Jump to content

Интегральный продукт

Интеграл произведения – это любой основанный на произведении аналог обычного сумме , основанного на интеграла , в исчислении . Интеграл произведения был разработан математиком Вито Вольтеррой в 1887 году для решения систем линейных дифференциальных уравнений . [1] [2]

Неофициальный эскиз

[ редактировать ]

Классический интеграл Римана от функции может быть определено соотношением

где предел берется по разбиениям интервала всем которого нормы стремятся к нулю. произведения аналогичны, но берут предел произведения от вместо предела суммы Интегралы . Их можно рассматривать как « непрерывные » версии « дискретных » продуктов . Они определяются как

Для случая интеграл произведения сводится в точности к случаю интегрирования Лебега , то есть к классическому исчислению. Таким образом, интересные случаи возникают для функций где является либо некоторой коммутативной алгеброй , такой как конечномерное матричное поле . или если является некоммутативной алгеброй . Теории для этих двух случаев, коммутативного и некоммутативного, имеют мало общего. Некоммутативный случай гораздо сложнее; требуется правильное упорядочение путей для четкого определения интеграла .

Коммутативный случай

[ редактировать ]

Для коммутативного случая в литературе распространены три различных определения: тип I, тип II или геометрический и тип III или бигеометрический . [3] [4] [5] Такие интегралы нашли применение в эпидемиологии ( оценка Каплана–Мейера ) и стохастической популяционной динамике . Геометрический интеграл вместе с геометрической производной полезен при анализе изображений. [6] и при изучении явлений роста/распада ( например , экономического роста , роста бактерий и радиоактивного распада ). [7] [8] Бигеометрический интеграл вместе с бигеометрической производной полезен в некоторых приложениях фракталов . [9] [10] [11] [12] и в теории эластичности в экономике. [3] [5] [13]

Некоммутативный случай

[ редактировать ]

Некоммутативный случай обычно возникает в квантовой механике и квантовой теории поля . Подынтегральная функция обычно является оператором, принадлежащим некоторой некоммутативной алгебре . В этом случае необходимо соблюдать осторожность, чтобы установить порядок путей при интеграции. Типичным результатом является упорядоченная экспонента . Расширение Магнуса предоставляет один из методов вычисления интеграла Вольтерра. Примеры включают расширение Дайсона , интегралы, которые встречаются в разложении произведения оператора , и линию Вильсона , интеграл произведения по калибровочному полю. Петля Вильсона — это след линии Вильсона. Интеграл произведения также встречается в теории управления как ряд Пеано-Бейкера, описывающий переходы состояний в линейных системах, записанный в основного уравнения форме .

Общий (некоммутативный) случай

[ редактировать ]

Интеграл произведения Вольтерра наиболее полезен при применении к матричным функциям или функциям со значениями в банаховой алгебре . Применительно к скалярам, ​​принадлежащим некоммутативному полю, к матрицам и операторам, то есть к математическим объектам, которые не коммутируют, интеграл Вольтерра распадается на два определения. [14]

Интеграл левого произведения равен

С этим обозначением левых продуктов (т.е. обычных продуктов, применяемых слева)

Правильный интеграл продукта

При таком обозначении правильных продуктов (т.е. примененных справа)

Где — единичная матрица, а D — разбиение интервала [a,b] в смысле Римана, т. е. предел находится в пределах максимального интервала разбиения. Обратите внимание, как в этом случае временной порядок становится очевидным в определениях.

Расширение Магнуса обеспечивает метод вычисления интеграла произведения. Он определяет версию формулы Бейкера-Кэмпбелла-Хаусдорфа для непрерывного времени .

Интеграл произведения удовлетворяет набору свойств, определяющих однопараметрическую непрерывную группу ; об этом говорится в двух статьях, показывающих применение: серия Дайсона и серия Пеано-Бейкера .

Коммутативный случай

[ редактировать ]

Коммутативный случай значительно проще, и в результате появилось большое разнообразие различных обозначений и определений. В литературе популярны три различных стиля. В этом подразделе используется продукт обозначение интеграции продукта вместо интеграла (обычно модифицированный наложенным символом времени или буквой P), предпочитаемый Вольтеррой и другими. Произвольная классификация типов принята, чтобы навести некоторый порядок в этой области.

Когда функция, подлежащая интегрированию, оценивается в действительных числах, теория сводится в точности к теории интегрирования Лебега .

Тип I: интеграл Вольтерра

[ редактировать ]

Интеграл произведения типа I соответствует первоначальному определению Вольтерры . [2] [15] [16] существует следующее соотношение Для скалярных функций :

Тип II: Геометрический интеграл

[ редактировать ]

который называется геометрическим интегралом . Логарифм четко определен, если f принимает значения в действительных или комплексных числах или если f принимает значения в коммутативном поле коммутирующих операторов трассового класса . Это определение интеграла произведения является непрерывным аналогом дискретного произведения . оператора ) и мультипликативный аналог (нормального/стандартного/ аддитивного ) интеграла ):

добавка мультипликативный
дискретный
непрерывный

Это очень полезно в стохастике где логарифм правдоподобия (т. е. логарифм интеграла произведения независимых случайных величин ) равен интегралу логарифма этих , ( бесконечно малых) случайных величин :

Тип III: Бигеометрический интеграл.

[ редактировать ]

Интеграл-произведение типа III называется бигеометрическим интегралом .

Основные результаты

[ редактировать ]

В коммутативном случае для интеграла произведения II рода (геометрического интеграла) справедливы следующие результаты.

Геометрический интеграл (тип II выше) играет центральную роль в геометрическом исчислении . [3] [4] [17] что представляет собой мультипликативное исчисление. Обратный геометрический интеграл, который является геометрической производной , обозначается , определяется с использованием следующего соотношения:

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

Основная теорема
Правило продукта
Правило частного
Закон больших чисел

где X случайная величина с распределением вероятностей F ( x ).

Сравните со стандартным законом больших чисел :

Коммутативный случай: интегралы-произведения типа Лебега

[ редактировать ]

Когда подынтегральная функция принимает значения в виде действительных чисел , с интервалами произведений становится легко работать, используя простые функции . Так же, как и в случае с лебеговой версией (классических) интегралов , можно вычислить интегралы произведения, аппроксимируя их интегралами произведения простых функций . Случай геометрических интегралов второго рода сводится в точности к случаю классического интегрирования Лебега.

Тип I: интеграл Вольтерра

[ редактировать ]

Поскольку простые функции обобщают ступенчатые функции , в дальнейшем мы будем рассматривать только частный случай простых функций, которые являются ступенчатыми функциями. Это также облегчит сравнение определения Лебега с определением Римана .

Учитывая ступенчатую функцию с соответствующим разделом и раздел с тегами

одно приближение «определения Римана» интеграла произведения типа I дается выражением [18]

как, грубо говоря, предел этих произведений . Интеграл произведения (типа I) был определен Людвигом Шлезингером в статье 1931 года [ который? ]

Другое приближение «определения Римана» интеграла произведения типа I определяется как

Когда постоянная функция , предел первого типа приближения равен второму типу приближения. [19] Обратите внимание, что в целом для ступенчатой ​​функции значение второго типа аппроксимации не зависит от разбиения, если оно является уточнением разбиения , определяющего ступенчатую функцию, тогда как значение первого типа аппроксимация действительно зависит от тонкости разбиения, даже если это уточнение разбиения, определяющего ступенчатую функцию.

Оказывается, [20] для любой интегрируемой с произведением функции , предел первого типа аппроксимации равен пределу второго типа аппроксимации. Поскольку для ступенчатых функций значение второго типа аппроксимации не зависит от тонкости разбиения для «достаточно мелких» разбиений, имеет смысл определить [21] «интеграл произведения Лебега (тип I)» ступенчатой ​​функции как

где это раздел с тегами, и снова — разбиение, соответствующее ступенчатой ​​функции . (Напротив, соответствующая величина не может быть однозначно определена с использованием первого типа приближения.)

Это легко обобщается на произвольные пространства с мерой . Если является пространством меры с мерой , то для любой интегрируемой с произведением простой функции (т.е. коническая комбинация индикаторных функций для некоторых непересекающихся измеримых множеств ), его интеграл произведения типа I определяется как

с это ценность в любой точке . В частном случае, когда , является мерой Лебега , а все измеримые множества являются интервалами , можно проверить, что это соответствует определению, данному выше для этого особого случая. Аналогично теории (классических) интегралов Лебега , интеграл произведения типа I любой интегрируемой с произведением функции может быть записано как предел возрастающей последовательности интегралов-произведений Вольтерра от простых функций, интегрируемых по произведению.

Логарифмируя функции обе части приведенного выше определения, получаем, что для любой интегрируемой с произведением простой :

где мы использовали определение интеграла для простых функций. Более того, поскольку непрерывные функции типа могут быть заменены пределами, а интеграл произведения любой интегрируемой с произведением функции равен пределу интегралов-произведений простых функций, отсюда следует, что соотношение

вообще справедливо для любого интегрируемого продукта . Это явно обобщает указанное выше свойство.

Интеграл типа I мультипликативен как функция множества . [22] что можно показать, используя указанное выше свойство. Более конкретно, учитывая интегрируемую с произведением функцию можно определить функцию множества определив для каждого измеримого множества ,

где обозначает функцию индикаторную . Тогда для любых двух непересекающихся измеримых множеств у одного есть

Это свойство можно противопоставить мерам, которые являются сигма-аддитивными функциями множества .

Однако интеграл типа I не является мультипликативным как функционал . Даны две интегрируемые с произведением функции , и измеримое множество , обычно это так

Тип II: Геометрический интеграл

[ редактировать ]

Если является пространством меры с мерой , то для любой интегрируемой с произведением простой функции (т.е. коническая комбинация индикаторных функций для некоторых непересекающихся измеримых множеств ), его интеграл произведения типа II определяется как

Это можно рассматривать как обобщение определения, данного выше.

Логарифмируя обе части, мы видим, что для любой интегрируемой с произведением простой функции :

где использовалось определение интеграла Лебега для простых функций. Это наблюдение, аналогичное уже сделанному выше для интегралов рода II, позволяет полностью свести «теорию Лебега геометрических интегралов рода II» к теории Лебега (классических) интегралов. Другими словами, поскольку непрерывные функции типа и могут быть заменены пределами, а интеграл произведения любой интегрируемой с произведением функции равен пределу некоторой возрастающей последовательности интегралов-произведений простых функций, отсюда следует, что соотношение

вообще справедливо для любого интегрируемого продукта . Это обобщает упомянутое выше свойство геометрических интегралов.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ В. Вольтерра, Б. Хостинский, Бесконечно-малые линейные операции , Готье-Виллар, Париж (1938).
  2. Перейти обратно: Перейти обратно: а б А. Славик, Интеграция продуктов, ее история и применение , ISBN   80-7378-006-2 , Матфизпресс, Прага, 2007.
  3. Перейти обратно: Перейти обратно: а б с М. Гроссман, Р. Кац, Неньютоновское исчисление , ISBN   0-912938-01-3 , Ли Пресс, 1972.
  4. Перейти обратно: Перейти обратно: а б Майкл Гроссман. Первая нелинейная система дифференциального и интегрального исчисления , ISBN   0977117006 , 1979.
  5. Перейти обратно: Перейти обратно: а б Майкл Гроссман. Бигеометрическое исчисление: система с безмасштабной производной , ISBN   0977117030 , 1983.
  6. ^ Люк Флорак и Ханс ван Ассен. «Мультипликативное исчисление в анализе биомедицинских изображений» , Журнал Mathematical Imaging and Vision, doi : 10.1007/s10851-011-0275-1 , 2011.
  7. ^ Диана Андрада Филип и Сирил Пьятецкий. «Обзор неньютоновского исчисления и его потенциальных приложений в экономике» , «Прикладная математика – журнал китайских университетов», том 28, Китайское общество промышленной и прикладной математики, Springer, 2014.
  8. ^ Агамирза Э. Баширов, Эмине Мисирли, Юджел Тандогду и Али Озяпичи. «О моделировании с помощью мультипликативных дифференциальных уравнений» , Прикладная математика - Журнал китайских университетов, том 26, номер 4, страницы 425–428, doi : 10.1007/s11766-011-2767-6 , Springer, 2011.
  9. ^ Марек Рыбачук. «Критический рост фрактальных структур в биологических системах» , Acta of Bioengineering and Biomechanics, Volume 1, Number 1, Wroclaw Technology University, 1999.
  10. ^ Марек Рыбачук, Алисия Кедзя и Витольд Зелински (2001) «Концепция физического и фрактального измерения II. Дифференциальное исчисление в многомерных пространствах» , Хаос, солитоны и фракталы , том 12, выпуск 13, октябрь 2001 г., страницы 2537–2552.
  11. ^ Анишевская, Дорота (октябрь 2007 г.). «Мультипликативные методы Рунге – Кутты». Нелинейная динамика . 50 (1–2): 265–272. дои : 10.1007/s11071-006-9156-3 . S2CID   120404112 .
  12. ^ Дорота Анишевска и Марек Рыбачук (2005) «Анализ мультипликативной системы Лоренца» , Хаос, солитоны и фракталы Том 25, выпуск 1, июль 2005 г., страницы 79–90.
  13. ^ Фернандо Кордова-Лепе. «Мультипликативная производная как мера эластичности в экономике» , TMAT Revista Latinoamericana de Ciencias e Ingeniería, Том 2, Номер 3, 2006.
  14. ^ Чередников Игорь Олегович; Мертенс, Том; Ван дер Векен, Фредерик (2 декабря 2019 г.). Линии Вильсона в квантовой теории поля . ISBN  9783110651690 .
  15. ^ Доллард, Джей Ди; Фридман, Китай (1979). Интеграция продукта с приложениями к дифференциальным уравнениям . Эддисон Уэсли. ISBN  0-201-13509-4 .
  16. ^ Гантмахер, Франция (1959). Теория матриц . Том. 1 и 2.
  17. ^ А.Е. Баширов, Э.М. Курпынар, А. Озяпыджи. Мультипликативное исчисление и его приложения , Журнал математического анализа и приложений, 2008.
  18. ^ А. Славик, Интеграция продуктов, ее история и применение , с. 65. Матфизпресс, Прага, 2007. ISBN   80-7378-006-2 .
  19. ^ А. Славик, Интеграция продуктов, ее история и применение , с. 71. Матфизпресс, Прага, 2007. ISBN   80-7378-006-2 .
  20. ^ А. Славик, Интеграция продуктов, ее история и применение , с. 72. Матфизпресс, Прага, 2007. ISBN   80-7378-006-2 .
  21. ^ А. Славик, Интеграция продуктов, ее история и применение , с. 80. Матфизпресс, Прага, 2007. ISBN   80-7378-006-2
  22. ^ Гилл, Ричард Д., Сорен Йохансен. «Обзор интеграции продуктов с точки зрения их применения в анализе выживания» . Анналы статистики 18, вып. 4 (декабрь 1990 г.): 1501–555, с. 1503.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 641056c75b1f360c36f50f54b9a03bc4__1716796680
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/64/c4/641056c75b1f360c36f50f54b9a03bc4.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Product integral - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)