อ่าน 10 นาที
ความแตกต่างที่แน่นอน
ในแคลคูลัสหลายตัวแปร อนุพันธ์หรือรูปแบบอนุพันธ์จะเรียกว่าเป็น อนุพันธ์ ที่แม่นยำหรือสมบูรณ์ ( อนุพันธ์ที่แม่นยำ )...
ความแตกต่างที่แน่นอน
ในแคลคูลัสหลายตัวแปร อนุพันธ์หรือรูปแบบอนุพันธ์จะเรียกว่าเป็น อนุพันธ์ ที่แม่นยำหรือสมบูรณ์ ( อนุพันธ์ที่แม่นยำ ) ซึ่งแตกต่างจากอนุพันธ์ที่ไม่แม่นยำหากอนุพันธ์นั้นเท่ากับอนุพันธ์ทั่วไปสำหรับฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ บางฟังก์ชัน ในระบบพิกัดเชิงตั้งฉาก (ดังนั้น จึงเป็นฟังก์ชันหลายตัวแปรที่ตัวแปรเป็นอิสระต่อกันซึ่งเป็นสิ่งที่คาดหวังได้เสมอเมื่อพิจารณาในแคลคูลัสหลายตัวแปร )
อนุพันธ์ที่แน่นอนบางครั้งเรียกว่าอนุพันธ์รวมหรืออนุพันธ์เต็มหรือในการศึกษาเรขาคณิตเชิงอนุพันธ์จะเรียกว่า รูปแบบ ที่ แน่นอน
อินทิกรัลของอนุพันธ์ที่แม่นยำเหนือเส้นทางอินทิกรัลใดๆจะไม่ขึ้นกับเส้นทางและข้อเท็จจริงนี้ถูกนำมาใช้เพื่อระบุฟังก์ชันสถานะในอุณหพลศาสตร์
ภาพรวม
คำนิยาม
แม้ว่าเราจะทำงานในสามมิติที่นี่ แต่นิยามของอนุพันธ์ที่แน่นอนสำหรับมิติอื่น ๆ ก็มีโครงสร้างคล้ายคลึงกับนิยามในสามมิติ ในสามมิติ รูปแบบประเภทนี้ เรียกว่ารูปแบบอนุพันธ์รูปแบบนี้เรียกว่าอนุพันธ์ที่แน่นอนบนโดเมนเปิดในปริภูมิ ถ้ามีฟังก์ชันสเกลาร์ที่หาอนุพันธ์ได้ บางฟังก์ชัน ที่กำหนดบน โดเมน นั้น โดยที่ ตลอดทั้ง โดเมน โดย ที่เป็นพิกัดตั้งฉาก (เช่นพิกัดคาร์ทีเซียนพิกัดทรงกระบอกหรือพิกัดทรงกลม ) กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในโดเมนเปิดบางส่วนของปริภูมิ รูปแบบอนุพันธ์จะเป็นอนุพันธ์ที่แน่นอนถ้ามันเท่ากับอนุพันธ์ทั่วไปของฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ในระบบพิกัดตั้งฉาก
ตัวเลขห้อยที่อยู่นอกวงเล็บในนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ ข้างต้น บ่งบอกว่าตัวแปรใดบ้างที่ถูกคงที่ไว้ในระหว่างการหาอนุพันธ์ เนื่องจากนิยามของอนุพันธ์ย่อยตัวเลขห้อยเหล่านี้จึงไม่จำเป็น แต่แสดงไว้อย่างชัดเจนในที่นี้เพื่อเป็นการย้ำเตือน
ความเป็นอิสระของเส้นทางอินทิกรัล
อนุพันธ์ที่แน่นอนสำหรับฟังก์ชันสเกลาร์ที่หาอนุพันธ์ได้ซึ่งกำหนดไว้ในโดเมนเปิดนั้นเท่ากับโดยที่คือเกรเดียนต์ของแทนผลคูณสเกลาร์และคือเวกเตอร์การกระจัดเชิงอนุพันธ์ทั่วไป หากใช้ระบบพิกัดเชิงตั้งฉาก ถ้าอยู่ในระดับความสามารถในการหาอนุพันธ์( หาอนุพันธ์ได้อย่างต่อเนื่อง ) แล้วจะเป็นสนามเวกเตอร์อนุรักษ์สำหรับศักย์ที่สอดคล้องกัน ตามนิยาม สำหรับปริภูมิสามมิติ สามารถสร้าง นิพจน์เช่นและ ได้
ทฤษฎีบทเกรเดียนต์กล่าวว่า
ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับว่าเลือกเส้นทางอินทิกรัลใดระหว่างจุดปลายของเส้นทางที่กำหนด ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าอินทิกรัลของอนุพันธ์ที่แม่นยำนั้นเป็นอิสระจากการเลือกเส้นทางอินทิกรัลระหว่างจุดปลายของเส้นทางที่กำหนด(ความเป็นอิสระของเส้นทาง )
สำหรับปริภูมิสามมิติ ถ้ากำหนดบนโดเมนเปิดแล้ว มีค่าอยู่ในชั้นความสามารถในการหาอนุพันธ์ (หรือเทียบเท่ากับ) แล้ว ความเป็นอิสระของเส้นทางอินทิกรัลนี้สามารถพิสูจน์ได้โดยใช้เอกลักษณ์แคลคูลัสเวกเตอร์และทฤษฎีบทของสโตกส์
สำหรับวงปิดอย่างง่ายที่มีพื้นผิวเรียบที่วางแนวอยู่ภายใน หากโดเมนเปิดเป็นพื้นที่เปิดที่เชื่อมต่อกันอย่างง่าย (โดยคร่าวๆ คือพื้นที่เปิดชิ้นเดียวที่ไม่มีรูอยู่ภายใน) แล้วสนามเวกเตอร์ที่ไม่หมุนใดๆ (นิยามว่าเป็นสนามเวกเตอร์ที่มี curl เป็นศูนย์ กล่าวคือ) จะมีความเป็นอิสระจากเส้นทางตามทฤษฎีบทของ Stokes ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าในบริเวณเปิดที่เชื่อมต่อกันอย่างง่ายสนามเวกเตอร์ใดๆ ที่มีคุณสมบัติความเป็นอิสระจากเส้นทาง (ดังนั้นจึงเป็นสนามเวกเตอร์อนุรักษ์) จะต้องไม่หมุนด้วย และในทางกลับกันความเท่าเทียมกันของสนามเวกเตอร์ที่ไม่หมุนและสนามเวกเตอร์อนุรักษ์แสดงไว้ที่นี่
ฟังก์ชันสถานะทางเทอร์โมไดนามิก
ในอุณหพลศาสตร์เมื่อเป็นค่าที่แน่นอน ฟังก์ชันจะเป็นฟังก์ชันสถานะของระบบ: ฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ที่ขึ้นอยู่กับสถานะสมดุล ปัจจุบันเท่านั้น ไม่ขึ้นอยู่กับเส้นทางที่ใช้ในการไปถึงสถานะนั้นพลังงานภายในเอนโทรปี เอนทัลปีพลังงานอิสระของเฮล์มโฮลทซ์และพลังงานอิสระของกิบส์ ล้วนเป็นฟังก์ชันสถานะโดยทั่วไปแล้วงานและความร้อนไม่ใช่ฟังก์ชันสถานะ (หมายเหตุ: มักใช้แทนความร้อนในฟิสิกส์ ไม่ควรสับสนกับการใช้ในบทความนี้ก่อนหน้านี้ในฐานะพารามิเตอร์ของอนุพันธ์ที่แน่นอน)
มิติเดียว
ในมิติหนึ่ง รูปแบบเชิงอนุพันธ์
จะเป็นเมทริกซ์ที่แม่นยำก็ต่อเมื่อเมท ริกซ์นั้น มีอนุพันธ์ผกผัน (แต่ไม่จำเป็นต้องเป็นอนุพันธ์ผกผันในรูปของฟังก์ชันพื้นฐาน ) ถ้าเมทริกซ์นั้นมีอนุพันธ์ผกผัน และให้เป็นอนุพันธ์ผกผันของดังนั้น เมทริกซ์นั้น จึงตรงตามเงื่อนไขความแม่นยำอย่างเห็นได้ชัด ถ้า เมทริกซ์นั้น ไม่มีอนุพันธ์ผกผัน เราจะไม่สามารถเขียนโดยที่สำหรับฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ดังนั้นเมทริกซ์นั้นจึงไม่แม่นยำ
สองและสามมิติ
เนื่องจากสมมาตรของอนุพันธ์อันดับสองสำหรับฟังก์ชัน ใดๆ ที่ "มีพฤติกรรมที่ดี" (ไม่ ผิดปกติ ) เราจะได้ว่า
ดังนั้น ในบริเวณที่เชื่อมต่อกันอย่างง่ายRของ ระนาบ xyซึ่งเป็นอิสระ[ 1 ]รูปแบบเชิงอนุพันธ์
จะเป็นอนุพันธ์ที่แม่นยำก็ต่อเมื่อสมการ
ถ้าเป็นอนุพันธ์ที่แม่นยำ ดังนั้นและแล้วเป็นฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ (ต่อเนื่องอย่างราบรื่น) ตามและดังนั้นถ้าเป็นจริง แล้วและเป็นฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ (ต่อเนื่องอย่างราบรื่น) ตามและตามลำดับ และเป็นเพียงกรณีเดียวเท่านั้น
สำหรับสามมิติ ในบริเวณที่เชื่อมต่อกันอย่างง่ายRของ ระบบพิกัด xyzด้วยเหตุผลที่คล้ายคลึงกัน อนุพันธ์
อนุพันธ์เชิงสมบูรณ์ก็ต่อเมื่อ มีความสัมพันธ์ ระหว่างฟังก์ชันA , BและC ดังนี้
- ; ;
เงื่อนไขเหล่านี้เทียบเท่ากับประโยคต่อไปนี้: ถ้าGเป็นกราฟของฟังก์ชันเวกเตอร์นี้แล้ว สำหรับเวกเตอร์สัมผัสX , Y ทั้งหมด ของพื้นผิวGแล้วs ( X , Y ) = 0 โดยที่s เป็น รูปแบบซิมเพล็กติก
เงื่อนไขเหล่านี้ ซึ่งสามารถสรุปได้ง่าย เกิดขึ้นจากความเป็นอิสระของลำดับการหาอนุพันธ์ในการคำนวณอนุพันธ์อันดับสอง ดังนั้น เพื่อให้อนุพันธ์dQซึ่งเป็นฟังก์ชันของตัวแปรสี่ตัว เป็นอนุพันธ์ที่แม่นยำ จะต้องมีเงื่อนไขหกประการ ( การรวมกันของเงื่อนไข ) ที่ต้องเป็นไปตามนั้น
ความสัมพันธ์เชิงอนุพันธ์ย่อย
ถ้าฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้ เป็นฟังก์ชันหนึ่งต่อหนึ่ง (ฟังก์ชันหนึ่งต่อหนึ่ง)สำหรับตัวแปรอิสระแต่ละตัว เช่นเป็นฟังก์ชันหนึ่งต่อหนึ่งสำหรับที่ค่าคงที่ ในขณะที่ไม่จำเป็นต้องเป็นฟังก์ชันหนึ่งต่อหนึ่งสำหรับ แล้ว อนุพันธ์รวมต่อไปนี้จะมีอยู่จริง เนื่องจากตัวแปรอิสระแต่ละตัวเป็นฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้สำหรับตัวแปรอื่นๆเช่น
เมื่อแทนสมการแรกลงในสมการที่สองและจัดเรียงใหม่ เราจะได้
เนื่องจากและเป็นตัวแปรอิสระและสามารถเลือกได้โดยไม่มีข้อจำกัด สำหรับสมการสุดท้ายนี้ที่จะเป็นจริงโดยทั่วไป เงื่อนไขในวงเล็บต้องเท่ากับศูนย์[ 2 ]วงเล็บซ้ายเท่ากับศูนย์นำไปสู่ความสัมพันธ์แบบผกผัน ในขณะที่วงเล็บขวาเท่ากับศูนย์นำไปสู่ความสัมพันธ์แบบวัฏจักรดังที่แสดงไว้ด้านล่าง
ความสัมพันธ์แบบต่างตอบแทน
การกำหนดให้พจน์แรกในวงเล็บเท่ากับศูนย์จะได้
การจัดเรียงใหม่เพียงเล็กน้อยทำให้เกิดความสัมพันธ์แบบต่างตอบแทน
ยังมีการเรียงลำดับ ใหม่เพิ่มเติมอีกสองแบบ ของการพิสูจน์ข้างต้น ซึ่งให้ความสัมพันธ์แบบต่างตอบแทนทั้งหมดสามแบบระหว่าง , และ
ความสัมพันธ์แบบวัฏจักร
ความสัมพันธ์แบบวัฏจักรเรียกอีกอย่างว่ากฎวัฏจักรหรือกฎผลคูณสามเท่าการกำหนดให้พจน์ที่สองในวงเล็บเท่ากับศูนย์จะได้
เมื่อใช้ความสัมพันธ์แบบผกผันกับสมการนี้และเรียงลำดับใหม่ จะได้ความสัมพันธ์แบบวัฏจักร ( กฎผลคูณสามเท่า )
หากใช้ความสัมพันธ์แบบผกผันสำหรับและแทน โดยมีการจัดเรียงใหม่ในภายหลัง จะได้ รูปแบบมาตรฐานสำหรับการหาอนุพันธ์โดยปริยาย :
สมการที่มีประโยชน์บางส่วนที่ได้มาจากอนุพันธ์ที่แม่นยำในสองมิติ
(ดูเพิ่มเติมที่สมการเทอร์โมไดนามิกของ Bridgmanสำหรับการใช้อนุพันธ์ที่แม่นยำในทฤษฎีสมการเทอร์โมไดนามิก )
สมมติว่าเรามีฟังก์ชันสถานะห้าฟังก์ชัน ได้แก่, และสมมติว่าปริภูมิสถานะเป็นสองมิติ และปริมาณทั้งห้าใดๆ ก็สามารถหาอนุพันธ์ได้ แล้วโดยใช้กฎลูกโซ่ จะ ได้ว่า
| 1 |
แต่ยังรวมถึงกฎลูกโซ่ด้วย:
| 2 |
และ
| 3 |
ดังนั้น (โดยการแทนที่ (2) และ (3) ลงใน (1)):
| 4 |
ซึ่งหมายความว่า (โดยการเปรียบเทียบ (4) กับ (1)):
| 5 |
การปล่อยให้ (5) เข้ามาจะให้ผลลัพธ์ดังนี้:
| 6 |
การปล่อยให้ (5) เข้ามาจะให้ผลลัพธ์ดังนี้:
| 7 |
การปล่อยให้และใน (7) ให้ผลลัพธ์ดังนี้:
| 8 |
โดยใช้ ( ให้กฎผลคูณสามเท่า :
| 9 |
ดูเพิ่มเติม
- รูปแบบความแตกต่างที่ปิดสนิทและแม่นยำสำหรับการรักษาในระดับที่สูงขึ้น
- อนุพันธ์ (คณิตศาสตร์)
- ความแตกต่างที่ไม่แน่นอน
- ตัวประกอบการอินทิเกรตสำหรับการแก้สมการเชิงอนุพันธ์ที่ไม่แม่นยำโดยทำให้เป็นสมการที่แม่นยำ
- สมการเชิงอนุพันธ์ที่แม่นยำ
ลิงก์ภายนอก
- อนุพันธ์ไม่แน่นอน – จาก Wolfram MathWorld
- อนุพันธ์แบบแม่นยำและแบบไม่แม่นยำ – มหาวิทยาลัยแอริโซนา
- อนุพันธ์แบบแม่นยำและแบบไม่แม่นยำ – มหาวิทยาลัยเท็กซัส
- อนุพันธ์ที่แม่นยำ – จาก Wolfram MathWorld
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ความแตกต่างที่แน่นอน
ในแคลคูลัสหลายตัวแปร อนุพันธ์หรือรูปแบบอนุพันธ์จะเรียกว่าเป็น อนุพันธ์ ที่แม่นยำหรือสมบูรณ์ ( อนุพันธ์ที่แม่นยำ )...
คำนิยาม
แม้ว่าเราจะทำงานในสามมิติที่นี่ แต่นิยามของอนุพันธ์ที่แน่นอนสำหรับมิติอื่น ๆ ก็มีโครงสร้างคล้ายคลึงกับนิยามในสามมิติ ในสามมิติ รูปแบบประเภทนี้ เรียกว่า รูปแบบอนุพันธ์ รูปแบบนี้เรียกว่า อนุพันธ์ที่แน่นอน บนโดเมนเปิดในปริภูมิ ถ้ามี ฟังก์ชันสเกลาร์...
ความเป็นอิสระของเส้นทางอินทิกรัล
อนุพันธ์ที่แน่นอนสำหรับฟังก์ชันสเกลาร์ที่หาอนุพันธ์ได้ซึ่งกำหนดไว้ในโดเมนเปิดนั้นเท่ากับโดยที่คือ เกรเดียนต์ ของแทน ผลคูณสเกลาร์ และคือเวกเตอร์การกระจัดเชิงอนุพันธ์ทั่วไป หากใช้ระบบพิกัดเชิงตั้งฉาก ถ้าอยู่ในระดับความสามารถในการหาอนุพันธ์(...
สองและสามมิติ
เนื่องจาก สมมาตรของอนุพันธ์อันดับสอง สำหรับฟังก์ชัน ใดๆ ที่ "มีพฤติกรรมที่ดี" (ไม่ ผิดปกติ ) เราจะได้ว่า คิว {\displaystyle Q}