиже – Гельфонд-Шнайдер теоремасы, ал маңызды ашық сұрақ – Шануэль болжамы.
Сандық есептеулер
Сандық есептеулер үшін жабық түрде болу, көбінесе қажет емес, себебі көптеген лимиттер мен интегралдарды тиімді түрде есептеуге болады. Кейбір теңдеулердің жабық түрдегі шешімі жоқ, мысалы, Үш дене мәселесін немесе Ходжкин-Хаксли моделін көрсететін теңдеулер. Сондықтан, осы жүйелердің болашақ жағдайларын сандық есептеу арқылы анықтау қажет.
Сандық пішіннен аудару
Сандық мәндер үшін, RIES сияқты, жабық түрдегі өрнектерді табуға тырысатын бағдарламалық қамтамасы бар, оған Maple және SymPy, Plouffe's Inverter және Inverse Symbolic Calculator кіреді.