دالة المتغير الحقيقي

في التحليل الرياضي والتطبيقات في الهندسة والرياضيات التطبيقية والهندسة والعلوم الطبيعية ، دالة المتغير الحقيقي هي دالة يكون مجالها الأعداد الحقيقية أو مجموعة جزئية منها تحتوي على فترة ذات طول موجب. معظم الدوال الحقيقية التي يتم النظر فيها ودراستها قابلة للاشتقاق في فترة ما. الدوال الأكثر انتشارًا هي الدوال الحقيقية، وهي الدوال ذات القيمة الحقيقية لمتغير حقيقي ، أي دوال المتغير الحقيقي الذي يكون مجاله المشترك هو مجموعة الأعداد الحقيقية.

ومع ذلك، فإن المجال التكميلي لدالة متغير حقيقي قد يكون أي مجموعة. ومع ذلك، غالبًا ما يُفترض أن يكون له بنية فضاء متجه - على الأعداد الحقيقية. أي أن المجال التكميلي قد يكون فضاء إقليديًا ، أو متجه إحداثي ، أو مجموعة مصفوفات من الأعداد الحقيقية بحجم معين، أو جبر - ، مثل الأعداد المركبة أو الرباعيات . يحث فضاء متجه البنية - للمجال التكميلي على وجود بنية فضاء متجه - على الدوال. إذا كان للمجال التكميلي بنية جبر، فإن الأمر نفسه ينطبق على الدوال.

صورة دالة متغير حقيقي عبارة عن منحنى في المجال المقابل. في هذا السياق، تسمى الدالة التي تحدد المنحنى معادلة بارامترية للمنحنى.

عندما يكون المجال المشترك لدالة متغير حقيقي عبارة عن فضاء متجه ذي أبعاد محدودة ، يمكن اعتبار الدالة عبارة عن سلسلة من الدوال الحقيقية. يستخدم هذا غالبًا في التطبيقات.

وظيفة حقيقية

رسم بياني لدالة حقيقية

الدالة الحقيقية هي دالة من مجموعة جزئية من إلى حيث تشير عادةً إلى مجموعة الأعداد الحقيقية . أي أن مجال الدالة الحقيقية هو مجموعة جزئية ، ومجالها التكميلي هو. يُفترض عمومًا أن المجال يحتوي على فترة ذات طول موجب.

أمثلة أساسية

بالنسبة للعديد من الدوال الحقيقية المستخدمة بشكل شائع، يكون المجال هو المجموعة الكاملة من الأعداد الحقيقية، والدالة متصلة وقابلة للاشتقاق عند كل نقطة من المجال. يقال إن هذه الدوال محددة ومتصلة وقابلة للاشتقاق في كل مكان. وهذه هي حالة:

يتم تعريف بعض الوظائف في كل مكان، ولكنها ليست مستمرة في بعض النقاط. على سبيل المثال

  • يتم تعريف دالة خطوة هيفيسايد في كل مكان، ولكنها ليست مستمرة عند الصفر .

بعض الدوال محددة ومتصلة في كل مكان، ولكنها ليست قابلة للاشتقاق في كل مكان. على سبيل المثال

  • القيمة المطلقة محددة ومتصلة في كل مكان، وقابلة للاشتقاق في كل مكان، باستثناء الصفر.
  • الجذر التكعيبي محدد ومتصل في كل مكان، وقابل للاشتقاق في كل مكان، باستثناء الصفر.

العديد من الدوال الشائعة لا يتم تعريفها في كل مكان، ولكنها مستمرة وقابلة للاشتقاق في كل مكان يتم تعريفها فيه. على سبيل المثال:

بعض الدوال مستمرة في مجالها بالكامل، وغير قابلة للاشتقاق في بعض النقاط. وهذه هي حالة:

  • يتم تعريف الجذر التربيعي فقط للقيم غير السلبية للمتغير، وليس قابلاً للاشتقاق عند 0 (يمكن اشتقاقه لجميع القيم الموجبة للمتغير).

التعريف العام

الدالة ذات القيمة الحقيقية لمتغير حقيقي هي دالة تأخذ كمدخل رقمًا حقيقيًا ، يتم تمثيله عادةً بالمتغير x ، لإنتاج رقم حقيقي آخر، قيمة الدالة، والتي يشار إليها عادةً بـ f ( x ). من أجل التبسيط، في هذه المقالة، سيتم ببساطة تسمية الدالة ذات القيمة الحقيقية لمتغير حقيقي باسم دالة . لتجنب أي غموض، سيتم تحديد الأنواع الأخرى من الدوال التي قد تحدث صراحةً.

يتم تعريف بعض الدوال لجميع القيم الحقيقية للمتغيرات (يقال إنها محددة في كل مكان)، ولكن يتم تعريف بعض الدوال الأخرى فقط إذا تم أخذ قيمة المتغير في مجموعة فرعية X من ، مجال الدالة، والتي من المفترض دائمًا أن تحتوي على فاصل بطول موجب. بعبارة أخرى، الدالة ذات القيمة الحقيقية لمتغير حقيقي هي دالة

بحيث يكون مجالها X عبارة عن مجموعة فرعية تحتوي على فاصل بطول موجب.

يمكن أن يكون مثال بسيط لدالة في متغير واحد:

وهو الجذر التربيعي لـ x .

صورة

صورة الدالة هي مجموعة كل قيم f عندما يعمل المتغير x في المجال الكامل لـ f . بالنسبة للدالة المستمرة (انظر أدناه للتعريف) ذات القيمة الحقيقية مع مجال متصل، تكون الصورة إما فاصلًا أو قيمة واحدة. في الحالة الأخيرة، تكون الدالة دالة ثابتة .

الصورة الأولية لعدد حقيقي معين y هي مجموعة حلول المعادلة y = f ( x ) .

اِختِصاص

مجال دالة مكونة من عدة متغيرات حقيقية هو مجموعة جزئية من ذلك الذي يتم تعريفه صراحةً في بعض الأحيان. في الواقع، إذا قيدنا مجال X للدالة f بمجموعة جزئية YX ، فإننا نحصل رسميًا على دالة مختلفة، وهي تقييد f على Y ، والتي يشار إليها بـ f | Y. في الممارسة العملية، غالبًا ما لا يكون من الضار تحديد f و f | Y ، وحذف الرمز السفلي | Y.

وعلى العكس من ذلك، من الممكن أحيانًا توسيع نطاق دالة معينة بشكل طبيعي، على سبيل المثال عن طريق الاستمرارية أو الاستمرار التحليلي . وهذا يعني أنه ليس من الجدير تحديد نطاق دالة متغير حقيقي بشكل صريح.

البنية الجبرية

يمكن تطبيق العمليات الحسابية على الوظائف بالطريقة التالية:

  • لكل عدد حقيقي r ، الدالة الثابتة ، محددة في كل مكان.
  • بالنسبة لكل عدد حقيقي r ولكل دالة f ، فإن الدالة لها نفس مجال f (أو تكون محددة في كل مكان إذا كان r = 0).
  • إذا كانت f و g دالتين لمجالين متناظرين X و Y بحيث تحتوي XY على مجموعة فرعية مفتوحة من ، فإن و دالتين لهما مجال يحتوي على XY.

ويترتب على ذلك أن وظائف n متغيرات التي يتم تعريفها في كل مكان ووظائف n متغيرات التي يتم تعريفها في بعض جوار نقطة معينة تشكلان جبرًا تبديليًا على الأعداد الحقيقية ( -الجبر).

يمكن تعريف أيهما دالة على نحو مماثل فقط إذا كانت مجموعة النقاط ( x ) في مجال f بحيث f ( x ) ≠ 0 تحتوي على مجموعة فرعية مفتوحة من . هذا القيد يعني أن الجبرتين أعلاه ليسا حقلين .

الاستمرارية والحدود

حدود الدالة الحقيقية لمتغير حقيقي.

حتى النصف الثاني من القرن التاسع عشر، لم يكن علماء الرياضيات ينظرون إلا إلى الدوال المتصلة . وفي ذلك الوقت، تم وضع مفهوم الاستمرارية لدوال متغير حقيقي واحد أو أكثر قبل وقت طويل من التعريف الرسمي للفضاء الطوبولوجي والخريطة المتصلة بين الفضاءات الطوبولوجية. ونظرًا لأن الدوال المتصلة لمتغير حقيقي منتشرة في الرياضيات، فمن الجدير تعريف هذا المفهوم دون الرجوع إلى المفهوم العام للخرائط المتصلة بين الفضاءات الطوبولوجية.

لتحديد الاستمرارية، من المفيد النظر في دالة المسافة ، وهي دالة محددة في كل مكان لمتغيرين حقيقيين:

تكون الدالة f متصلة عند نقطة داخلية لمجالها ، إذا كان لكل عدد حقيقي موجب ε ، عدد حقيقي موجب φ بحيث أنه لكل ما يكون بحيث. بعبارة أخرى، يمكن اختيار φ صغيرًا بما يكفي للحصول على الصورة بواسطة f لفترة نصف القطر φ ومركزها عند مضمنة في فترة طولها 2 ε ومركزها عند . تكون الدالة متصلة إذا كانت متصلة عند كل نقطة من مجالها.

حد الدالة ذات القيمة الحقيقية لمتغير حقيقي هو كما يلي. [1] ليكن a نقطة في الإغلاق الطوبولوجي للمجال X للدالة f . الدالة f لها حد L عندما تتجه x نحو a ، ويرمز لها

إذا تم استيفاء الشرط التالي: لكل عدد حقيقي موجب ε > 0، يوجد عدد حقيقي موجب δ > 0 بحيث:

لجميع x في المجال بحيث

إذا كان الحد موجودًا، فهو فريد. إذا كان a في الجزء الداخلي من المجال، فإن الحد موجود إذا وفقط إذا كانت الدالة متصلة عند a . في هذه الحالة، لدينا

عندما يكون a ضمن حدود مجال f ، وإذا كان لـ f حد عند a ، فإن الصيغة الأخيرة تسمح بـ "تمديد الاستمرارية" لمجال f إلى a .

حساب التفاضل والتكامل

يمكن جمع عدد من الوظائف لكل متغير حقيقي، على سبيل المثال

إلى متجه معلمة بـ x :

المشتق للمتجه y هو المشتقات المتجهة لـ f i ( x ) حيث i = 1, 2, ..., n :

يمكنك أيضًا إجراء تكاملات خطية على طول منحنى فضاء معلم بواسطة x ، مع متجه الموضع r = r ( x )، عن طريق التكامل بالنسبة للمتغير x :

حيث · هو حاصل الضرب النقطي ، و x = a و x = b هما نقطة البداية ونقطة النهاية للمنحنى.

نظريات

باستخدام تعريفات التكامل والمشتقات، يمكن صياغة نظريات أساسية، بما في ذلك النظرية الأساسية لحساب التفاضل والتكامل ، والتكامل بالأجزاء ، ونظرية تايلور . يمكن تقييم مزيج من التكاملات والمشتقات باستخدام التمايز النظري تحت علامة التكامل .

الوظائف الضمنية

لا تتم كتابة دالة ضمنية ذات قيمة حقيقية لمتغير حقيقي في النموذج " y = f ( x )". بدلاً من ذلك، يتم التعيين من الفضاء 2 إلى عنصر الصفر في (الصفر العادي 0 فقط):

و

هي معادلة في المتغيرات. الدوال الضمنية هي طريقة أكثر عمومية لتمثيل الدوال، حيث إذا:

ومن ثم يمكننا دائمًا تعريف:

لكن العكس ليس ممكنًا دائمًا، أي أن ليس كل الدوال الضمنية لها شكل هذه المعادلة.

منحنيات الفضاء أحادية البعد فين

منحنى الفضاء في الأبعاد الثلاثة. يتم تحديد متجه الموضع r بواسطة المتجه القياسي t . عند r = a ، يكون الخط الأحمر مماسًا للمنحنى، والمستوى الأزرق عموديًا على المنحنى.

صياغة

بالنظر إلى الدوال r 1 = r 1 ( t ) ، r 2 = r 2 ( t ) ، ...، r n = r n ( t ) جميعها لمتغير مشترك t ، بحيث:

أو مجتمعة:

ثم يتم تحديد المعلمة n -tuple،

يصف منحنى الفضاء أحادي البعد .

خط المماس للمنحنى

عند النقطة r ( t = c ) = a = ( a 1 , a 2 , ..., a n ) لبعض الثوابت t = c ، فإن معادلات خط المماس أحادي البعد للمنحنى عند تلك النقطة تُعطى من حيث المشتقات العادية لـ r 1 ( tr 2 ( t )، ...، r n ( t )، و r بالنسبة إلى t :

المستوى الطبيعي للمنحنى

معادلة المستوى الفائق ذي الأبعاد n العمودي على خط المماس عند r = a هي:

أو من حيث حاصل الضرب النقطي :

حيث p = ( p 1 ، p 2 ، ... ، p n ) هي نقاط في المستوى ، وليست على منحنى الفضاء.

العلاقة بالحركية

الكميات الحركية للجسيم الكلاسيكي: الكتلة m ، الموضع r ، السرعة v ، التسارع a .

التفسير الفيزيائي والهندسي لـ d r ( t ) / dt هو " سرعة " جسيم يشبه النقطة يتحرك على طول المسار r ( t )، مع معاملة r على أنها إحداثيات متجه الموضع المكاني المعلمة بالزمن t ، وهو متجه مماس لمنحنى الفضاء لجميع t في الاتجاه اللحظي للحركة. عند t = c ، يكون لمنحنى الفضاء متجه مماس d r ( t ) / dt | t = c ، والمستوي الفائق العمودي على منحنى الفضاء عند t = c عمودي أيضًا على المماس عند t = c . يجب أن يكون أي متجه في هذا المستوى ( pa ) عموديًا على d r ( t ) / dt | t = c .

وبالمثل، فإن d 2 r ( t ) / dt 2 هو " تسارع " الجسيم، وهو متجه عمودي على المنحنى الموجه على طول نصف قطر الانحناء .

وظائف ذات قيمة مصفوفية

يمكن أن تكون المصفوفة أيضًا دالة لمتغير واحد. على سبيل المثال، مصفوفة الدوران في البعد الثاني:

هي دالة ذات قيمة مصفوفة لزاوية الدوران حول الأصل. وعلى نحو مماثل، في النسبية الخاصة ، مصفوفة تحويل لورنتز للدفعة النقية (بدون دوران):

هي دالة لمعامل التعزيز β = v / c ، حيث v هي السرعة النسبية بين إطارات المرجع (متغير مستمر)، و c هي سرعة الضوء ، وهي ثابتة.

فضاءات باناخ وهيلبرت وميكانيكا الكم

بتعميم القسم السابق، يمكن أن يكون خرج دالة متغير حقيقي موجودًا أيضًا في فضاء باناخ أو فضاء هيلبرت . في هذه الفضاءات، يتم تعريف القسمة والضرب والحدود، لذا لا تزال المفاهيم مثل المشتق والتكامل سارية. يحدث هذا غالبًا بشكل خاص في ميكانيكا الكم، حيث يأخذ المرء مشتقة كيت أو عامل . يحدث هذا، على سبيل المثال، في معادلة شرودنجر العامة المعتمدة على الزمن :

حيث نأخذ المشتق لدالة الموجة، والتي يمكن أن تكون عنصرًا من عدة مساحات هيلبرت مختلفة.

دالة ذات قيمة معقدة لمتغير حقيقي

يمكن تعريف دالة ذات قيمة معقدة لمتغير حقيقي عن طريق تخفيف تقييد المجال المشترك للأعداد الحقيقية في تعريف الدوال ذات القيمة الحقيقية والسماح بالقيم المعقدة .

إذا كانت f ( x ) دالة ذات قيمة معقدة، فيمكن تحليلها على النحو التالي:

و ( x ) = ز ( x ) + ih ( x ) ,

حيث g و h دالتان ذات قيمة حقيقية. بعبارة أخرى، فإن دراسة الدوال ذات القيمة المركبة تنحصر بسهولة في دراسة أزواج الدوال ذات القيمة الحقيقية.

عدد مجموعات الدوال للمتغير الحقيقي

إن عدد عناصر مجموعة الدوال ذات القيمة الحقيقية لمتغير حقيقي، ، هو ، وهو أكبر بشكل صارم من عدد عناصر المتصل (أي مجموعة كل الأعداد الحقيقية). يمكن التحقق من هذه الحقيقة بسهولة من خلال الحساب العددي:

علاوة على ذلك، إذا كانت المجموعة بحيث ، فإن عددية المجموعة هي أيضًا ، لأن

ومع ذلك، فإن مجموعة الدوال المستمرة لها عدد أصغر تمامًا، وهو عدد المتصل، . وهذا يتبع من حقيقة أن الدالة المستمرة يتم تحديدها تمامًا من خلال قيمتها على مجموعة فرعية كثيفة من مجالها. [2] وبالتالي، فإن عدد الدوال المستمرة ذات القيمة الحقيقية على الأعداد الحقيقية لا يكون أكبر من عدد الدوال ذات القيمة الحقيقية لمتغير نسبي. وفقًا للحسابات الكاردينالية:

من ناحية أخرى، نظرًا لوجود تطابق واضح بين و، فإن مجموعة الدوال الثابتة ، والتي تشكل مجموعة فرعية من ، يجب أن تكون صحيحة أيضًا. وبالتالي، .

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ R. Courant. Differential and Integral Calculus . المجلد 2. مكتبة Wiley Classics. ص 46-47. ISBN 0-471-60840-8.
  2. ^ Rudin, W. (1976). Principles of Mathematical Analysis . نيويورك: McGraw-Hill. ص 98-99. ISBN 0-07-054235X.
  • ف. آيرز، إي. مندلسون (2009). حساب التفاضل والتكامل . سلسلة مخططات شاوم (الطبعة الخامسة). ماكجرو هيل. رقم ISBN 978-0-07-150861-2.
  • R. Wrede, MR Spiegel (2010). حساب التفاضل والتكامل المتقدم . سلسلة مخططات شاوم (الطبعة الثالثة). McGraw Hill. ISBN 978-0-07-162366-7.
  • ن. بورباكي (2004). دوال المتغير الحقيقي: النظرية الأولية. سبرينغر. رقم ISBN 354-065-340-6.
  • حساب متعدد المتغيرات
  • LA Talman (2007) قابلية التفاضل للوظائف متعددة المتغيرات
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Function_of_a_real_variable&oldid=1219255913"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate