Теорема о неявной функции

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

В исчислении многих переменных теорема о неявной функции [а] — инструмент, позволяющий отношения преобразовывать в функции нескольких действительных переменных . Это достигается путем представления отношения в виде графика функции . Не может существовать ни одной функции, график которой мог бы представлять все отношение, но может существовать такая функция на ограничении области определения отношения. Теорема о неявной функции дает достаточное условие существования такой функции.

Точнее, для данной системы m уравнений f i ( x 1 , ..., x n , y 1 , ..., y m ) = 0, i = 1, ..., m (часто сокращенно F ( x , y ) = 0 ), теорема утверждает, что при мягком условии на частные производные (относительно каждого y i ) в точке m переменных y i являются дифференцируемыми функциями x j в окрестности некоторой точка. Поскольку эти функции, как правило, не могут быть выражены в замкнутой форме , они неявно определяются уравнениями, что и послужило причиной названия теоремы. [1]

Другими словами, при мягком условии на частные производные множество нулей системы уравнений локально является графиком функции .

История [ править ]

Огюстену-Луи Коши (1789–1857) приписывают первую строгую форму теоремы о неявной функции. Улисс Дини (1845–1918) обобщил версию теоремы о неявной функции для действительных переменных на контекст функций любого числа действительных переменных. [2]

Первый пример [ править ]

Единичный круг можно задать как кривую уровня f ( x , y ) = 1 функции f ( x , y ) = x 2 + и 2 . Вокруг точки A y можно выразить как функцию y ( x ) . В этом примере эту функцию можно записать явно как во многих случаях такого явного выражения не существует, но все равно можно сослаться на неявную функцию y ( x ) . Вблизи точки B такой функции не существует.

Если мы определим функцию f ( x , y ) = x 2 + и 2 , то уравнение f ( x , y ) = 1 вырезает единичную окружность как множество уровня {( x , y ) | ж ( Икс , y ) знак равно 1} . Невозможно представить единичный круг как график функции одной переменной y = g ( x ), поскольку для каждого выбора x ∈ (−1, 1) существует два выбора y , а именно .

круга можно представить Однако часть в виде графика функции одной переменной. Если мы позволим для −1 ≤ x ≤ 1 , то график y = g 1 ( x ) представляет собой верхнюю половину круга. Аналогично, если , то график y = g 2 ( x ) дает нижнюю половину круга.

Цель теоремы о неявной функции — сообщить нам, что такие функции, как g 1 ( x ) и g 2 ( x ), почти всегда существуют, даже в ситуациях, когда мы не можем записать явные формулы. Он гарантирует, что g 1 ( x ) и g 2 ( x ) дифференцируемы, и работает даже в ситуациях, когда у нас нет формулы для f ( x , y ) .

Определения [ править ]

Позволять быть непрерывно дифференцируемой функцией. Мы думаем о как декартово произведение и мы пишем точку этого продукта как Начиная с заданной функции , наша цель — построить функцию чей график это именно набор всех такой, что .

Как отмечалось выше, это не всегда возможно. Поэтому мы остановимся на одном моменте который удовлетворяет , и мы попросим это работает рядом с точкой . Другими словами, нам нужен открытый набор содержащий , открытый набор содержащий и функция такой, что график удовлетворяет отношению на , и что никакие другие точки внутри Сделай так. В символах,

Чтобы сформулировать теорему о неявной функции, нам нужна Якоби матрица , которая является матрицей производных частных . Сокращение к , матрица Якобиана равна

где – матрица частных производных по переменным и – матрица частных производных по переменным . Теорема о неявной функции гласит, что если обратимая матрица, то существуют , , и по желанию. Совокупность всех гипотез дает следующее утверждение.

Формулировка теоремы [ править ]

Позволять непрерывно дифференцируемая функция , и пусть есть координаты . Исправить точку с , где – нулевой вектор. Если матрица Якобиана (это правая панель матрицы Якоби, показанная в предыдущем разделе):

обратима , то существует открытое множество содержащий такая, что существует единственная функция такой, что , и . Более того, непрерывно дифференцируема и обозначает левую панель матрицы Якоби, показанную в предыдущем разделе, как:
матрица Якоби частных производных в определяется матричным произведением : [3]

Высшие производные [ править ]

Если, кроме того, является аналитическим или непрерывно дифференцируемым раз в окрестностях , то можно выбрать для того, чтобы то же самое справедливо и для внутри . [4] В аналитическом случае это называется теоремой об аналитической неявной функции .

Доказательство для 2D случая [ править ]

Предполагать — непрерывно дифференцируемая функция, определяющая кривую . Позволять быть точкой на кривой. Утверждение приведенной выше теоремы для этого простого случая можно переписать следующим образом:

Теорема Если

тогда в окрестности точки мы можем написать , где это реальная функция.

Доказательство. Поскольку F дифференцируема, запишем дифференциал F через частные производные:

Поскольку мы ограничены движением по кривой и по предположению вокруг точки является непрерывным в и ). Таким образом, мы имеем обыкновенное дифференциальное уравнение первого порядка :

Теперь ищем решение этого ОДУ в открытом интервале вокруг точки для которого в каждой его точке . Поскольку F непрерывно дифференцируема и по предположению имеем

Отсюда мы знаем, что непрерывна и ограничена с обоих концов. Отсюда мы знаем, что липшицева непрерывна как по x , так и по y . Следовательно, по теореме Коши-Липшица существует единственный y ( x ), который является решением данного ОДУ с начальными условиями. КЭД

Пример круга [ править ]

Вернемся к примеру единичного круга . В этом случае n = m = 1 и . Матрица частных производных представляет собой просто матрицу размером 1 × 2, определяемую формулой

Таким образом, здесь Y в формулировке теоремы — это просто число 2 b ; определяемое им линейное отображение обратимо тогда и только тогда, когда b ≠ 0 . По теореме о неявной функции мы видим, что мы можем локально записать окружность в виде y = g ( x ) для всех точек, где y ≠ 0 . Как отмечалось ранее, при (±1, 0) мы сталкиваемся с проблемой. Теорему о неявной функции все еще можно применить к этим двум точкам, записав x как функцию от y , то есть: ; теперь график функции будет , поскольку при b = 0 имеем a = 1 , и условия локального выражения функции в этой форме выполняются.

Неявная производная y по x и x по y может быть найдена путем полного дифференцирования неявной функции и приравнивая 0:

предоставление
и

Применение: изменение координат [ править ]

Предположим, у нас есть m -мерное пространство, параметризованное набором координат . Мы можем ввести новую систему координат предоставив m функций каждое из которых непрерывно дифференцируемо. Эти функции позволяют нам вычислить новые координаты точки, учитывая старые координаты точки с использованием . Возможно, кто-то захочет проверить, возможно ли обратное: заданные координаты , можем ли мы «вернуться назад» и вычислить исходные координаты той же точки ? Теорема о неявной функции даст ответ на этот вопрос. Координаты (новые и старые) связаны соотношением f = 0, причем

Теперь матрица Якоби функции f в определенной точке ( a , b ) [где ] дан кем-то
где I m обозначает m × m единичную матрицу размера , а J m × m матрицу частных производных размера , оцененную в ( a , b ). (Выше эти блоки обозначались X и Y. Так получилось, что в этом конкретном применении теоремы ни одна матрица не зависит от a .) Теорема о неявной функции теперь утверждает, что мы можем локально выразить как функция если J обратим. Требование, чтобы J был обратимым, эквивалентно тому, что det J ≠ 0, поэтому мы видим, что мы можем вернуться от координат со штрихом к координатам без штриха, если определитель якобиана J отличен от нуля. Это утверждение также известно как теорема об обратной функции .

Пример: полярные координаты [ править ]

В качестве простого применения вышеизложенного рассмотрим плоскость, параметризованную полярными координатами ( R , θ ) . Мы можем перейти к новой системе координат ( декартовы координаты ), определив функции x ( R , θ ) = R cos( θ ) и y ( R , θ ) = R sin( θ ) . Это позволяет по любой точке ( R , θ ) найти соответствующие декартовы координаты ( x , y ) . Когда мы сможем вернуться и преобразовать декартовы координаты в полярные координаты? В предыдущем примере достаточно, чтобы det J ≠ 0 , причем

Поскольку det J = R , преобразование обратно в полярные координаты возможно, если R ≠ 0 . Итак, осталось проверить случай R = 0 . Легко видеть, что в случае R = 0 наше преобразование координат не обратимо: в начале координат значение θ не определено четко.

Обобщения [ править ]

Банахова космическая версия [ править ]

На основе теоремы об обратной функции в банаховом пространстве можно распространить теорему о неявной функции на отображения со значениями в банаховом пространстве. [5] [6]

Пусть X , Y , Z банаховы пространства . Пусть отображение f : X × Y Z непрерывно дифференцируемо по Фреше . Если , , и является изоморфизмом банахового пространства из Y на Z , то существуют окрестности U точки x 0 и V точки y 0 и дифференцируемая по Фреше функция g : U V такие, что f ( x , g ( x )) = 0 и f ( x , y ) = 0 тогда и только тогда, когда y = g ( x ), для всех .

Неявные функции из недифференцируемых функций [ править ]

Существуют различные формы теоремы о неявной функции для случая, когда функция f недифференцируема. Обычно в одном измерении достаточно локальной строгой монотонности. [7] Следующая более общая форма была доказана Кумагаем на основе наблюдения Джитторнтрума. [8] [9]

Рассмотрим непрерывную функцию такой, что . Если существуют открытые кварталы и x 0 и всех y 0 соответственно, такие, что для y в B , локально взаимно однозначен, то существуют открытые окрестности и x 0 и , y 0 такие, что для всех , уравнение f ( x , y ) = 0 имеет единственное решение

где g — непрерывная функция из B 0 в A 0 .

Разрушение коллекторов [ править ]

Теорема Перельмана о коллапсе для трехмерных многообразий Терстона , краеугольный камень его доказательства гипотезы геометризации , может быть понята как расширение теоремы о неявной функции. [10]

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Также называется в теоремой Дини Пизанской школе в Италии. В англоязычной литературе теорема Дини представляет собой отдельную теорему математического анализа.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Чан, Альфа К. (1984). Фундаментальные методы математической экономики (3-е изд.). МакГроу-Хилл. стр. 204–206 . ISBN  0-07-010813-7 .
  2. ^ Кранц, Стивен; Паркс, Гарольд (2003). Теорема о неявной функции . Современная классика Биркгаузера. Биркгаузер. ISBN  0-8176-4285-4 .
  3. ^ де Оливейра, Освальдо (2013). «Теоремы о неявной и обратной функциях: простые доказательства». Настоящий анал. Обмен . 39 (1): 214–216. arXiv : 1212.2066 . дои : 10.14321/realanalexch.39.1.0207 . S2CID   118792515 .
  4. ^ Фриче, К.; Грауэрт, Х. (2002). От голоморфных функций к комплексным многообразиям . Спрингер. п. 34. ISBN  9780387953953 .
  5. ^ Ланг, Серж (1999). Основы дифференциальной геометрии . Тексты для аспирантов по математике. Нью-Йорк: Спрингер. стр. 15–21 . ISBN  0-387-98593-Х .
  6. ^ Эдвардс, Чарльз Генри (1994) [1973]. Расширенное исчисление нескольких переменных . Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. стр. 417–418. ISBN  0-486-68336-2 .
  7. ^ Кудрявцев, Лев Дмитриевич (2001) [1994], «Неявная функция» , Энциклопедия Математики , EMS Press
  8. ^ Джитторнтрум, К. (1978). «Теорема о неявной функции». Журнал теории оптимизации и приложений . 25 (4): 575–577. дои : 10.1007/BF00933522 . S2CID   121647783 .
  9. ^ Кумагай, С. (1980). «Теорема о неявной функции: комментарий». Журнал теории оптимизации и приложений . 31 (2): 285–288. дои : 10.1007/BF00934117 . S2CID   119867925 .
  10. ^ Цао, Цзяньго; Ге, Цзянь (2011). «Простое доказательство теоремы Перельмана о коллапсе для трехмерных многообразий». Дж. Геом. Анал . 21 (4): 807–869. arXiv : 1003.2215 . дои : 10.1007/s12220-010-9169-5 . S2CID   514106 .

Дальнейшее чтение [ править ]