Definicja macierzy Jacobiego
edytuj
Założenia:
U
{\displaystyle U}
– podzbiór otwarty przestrzeni euklidesowej
R
n
,
{\displaystyle \mathbb {R} ^{n},}
f
=
[
f
1
,
…
,
f
m
]
{\displaystyle \mathbf {f} =[f_{1},\dots ,f_{m}]}
– funkcja wektorowa ze zbioru
U
{\displaystyle U}
w przestrzeń
R
m
,
{\displaystyle \mathbb {R} ^{m},}
mająca
m
{\displaystyle m}
funkcji składowych
f
i
{\displaystyle f_{i}}
ze zbioru
U
{\displaystyle U}
na zbiór liczb rzeczywistych ,
f
i
:
U
→
R
,
i
=
1
,
…
,
m
{\displaystyle f_{i}\colon U\to R,\,\,i=1,\dots ,m}
o zmiennych
x
=
(
x
1
,
…
,
x
n
)
∈
U
.
{\displaystyle \mathrm {x} =(x_{1},\dots ,x_{n})\in U.}
Jeżeli funkcja
f
{\displaystyle \mathbf {f} }
ma wszystkie pochodne cząstkowe w punkcie
x
∈
U
,
{\displaystyle \mathrm {x} \in U,}
to
(1) macierzą Jacobiego
J
f
{\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {f} }}
nazywa się macierz, której elementami
[
J
f
]
i
j
,
i
=
1
,
…
,
m
,
j
=
1
,
…
,
n
{\displaystyle [\mathbf {J} _{\mathrm {f} }]_{ij},\,i=1,\dots ,m,\,\,j=1,\dots ,n}
są funkcje
[
∂
f
i
∂
x
j
]
i
,
j
,
{\displaystyle \left[{\frac {\partial f_{i}}{\partial x_{j}}}\right]_{i,j},}
tj. pochodne funkcji po poszczególnych zmiennych mającą postać
[
∂
f
1
∂
x
1
…
∂
f
1
∂
x
n
⋮
⋱
⋮
∂
f
m
∂
x
1
…
∂
f
m
∂
x
n
]
,
{\displaystyle {\begin{bmatrix}{\dfrac {\partial f_{1}}{\partial x_{1}}}&\ldots &{\dfrac {\partial f_{1}}{\partial x_{n}}}\\\vdots &\ddots &\vdots \\{\dfrac {\partial f_{m}}{\partial x_{1}}}&\ldots &{\dfrac {\partial f_{m}}{\partial x_{n}}}\end{bmatrix}},}
tj.
Pierwszy wiersz tej macierzy stanowią pochodne pierwszej funkcji po poszczególnych zmiennych
x
1
,
…
,
x
n
,
{\displaystyle x_{1},\dots ,x_{n},}
itd.
(2) Macierz Jacobiego można przedstawić w postaci wektora kolumnowego , którego współrzędnymi są gradienty
∇
f
i
{\displaystyle \nabla f_{i}}
funkcji
f
i
{\displaystyle f_{i}}
tworzących funkcję
f
,
{\displaystyle \mathrm {f} ,}
tzn.
[
∇
f
1
⋮
∇
f
m
]
.
{\displaystyle {\begin{bmatrix}\nabla f_{1}\\\vdots \\\nabla f_{m}\end{bmatrix}}.}
(3) Macierz Jacobiego można również przedstawić jako iloczyn tensorowy operatora nabla
∇
=
[
∂
∂
x
1
,
…
,
∂
∂
x
n
]
{\displaystyle \nabla ={\Big [}{\frac {\partial }{\partial x_{1}}},\dots ,{\frac {\partial }{\partial x_{n}}}{\Big ]}}
i funkcji
f
{\displaystyle \mathrm {f} }
zapisanej w postaci kolumny, tj.
J
f
=
∇
⊗
f
T
,
{\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {f} }=\nabla \otimes f^{T},}
gdzie
f
T
=
[
f
1
,
…
,
f
m
]
T
{\displaystyle \mathbf {f} ^{T}=[f_{1},\dots ,f_{m}]^{T}}
– kolumna zawierająca składowe funkcji
f
{\displaystyle \mathrm {f} }
(
T
{\displaystyle T}
oznacza transpozycję wektora).
Uwaga:
Wartością macierzy Jacobiego
J
f
{\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {f} }}
funkcji
f
{\displaystyle \mathbf {f} }
w punkcie
x
{\displaystyle \mathrm {x} }
nazywa się macierz
J
f
(
x
)
,
{\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {f} }(\mathrm {x} ),}
której elementami są wartościami poszczególnych elementów macierzy Jacobiego, obliczone w punkcie
x
,
{\displaystyle \mathrm {x} ,}
tj.
[
∂
f
i
∂
x
j
(
x
)
]
i
,
j
.
{\displaystyle \left[{\frac {\partial f_{i}}{\partial x_{j}}}(\mathrm {x} )\right]_{i,j}.}
Definicja:
Jakobianem nazywa się wyznacznik (kwadratowej) macierzy Jacobiego.
Jakobian oznacza się symbolami[2] :
det
J
f
,
{\displaystyle \det \mathbf {J} _{\mathrm {f} },}
|
J
f
|
,
{\displaystyle |\mathbf {J} _{\mathrm {f} }|,}
∂
(
f
1
,
…
,
f
n
)
∂
(
x
1
,
…
,
x
n
)
=
o
z
n
∂
f
∂
x
.
{\displaystyle {\frac {\partial (f_{1},\dots ,f_{n})}{\partial (x_{1},\dots ,x_{n})}}{\overset {\mathrm {ozn} }{=}}{\frac {\partial \mathrm {f} }{\partial \mathrm {x} }}.}
Przykład 1: Jakobian 2 × 2
edytuj
Dla funkcji
f
=
[
f
1
,
f
2
]
:
R
2
→
R
2
,
{\displaystyle \mathbf {f} =[f_{1},f_{2}]\colon \mathbb {R} ^{2}\to \mathbb {R} ^{2},}
takiej że
f
1
(
x
,
y
)
=
x
2
+
x
y
3
,
{\displaystyle f_{1}(x,y)=x^{2}+xy^{3},}
f
2
(
x
,
y
)
=
x
y
+
1
{\displaystyle f_{2}(x,y)=xy+1}
jakobian wynosi
det
J
f
=
|
∂
f
1
∂
x
∂
f
1
∂
y
∂
f
2
∂
x
∂
f
2
∂
y
|
=
|
∂
(
x
2
+
x
y
3
)
∂
x
∂
(
x
2
+
x
y
3
)
∂
y
∂
(
x
y
+
1
)
∂
x
∂
(
x
y
+
1
)
∂
y
|
=
|
2
x
+
y
3
3
x
y
2
y
x
|
=
2
x
2
+
x
y
3
−
3
x
y
3
=
2
x
2
−
2
x
y
3
.
{\displaystyle {\begin{aligned}\det \mathbf {J} _{\mathrm {f} }&={\begin{vmatrix}{\frac {\partial f_{1}}{\partial x}}&{\frac {\partial f_{1}}{\partial y}}\\{\frac {\partial f_{2}}{\partial x}}&{\frac {\partial f_{2}}{\partial y}}\end{vmatrix}}={\begin{vmatrix}{\frac {\partial (x^{2}+xy^{3})}{\partial x}}&{\frac {\partial (x^{2}+xy^{3})}{\partial y}}\\{\frac {\partial (xy+1)}{\partial x}}&{\frac {\partial (xy+1)}{\partial y}}\end{vmatrix}}={\begin{vmatrix}2x+y^{3}&3xy^{2}\\y&x\end{vmatrix}}\\&=2x^{2}+xy^{3}-3xy^{3}=2x^{2}-2xy^{3}\end{aligned}}.}
Przykład 2: Jakobian nie istnieje
edytuj
Dla funkcji
f
:
R
3
→
R
4
{\displaystyle \mathbf {f} \colon \mathbb {R} ^{3}\to \mathbb {R} ^{4}}
o 4 funkcjach składowych
f
(
x
1
,
x
2
,
x
3
)
=
(
x
1
,
5
x
3
,
4
x
2
2
−
2
x
3
,
x
3
sin
x
1
)
,
{\displaystyle \mathbf {f} (x_{1},x_{2},x_{3})=(x_{1},\,5x_{3},\,4x_{2}^{2}-2x_{3},\,x_{3}\sin x_{1}),}
tj.
y
1
=
x
1
,
{\displaystyle y_{1}=x_{1},}
y
2
=
5
x
3
,
{\displaystyle y_{2}=5x_{3},}
y
3
=
4
x
2
2
−
2
x
3
,
{\displaystyle y_{3}=4x_{2}^{2}-2x_{3},}
y
4
=
x
3
sin
x
1
.
{\displaystyle y_{4}=x_{3}\sin x_{1}.}
a) macierz Jacobiego ma postać
J
f
(
x
1
,
x
2
,
x
3
)
=
[
∂
y
1
∂
x
1
∂
y
1
∂
x
2
∂
y
1
∂
x
3
∂
y
2
∂
x
1
∂
y
2
∂
x
2
∂
y
2
∂
x
3
∂
y
3
∂
x
1
∂
y
3
∂
x
2
∂
y
3
∂
x
3
∂
y
4
∂
x
1
∂
y
4
∂
x
2
∂
y
4
∂
x
3
]
=
[
1
0
0
0
0
5
0
8
x
2
−
2
x
3
cos
x
1
0
sin
x
1
]
.
{\displaystyle \mathbf {J} _{\mathbf {f} }(x_{1},x_{2},x_{3})={\begin{bmatrix}{\dfrac {\partial y_{1}}{\partial x_{1}}}&{\dfrac {\partial y_{1}}{\partial x_{2}}}&{\dfrac {\partial y_{1}}{\partial x_{3}}}\\[1em]{\dfrac {\partial y_{2}}{\partial x_{1}}}&{\dfrac {\partial y_{2}}{\partial x_{2}}}&{\dfrac {\partial y_{2}}{\partial x_{3}}}\\[1em]{\dfrac {\partial y_{3}}{\partial x_{1}}}&{\dfrac {\partial y_{3}}{\partial x_{2}}}&{\dfrac {\partial y_{3}}{\partial x_{3}}}\\[1em]{\dfrac {\partial y_{4}}{\partial x_{1}}}&{\dfrac {\partial y_{4}}{\partial x_{2}}}&{\dfrac {\partial y_{4}}{\partial x_{3}}}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}1&0&0\\0&0&5\\0&8x_{2}&-2\\x_{3}\cos x_{1}&0&\sin x_{1}\end{bmatrix}}.}
Przykład ten pokazuje, że macierz Jacobiego nie musi być kwadratowa.
b) Jakobian nie istnieje, ponieważ macierz nie jest kwadratowa.
Przykład 3: Ujemny znak jakobianu
edytuj
Dla funkcji o składowych
y
1
=
5
x
2
,
{\displaystyle y_{1}=5x_{2},}
y
2
=
4
x
1
2
−
2
sin
(
x
2
x
3
)
,
{\displaystyle y_{2}=4x_{1}^{2}-2\sin(x_{2}x_{3}),}
y
3
=
x
2
x
3
{\displaystyle y_{3}=x_{2}x_{3}}
jakobian ma wartość
|
0
5
0
8
x
1
−
2
x
3
cos
(
x
2
x
3
)
−
2
x
2
cos
(
x
2
x
3
)
0
x
3
x
2
|
=
−
8
x
1
|
5
0
x
3
x
2
|
=
−
40
x
1
x
2
.
{\displaystyle {\begin{vmatrix}0&5&0\\8x_{1}&-2x_{3}\cos(x_{2}x_{3})&-2x_{2}\cos(x_{2}x_{3})\\0&x_{3}&x_{2}\end{vmatrix}}=-8x_{1}{\begin{vmatrix}5&0\\x_{3}&x_{2}\end{vmatrix}}=-40x_{1}x_{2}.}
Gdy znak jakobianu jest ujemny, to funkcja
f
{\displaystyle \mathbf {f} }
zmienia orientację (jest tak w otoczeniu punktów, które mają ten sam znak); funkcja jest lokalnie odwracalna dla punktów
R
−
{
0
,
0
}
.
{\displaystyle R-\{0,0\}.}
Różniczkowy element powierzchni
edytuj
Twierdzenie o całce po powierzchni
edytuj
Element powierzchni w starych współrzędnych = element powierzchni w nowych współrzędnych * moduł jakobianu przejścia od nowych do starych współrzędnych.
Transformacja ze współrzędnych biegunowych
r
,
ϕ
{\displaystyle r,\phi }
do kartezjańskich
x
,
y
{\displaystyle x,y}
dana jest z pomocą funkcji
f
:
R
+
×
[
0
,
2
π
)
→
R
2
{\displaystyle \mathrm {f} \colon R^{+}\times [0,2\pi )\to R^{2}}
o 2 funkcjach składowych
f
1
≡
x
=
r
cos
φ
,
{\displaystyle f_{1}\equiv x=r\cos \varphi ,}
f
2
≡
y
=
r
sin
φ
.
{\displaystyle f_{2}\equiv y=r\sin \varphi .}
a) Macierz Jacobiego ma postać
J
f
(
r
,
φ
)
=
[
∂
x
∂
r
∂
x
∂
φ
∂
y
∂
r
∂
y
∂
φ
]
=
[
cos
φ
−
r
sin
φ
sin
φ
r
cos
φ
]
.
{\displaystyle \mathbf {J} _{\mathbf {f} }(r,\varphi )={\begin{bmatrix}{\dfrac {\partial x}{\partial r}}&{\dfrac {\partial x}{\partial \varphi }}\\[0.5em]{\dfrac {\partial y}{\partial r}}&{\dfrac {\partial y}{\partial \varphi }}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}\cos \varphi &-r\sin \varphi \\\sin \varphi &r\cos \varphi \end{bmatrix}}.}
b) Jakobian
|
J
f
|
=
r
.
{\displaystyle |\mathbf {J} _{\mathbf {f} }|=r.}
c) Różniczkowy element powierzchni
Jakobianu można użyć do zamiany zmiennych całkowania z układu kartezjańskiego na biegunowy, np.
∬
f
(
A
)
f
(
x
,
y
)
d
x
d
y
=
∬
A
f
(
r
cos
φ
,
r
sin
φ
)
r
d
r
d
φ
.
{\displaystyle \iint _{\mathrm {f} (A)}f(x,y)\,dx\,dy=\iint _{A}f(r\cos \varphi ,r\sin \varphi )\,r\,dr\,d\varphi .}
Różniczkowy element objętości
edytuj
Twierdzenie o całce po objętości
edytuj
Element objętości w starych współrzędnych = element objętości w nowych współrzędnych * moduł jakobianu przejścia od nowych do starych współrzędnych.
Przejście ze współrzędnych sferycznych
(
r
,
θ
,
φ
)
{\displaystyle (r,\theta ,\varphi )}
na kartezjańskie
(
x
,
y
,
z
)
{\displaystyle (x,y,z)}
dane jest za pomocą funkcji
f
:
R
+
×
[
0
,
π
)
×
[
0
,
2
π
)
→
R
3
{\displaystyle \mathbf {f} \colon R^{+}\times [0,\pi )\times [0,2\pi )\to R^{3}}
o 3 funkcjach składowych
x
=
r
sin
θ
cos
φ
,
{\displaystyle x=r\sin \theta \cos \varphi ,}
y
=
r
sin
θ
sin
φ
,
{\displaystyle y=r\sin \theta \sin \varphi ,}
z
=
r
cos
θ
.
{\displaystyle z=r\cos \theta .}
a) Macierz Jacobiego ma postać
J
f
(
r
,
θ
,
φ
)
=
[
∂
x
∂
r
∂
x
∂
θ
∂
x
∂
φ
∂
y
∂
r
∂
y
∂
θ
∂
y
∂
φ
∂
z
∂
r
∂
z
∂
θ
∂
z
∂
φ
]
=
[
sin
θ
cos
φ
r
cos
θ
cos
φ
−
r
sin
θ
sin
φ
sin
θ
sin
φ
r
cos
θ
sin
φ
r
sin
θ
cos
φ
cos
θ
−
r
sin
θ
0
]
.
{\displaystyle \mathbf {J} _{\mathbf {f} }(r,\theta ,\varphi )={\begin{bmatrix}{\dfrac {\partial x}{\partial r}}&{\dfrac {\partial x}{\partial \theta }}&{\dfrac {\partial x}{\partial \varphi }}\\[1em]{\dfrac {\partial y}{\partial r}}&{\dfrac {\partial y}{\partial \theta }}&{\dfrac {\partial y}{\partial \varphi }}\\[1em]{\dfrac {\partial z}{\partial r}}&{\dfrac {\partial z}{\partial \theta }}&{\dfrac {\partial z}{\partial \varphi }}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}\sin \theta \cos \varphi &r\cos \theta \cos \varphi &-r\sin \theta \sin \varphi \\\sin \theta \sin \varphi &r\cos \theta \sin \varphi &r\sin \theta \cos \varphi \\\cos \theta &-r\sin \theta &0\end{bmatrix}}.}
b) Wyznacznik tej macierzy wynosi
|
J
f
|
=
r
2
sin
θ
.
{\displaystyle |\mathbf {J} _{\mathbf {f} }|=r^{2}\sin \theta .}
Widać, że jakobian zmienia się w zależności od współrzędnych
r
,
θ
.
{\displaystyle r,\theta .}
c) Różniczkowy element objętości
W układzie kartezjańskim element różniczkowy objętości ma postać
d
V
=
d
x
d
y
d
z
.
{\displaystyle dV=dx\,dy\,dz.}
Przechodząc do układu współrzędnych sferycznych różniczkowy element objętości nie zmieni się, jeżeli pomnoży się go przez jakobian, tj.
d
V
=
|
J
f
|
d
r
d
φ
d
θ
=
r
2
sin
θ
d
r
d
φ
d
θ
.
{\displaystyle dV=|\mathbf {J} _{\mathbf {f} }|dr\,d\varphi \,d\theta =r^{2}\sin \theta dr\,d\varphi \,d\theta .}
Np. wykonując całkowanie funkcji
f
(
x
,
y
,
z
)
{\displaystyle f(x,y,z)}
przy zamianie zmiennych na współrzędne sferyczne należy
zmienne
x
,
y
,
z
{\displaystyle x,y,z}
wyrazić przez zmienne
r
,
φ
,
θ
,
{\displaystyle r,\varphi ,\theta ,}
element objętości
d
V
=
d
x
d
y
d
z
{\displaystyle dV=dx\,dy\,dz}
wyrazić przez równy mu element
d
V
=
r
2
sin
θ
d
r
d
φ
d
θ
.
{\displaystyle dV=r^{2}\sin \theta dr\,d\varphi \,d\theta .}
Związek macierzy Jacobiego z pochodną Frécheta
edytuj
(1) Jeśli funkcja jest różniczkowalna w danym punkcie, to jej pochodna dana jest za pomocą macierzy Jacobiego. Dokładniej, jeżeli funkcja
f
{\displaystyle \mathrm {f} }
jest różniczkowalna (w sensie Frécheta) w punkcie
p
∈
U
,
{\displaystyle \mathrm {p} \in U,}
to macierzą przekształcenia liniowego , którym jest jej pochodna Frécheta
D
f
(
p
)
,
{\displaystyle \operatorname {D} \mathrm {f} (\mathrm {p} ),}
jest macierz Jacobiego
J
f
(
p
)
{\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {f} }(\mathrm {p} )}
funkcji
f
{\displaystyle \mathrm {f} }
w punkcie
p
.
{\displaystyle \mathrm {p} .}
(2) Macierz Jacobiego jest kwadratowa, gdy pochodna jest endomorfizmem ; jeśli jest odwracalna (jej wyznacznik jest odwracalny), to pochodna jest izomorfizmem . Więcej: niezdegenerowanie jakobianu gwarantuje, że funkcja jest różniczkowalna w sensie Frécheta w sposób ciągły (tzn. pochodna jest ciągła ) – mówi się wtedy, że jest ona klasy
C
1
.
{\displaystyle {\mathcal {C}}^{1}.}
(3) Funkcja
f
{\displaystyle \mathrm {f} }
nie musi być różniczkowalna (w sensie Frécheta) w punkcie
p
,
{\displaystyle \mathrm {p} ,}
by macierz Jacobiego
J
f
(
p
)
{\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {f} }(\mathrm {p} )}
była określona – wymaga się jedynie istnienia pochodnych cząstkowych funkcji
f
{\displaystyle \mathrm {f} }
w punkcie
p
.
{\displaystyle \mathrm {p} .}
Oznacza to, że funkcja
f
{\displaystyle \mathrm {f} }
jest różniczkowalna co najwyżej w dowolnym kierunku , tzn. w sensie Gâteaux, czyli dla dowolnego
v
{\displaystyle \mathbf {v} }
istnieją pochodne
∂
f
∂
v
(
p
)
.
{\displaystyle {\tfrac {\partial \mathrm {f} }{\partial \mathbf {v} }}(\mathrm {p} ).}
(4) Gradient , jak i macierz Jacobiego można traktować jak „pierwsze pochodne ” funkcji:
macierz Jacobiego jest pierwszą pochodną funkcji wektorowej wielu zmiennych,
gradient jest pochodną funkcji skalarnej wielu zmiennych (gradient można uważać za szczególny przypadek macierzy Jacobiego).
(5) Macierz Jacobiego gradientu nazywana jest macierzą Hessego (hesjan) – jest to w pewnym sensie „druga pochodna ” funkcji skalarnej wielu zmiennych.
Macierz Jacobiego jako macierz przekształcenia liniowego
edytuj