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.
The gradient theorem, also known as the fundamental theorem of calculus for line integrals, says that a line integral through a gradient field can be evaluated by evaluating the original scalar field at the endpoints of the curve. The theorem is a generalization of the second fundamental theorem of calculus to any curve in a plane or space (generally n dimensional) rather than just the real line. If φ : U ⊆ 'R'^(n) → 'R' is a differentiable function and γ a differentiable curve in U which starts at a point 'p' and ends at a point 'q', then
where ∇φ denotes the gradient vector field of φ. The gradient theorem implies that line integrals through gradient fields are path independent. In physics this theorem is one of the ways of defining a conservative force. By placing φ as potential, ∇φ is a conservative field. Work done by conservative forces does not depend on the path followed by the object, but only the end points, as the above equation shows. The gradient theorem also has an interesting converse: any path independent vector field can be expressed as the gradient of a scalar field. Just like the gradient theorem itself, this converse has many striking consequences and applications in both pure and applied mathematics.
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.
for all t in [a, b]. Here the ⋅ denotes the usual inner product. Now suppose the domain U of φ contains the differentiable curve γ with endpoints 'p' and 'q'. (This is oriented in the direction from 'p' to 'q'). If 'r' parametrizes γ for t in [a, b] (i. e., 'r' represents γ as a function of t), then
where the definition of a line integral is used in the first equality, the above equation is used in the second equality, and the second fundamental theorem of calculus is used in the third equality. Even if the gradient theorem (also called fundamental theorem of calculus for line integrals) has been proved for a differentiable (so looked as smooth) curve so far, the theorem is also proved for a piecewise smooth curve since this curve is made by joining multiple differentiable curves so the proof for this curve is made by the proof per differentiable curve component.
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.
Here the final equality follows by the gradient theorem, since the function is differentiable on 'R'^(n) if α ≥ 1. If α < 1 then this equality will still hold in most cases, but caution must be taken if γ passes through or encloses the origin, because the integrand vector field will fail to be defined there. However, the case 1=α = −1 is somewhat different; in this case, the integrand becomes , so that the final equality becomes
Note that if 1=n = 1, then this example is simply a slight variant of the familiar power rule from single variable calculus.
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.
It is straightforward to show that a vector field is path independent if and only if the integral of the vector field over every closed loop in its domain is zero. Thus the converse can alternatively be stated as follows: If the integral of 'F' over every closed loop in the domain of 'F' is zero, then 'F' is the gradient of some scalar valued function.
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.
Using the above proof, we know Ue is well defined and differentiable, and 1='F'e = −∇Ue (from this formula we can use the gradient theorem to easily derive the well known formula for calculating work done by conservative forces: 1=W = −ΔU). This function Ue is often referred to as the electrostatic potential energy of the system of charges in S (with reference to the zero of potential 'a'). In many cases, the domain S is assumed to be unbounded and the reference point 'a' is taken to be "infinity", which can be made rigorous using limiting techniques. This function Ue is an indispensable tool used in the analysis of many physical systems.
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.
for any 0 form, ϕ, defined on some differentiable curve γ ⊂ 'R'^(n) (here the integral of ϕ over the boundary of the γ is understood to be the evaluation of ϕ at the endpoints of γ). Notice the striking similarity between this statement and the generalized Stokes’ theorem, which says that the integral of any compactly supported differential form ω over the boundary of some orientable manifold Ω is equal to the integral of its exterior derivative dω over the whole of Ω, i. e.,
This powerful statement is a generalization of the gradient theorem from 1 forms defined on one dimensional manifolds to differential forms defined on manifolds of arbitrary dimension. The converse statement of the gradient theorem also has a powerful generalization in terms of differential forms on manifolds. In particular, suppose ω is a form defined on a contractible domain, and the integral of ω over any closed manifold is zero. Then there exists a form ψ such that 1=ω = dψ. Thus, on a contractible domain, every closed form is exact. This result is summarized by the Poincaré lemma.