Кіріспе

Градиенттік теорема, сонымен қатар, сызықтық интегралдар үшін математиканың негізгі теоремасы деп аталады, ол градиенттік өріс арқылы сызықтық интегралды қисықтың соңғы нүктелеріндегі бастапқы скалярлық өрісті бағалау арқылы бағалауға болады. Теорема - тек нақты түзудің орнына жазықтықтағы немесе кеңістіктегі (әдетте n өлшемді) кез келген қисыққа калькульдің екінші негізгі теоремасының жалпылауы. Егер φ: U 'R'^(n) → 'R' дифференциалданған функция болса және γ U-дағы дифференциалданған қисық болса, ол 'p' нүктесінен басталып, 'q' нүктесінде аяқталады, онда φ φ градиент векторлы өрісін білдіреді. Градиенттік теорема градиенттік өрістер арқылы өтетін түзу интегралдар жолға тәуелсіз екенін білдіреді. Физикада бұл теорема консервативті күшті анықтаудың бір жолы болып табылады. φ потенциалды ретінде орналастыра отырып, φ консервативті өріс болып табылады. Консервативті күштердің жұмысы объектінің жүріп өткен жолына емес, тек жоғарыда көрсетілгендей, соңғы нүктелеріне байланысты. Градиенттік теореманың қызықты керісі бар: кез келген жолға тәуелсіз векторлық өріс скалярлық өрістің градиенті ретінде білдірілуі мүмкін. Градиенттік теореманың өзі сияқты, бұл керісінше көптеген таңқаларлық салдарлары мен қолданбалары бар таза және қолданбалы математикада.

Дәлел

Егер φ - U 'R'^(n) -ға дейінгі ашық қосалқы жиынның дифференциалдалатын функциясы болса, ал 'r' - U-ға дейінгі кейбір жабық интервалдың [a, b] -ға дейінгі дифференциалдалатын функциясы (көңілге сала кетейік, 'r' - интервалдың a және b соңғы нүктелерінде дифференциалдалатын функция. Бұл үшін "r" интервалы [a, b] -ден үлкен және оған [a, b] кіреді. ), онда көпвариантлы тізбек ережесі бойынша φ 'r' құрама функциясы [a, b] -де дифференциацияланады: барлық t үшін [a, b]. Мұнда ⋅ әдеттегі ішкі көбейтіндісін білдіреді. Енді φ U доменінде 'p' және 'q' нүктелері бар γ дифференциалданған қисық бар деп болжам жасайық. (Бұл "p" - "q" бағытында бағытталған). Егер 'r' [a, b] -дегі t үшін γ параметрлерін белгілесе (яғни 'r' γ-ны t функциясы ретінде білдіреді), онда бірінші теңдікте түзу интегралдың анықтамасы қолданылған кезде, жоғарыда келтірілген теңдеу екінші теңдікте, ал екінші фундаментальды теорема үшінші теңдікте қолданылады. Градиенттік теорема (сызық интегралдар үшін математикалық есептеудің негізгі теоремасы деп те аталады) дифференциалданған (осылайша тегіс болып көрінген) қисық үшін дәлелденсе де, теорема бөлшекті тегіс қисық үшін де дәлелденген, өйткені бұл қисық бірнеше дифференциалданған қисықтарды біріктіру арқылы жасалады, сондықтан бұл қисық үшін дәлел дифференциалданған қисық компоненті бойынша дәлелденген.

2-ші мысал

Абстрактілірек мысал үшін γ 'R'^(n) -ның 'p', 'q' нүктелері бар, ал 'p' -дан 'q' -ға қарай бағытталады деп есептеңіз. R^{n}-дағы "u" үшін "u" евклидтік нормасын белгілейік. Егер α ≥ 1 нақты сан болса, онда А ≥ 1 болса, функция 'R' ^ n) бойынша дифференциалданғандықтан, ақтық теңдік градиент теоремасы бойынша жасалады. Егер α < 1 болса, онда бұл теңдік көп жағдайда сақталады, бірақ γ шығу тегі арқылы өтіп немесе оны қоршап алса, абай болу керек, өйткені интеграл векторлы өріс онда анықталмайды. Алайда, 1=α = −1 жағдайы біршама өзгеше; бұл жағдайда интеграл , болып шығады, сондықтан соңғы теңдік болады.

Градиенттік теореманың керісі

Градиенттік теорема егер "F" векторлық өрісі қандай да бір скалярлық функцияның градиенті болса (яғни, егер "F" консервативті болса), онда "F" жолға тәуелсіз векторлық өріс (яғни, "F" интегралы) кейбір бөлшектік дифференциалдық қисық бойынша тек соңғы нүктелерге тәуелді). Бұл теореманың күшті керісі бар: егер және тек егер векторлық өрістің интегралы оның доменіндегі әрбір жабық цикл бойынша нөл болса, векторлық өрістің жолға тәуелсіз екенін көрсету қарапайым. Осылайша, керісінше келесідей болуы мүмкін: Егер "F" доменіндегі әрбір жабық циклдің "F" интегралы нөл болса, онда "F" - кейбір скалярлық функцияның градиенті.

Керісінше дәлелдеу

U - R'^{n}-ның ашық, жолмен байланысты қосалқы жиынтығы, ал F: U → R'^{n} - үздіксіз және жолға тәуелсіз векторлық өріс. U-дың 'a' элементін орнатыңыз және f: U → 'R' арқылы анықтаңыз. Мұнда γ['a', 'x'] - U-дағы кез келген (айырмаланатын) қисық, ол 'a'-дан басталып, 'x'-де аяқталады. Біз f дұрыс анықталғанын білеміз, өйткені 'F' жолға тәуелсіз. "V" R^{n}-дағы нөлден басқа кез келген вектор болсын. Бағытты туындының анықтамасы бойынша, соңғы шекте интегралды есептеу үшін γ['x', 'x' + t'v' параметрлерін белгілеу керек. 'F' жолға тәуелсіз болғандықтан, U ашық, және t нөлге жақындап келеді, біз бұл жолды тура сызық деп қабылдауымыз мүмкін және оны 1 = 'u' ((s) = 'x' + s'v' ретінде параметрлейміз 0 < s < t. Енді, 1 = 'u ((s) = 'v' болғандықтан, шекті болады, онда бірінші теңдік туындының анықтамасынан, интеграл 0-ға тең t = 0 деген фактпен, ал екінші теңдік - калькульдің бірінші негізгі теоремасынан. Осылайша, бізде ∂'v'f формуласы бар, (бағытты туындыны бейнелеудің бір жолы) онда 'v' кездейсоқ; үшін (оның жоғарыдағы толық анықтамасын қараңыз), оның 'v' бойынша бағытты туындысы, бірінші екі теңдіктер бағытты туындының әртүрлі бейнелеуін көрсетеді. Скалярлық функция f, , градиентінің анықтамасы бойынша біз скалярлық бағаланған функция f таптық, оның градиенті жолға тәуелсіз векторлық өріс 'F' (яғни, 'F' - консервативті векторлық өріс. ), қалағандай.

Кері принциптің мысалы

Бұл принциптің күшін түсіндіру үшін, біз физикалық салдарлары бар мысалды келтіреміз. Классикалық электромагнетизмде электр күші жолға тәуелсіз күш болып табылады; яғни электр өрісі ішіндегі бастапқы орнына оралған бөлшекте жасалған жұмыс нөлге тең (ауыспалы магнит өрістері жоқ деп есептегенде). Сондықтан жоғарыда келтірілген теорема электрлік күш өрісі "F'e: S → 'R'^(3) консервативті екенін білдіреді (осы жерде S - зарядты бөлуді қамтитын "R'^(3) қандай да бір ашық, жолды байланысты қосалқы жиынтығы). Жоғарыда көрсетілген дәлелдемеден кейін біз S-те 'a' анықтама нүктесін орнатамыз және Ue функциясын анықтаймыз: S → 'R' жоғарыда көрсетілген дәлелдемені пайдаланып, Ue жақсы анықталған және дифференциалданған және 1 = 'F'e = −Ue (бұл формуладан біз градиент теоремасын консервативті күштер жасаған жұмысты есептеудің белгілі формуласын оңай шығаруға пайдалана аламыз: 1 = W = −ΔU). Бұл Ue функциясы S-тегі зарядтар жүйесінің электростатикалық потенциалдық энергиясы деп аталады (потенциалдың нөлге сілтемесімен). Көп жағдайда S аймағы шексіз деп есептеледі, ал "a" эталондық нүктесі "бұтқырлық" деп қабылданады, оны шектеу техникаларын қолдану арқылы қатаң түрде жасауға болады. Бұл функция Ue көптеген физикалық жүйелерді талдау кезінде қолданылатын өте маңызды құрал болып табылады.

Жалпылау

Векторлық есептеудің көптеген сын теоремалары дифференциалдық формалардың интеграциясы туралы тұжырымдарға елегантты түрде жалпылайды. Дифференциалдық нысандар мен сыртқы туындылар тілінде градиент теоремасы кез келген 0 нысан үшін, φ, белгілі бір дифференциалдық қисықтағы γ 'R' ^ n) (мұнда φ-ның γ шекарасындағы интегралы φ-ның γ-ның соңғы нүктелеріндегі бағалауы деп түсініледі) деп айтады. Бұл мәлімдеме мен жалпыланған Стокс теоремасының арасындағы таңғажайып ұқсастықты байқаңыз, онда қандай да бір бағытты көптүрліліктің шекарасында ω кез келген тығыз негізделген дифференциалдық нысанның интегралы оның сыртқы туындысының интегралына тең dω бүкіл Ω-да, яғни, Бұл қуатты мәлімдеме градиент теоремасының жалпылануы болып табылады. Градиенттік теореманың кері мәлімдемесінің де дифференциалдық формалар тұрғысынан көптүрлілікте күшті жалпылануы бар. Әсіресе, ω - бұл жиырылатын доменде анықталған форма және ω-ның кез келген жабық көптіктегі интегралы нөл. Онда 1=ω = dψ болатын ψ түрі бар. Осылайша, ықшамдалатын доменде әрбір жабық нысан дәл болады. Бұл нәтиже Пуанакаре леммасымен түйінделеді.