Movatterモバイル変換


[0]ホーム

URL:


Siirry sisältöön
Wikipedia
Haku

Vektorianalyysi

Wikipediasta

Vektorianalyysi onmatematiikan ala, joka käsitteleevektori­kenttiendifferentiointia jaintegrointia, pääasiassa kolmi­ulotteisessaeuklidisessa avaruudessaR3.{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}.} Termiä vektori­analyysi käytetään joskus myös laajemmassa merkityksessä tarkoittamaan useamman muuttujandifferentiaali- ja integraalilaskentaa, johon varsinaisen vektori­analyysin lisäksi kuuluvat myösosittaisderivaatat sekä integrointi useamman muuttujan suhteen. Vektori­analyysillä on tärkeä merkitysdifferentiaaligeometriassa jaosittaisdifferentiaaliyhtälöiden teoriassa. Sillä on runsaasti sovelluksia esimerkiksitekniikassa,fysiikassa jatilasto­tieteessä. Fysiikassa sitä käytetään varsinkinsähkö­magneettisten kenttien jagravitaatiokenttien kuvailuun sekävirtaus­dynamiikassa.

Vektori­analyysin kehittivätkvaternioiden teorian pohjaltaJ. Willard Gibbs jaOliver Heaviside lähellä 1800-luvun loppua. Suuren osan sen termino­logiasta ja merkinnöistä vakiinnutti Gibbsin jaEdwin Bidwell Wilsonin vuonna 1901 ilmestynyt kirjaVector Analysis. Tavan­omaisessa muodossaan, jossa käytetäänristituloja, vektorianalyysiä ei voida laajentaa useampiin ulottuvuuksiin, kun taas vaihto­ehtoisessageometriseen algebraan perustuvassa lähestymis­tavassa, jossa ristitulon sijasta käytetäänulkoista tuloa, niin voidaan tehdä.

Peruskäsitteet

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Skalaarikentät

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Skalaarikenttä onfunktio, joka liittää avaruuden jokaiseen pisteeseen jonkinskalaariarvon. Skalaari voi olla joko pelkkä matemaattinen lukuarvo tai jokin fysikaalinensuure. Sovellus­esimerkkeinä skalaarikentistä voidaan mainitalämpötila avaruuden kussakin pisteessä,paine nesteen tai kaasun eri kohdissa ja spin-nolla-kvanttikentät kutenHiggsin kenttä. Tällaisia kenttiä käsitteleeskalaarikenttäteoria.

Vektorikentät

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Vektorikenttä on funktio, joka liittää avaruuden jonkin osajoukon jokaiseen pisteeseen jonkinvektoriarvon.[1] Esimerkiksi tasossa vektorikenttää voidaan havainnollistaa joukolla eripituisia ja erisuuntaisia nuolia, jotka alkavat tason eri pisteistä. Vektorikentillä voidaan mallintaa esimerkiksituulen nopeutta ja suuntaa tai muuta nesteen tai kaasun virtausta taikkavoimia, esimerkiksimagneettikenttää taigravitaatiota, jotka eri paikoissa ovat eri suuruisia ja eri suuntaisia.

Vektorit ja pseudovektorit

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Kehittyneemmällä tasolla erotetaan omiksi luokikseenpseudovektorikentät japseudoskalaarikentät, jotka ovat muutoin vektori- ja skalaarikenttien kaltaisia paitsi että ne vaihtavatetumerkkiään kuvauksessa, joka muuttaa orientaation, esimerkiksi peilikuvasa. Esimerkiksi vektorikentänroottori on pseudovektorikenttä, ja jos vektorikenttä peilataan tason suhteen, roottori osoittaa päinvastaiseen suuntaan. Tätä eroa selventää ja täsmentää geometrinen algebra jäljempänä selitetyllä tavalla.

Vektorien laskutoimitukset

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Algebralliset laskutoimitukset

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Vektorien ei-differentiaalisia algebrallisia peruslaskutoimituksia, joita tarvitaan myös vektorianalyysissä, nimitetäänvektorialgebraksi.Ne on määritelty jokaisessavektoriavaruudessa, ja niitä voidaan soveltaa myös jokaiseen vektorikenttään. Niitä ovat seuraavat:

Näistä yhdistämällä voidaan muodostaa myös kaksikolmituloa:

Näitä kuitenkin käytetään harvemmin kuin peruslaskutoimituksia.

Joskus määritellään laskutoimituksena lisäksikohtisuora pistetulo (engl.perp dot product[2]joka itse asiassa on kahden vektorin pistetulo, kun toista niitä on kierretty 90 astetta vastapäivään. Samalla se on näiden vektorien ristitulonitseisarvo:

v1v2=|v1×v2|=|v1||v2|sinθ{\displaystyle \mathbf {v} _{1}\bot \cdot \mathbf {v} _{2}=\left|\mathbf {v} _{1}\times \mathbf {v} _{2}\right|=\left|\mathbf {v} _{1}\right|\left|\mathbf {v} _{2}\right|\sin \theta },

missäθ on vektorienv1 jav2 välinen kulma. Sitä kuitenkin harvemmin käytetään, koska se voidaan esittää myös piste- tai ristitulon avulla.

Differentiaalioperaattorit

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Vektorianalyysi tutkii erilaisia skalaari- ja vektorikentille määriteltyjädifferentiaali­operaattoreita, joista monet voidaan esittäänabla- eli del -operaattorin avulla ({\displaystyle \nabla }. Vektori­analyysin viisi tärkeintädifferentiaali­operaattoria ovat:

OperaattoriMerkintäKuvausMäärittelyjoukon tyyppiArvojoukon tyyppi
Gradienttigrad(f)=f{\displaystyle \operatorname {grad} (f)=\nabla f}Skalaarikentän paikallinen muutosnopeus siinä suunnassa, jossa se on suurinSkalaarikenttäVektorikenttä
Roottori (curl)curl(F)=×F{\displaystyle \operatorname {curl} (\mathbf {F} )=\nabla \times \mathbf {F} }Mittaa vektorikentän pyörteisyyttä kunkin pisteen ympärilläVektorikenttä(Pseudo)vektorikenttä.
Divergenssidiv(F)=F{\displaystyle \operatorname {div} (\mathbf {F} )=\nabla \cdot \mathbf {F} }Mittaa sitä, missä määrin vektorikentänkenttäviivoja alkaa tai päättyy kunkin pisteen ympärillä.VektorikenttäSkalaarikenttä
Laplacen operaattori vektorikentille2F=(F)×(×F){\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {F} =\nabla (\nabla \cdot \mathbf {F} )-\nabla \times (\nabla \times \mathbf {F} )}Mittaa vektorikentän tietyssä pisteessä saaman arvon ja sen tätä pistettä ympäröivässä infinitesimaalisessa kuulassa saamien arvojen keskiarvon erotusta.VektorikenttäVektorikenttä
Laplacen operaattoriΔf=2f=f{\displaystyle \Delta f=\nabla ^{2}f=\nabla \cdot \nabla f}Mittaa skalaarikentän tietyssä pisteessä saaman arvon ja sen tätä pistettä ympäröivässä infinitesimaalisessa kuulassa saamien arvojen keskiarvon erotusta.SkalaarikenttäSkalaarikenttä

Nämä kaikki voidaan muodollisesti esittää käsittelemällä nabla-operaattorin komponenttejalukujen tavoin ja itse operaattoria vektorin tavoin. Esimerkiksi roottori käsitetään nablan ja vektorikentän ristituloksi, divergenssi taas nablan ja vektorikentän pistetuloksi. Käsiteltäessä funktioita, joiden sekä määrittely- että arvojoukko koostuvat useiden muuttujien yhdistelmistä, käytetään usein apunaJacobin matriisia jadeterminanttia. Tämä tulee kysymykseen esimerkiksiintegrointiin liittyvässämuuttujanvaihdossa.

Teoreemoja

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Vektorianalyysissä on useita tärkeitä teoreemoja, jotka yleistävätanalyysin peruslauseen useampaan ulottuvuuteen:

Teoreeman nimiYhtälöSanallinen muotoilu
GradienttilauseL[pq]Rnφdr=φ(q)φ(p){\displaystyle \int _{L[\mathbf {p} \to \mathbf {q} ]\subset \mathbb {R} ^{n}}\nabla \varphi \cdot d\mathbf {r} =\varphi \left(\mathbf {q} \right)-\varphi \left(\mathbf {p} \right)}Skalaarikentän gradientinkäyräintegraali käyrän yli on yhtä suuri kuin niiden arvojen erotus, jotka skalaarikenttä saa käyrän päätepisteissä.
Greenin lauseAR2(MxLy)dA=A(Ldx+Mdy){\displaystyle \int \!\!\!\!\int _{A\,\subset \mathbb {R} ^{2}}\left({\frac {\partial M}{\partial x}}-{\frac {\partial L}{\partial y}}\right)\,d\mathbf {A} =\oint _{\partial A}\left(L\,dx+M\,dy\right)}Vektorikentän skalaarisen roottorin integraali tasoalueen yli on yhtä suuri kuin vektorikentän käyräintegraali pintaa rajoittavan käyrän yli, kun se kierretään tasoalueen ympäri vastapäivään.
Stokesin lauseΣR3×FdΣ=ΣFdr{\displaystyle \int \!\!\!\!\int _{\Sigma \,\subset \mathbb {R} ^{3}}\nabla \times \mathbf {F} \cdot d\mathbf {\Sigma } =\oint _{\partial \Sigma }\mathbf {F} \cdot d\mathbf {r} }Vektorikentän roottorin pintaintegraaliR3{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}:ssa olevan pinnan yli on yhtä suuri kuin vektorikentän käyräintegraali pintaa rajoittavan käyrän yli.
DivergenssilauseVR3(F)dV={\displaystyle \int \!\!\!\!\int \!\!\!\!\int _{V\,\subset \mathbb {R} ^{3}}\left(\nabla \cdot \mathbf {F} \right)d\mathbf {V} =}\oiintV{\displaystyle \scriptstyle \partial V}FdS{\displaystyle \mathbf {F} \;\cdot {d}\mathbf {S} }Vektorikentän divergenssinavaruusintegraali jonkin kappaleen yli on yhtä suuri kuin kentänvuon integraali kappaleen rajapinnan yli.

Sovelluksia

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Lineaarinen approksimointi

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Lineaarisia approksimaatioita käytetään korvaamaan monimutkaisia funktioita lineaarisilla funktioilla, jotka saavat kaikkialla lähes samat arvot. Mitä tahansadifferentioituvaa reaaliarvoista funktiotaf(x,y){\displaystyle f(x,y)} voidaan alueella, joka on lähellä pistettä(x,y){\displaystyle (x,y)}, approksimoida kaavan

f(x,y)f(a,b)+fx(a,b)(xa)+fy(a,b)(yb){\displaystyle f\left(x,y\right)\approx f\left(a,b\right)+{\frac {\partial f}{\partial x}}\left(a,b\right)\left(x-a\right)+{\frac {\partial f}{\partial y}}\left(a,b\right)\left(y-b\right)}

avulla.

Yhtälön oikealla puolella oleva lauseke on funktionz=f(x,y){\displaystyle z=f(x,y)} at(a,b){\displaystyle (a,b)} kuvaajana olevan pinnan tangenttitason yhtälö.

Optimointi

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Jatkuvasti differentioituvan useamman muuttujan reaalifunktion kannalta pisteP (toisin sanoen joukko arvoja kullekin muuttujalle, joka käsitetään pisteeksi avaruudessaR{\displaystyle \mathbb {R} }) onkriittinen, jos funktion kaikkiosittais­derivaatat pisteessäP ovat nollia, mikä on yhtäpitävää sen kanssa, että sengradientti tässä pisteessä on nolla. Funktion kriittisiksi arvoiksi sanotaan sen arvoja kriittisissä pisteissä.

Jos funktio onsileä tai vähintään kaksi kertaa jatkuvasti differentioituva, kriittinen piste voi olla joko funktionpaikallinen maksimikohta,paikallinen minimikohta taisatulapiste. Nämä eri tapaukset voidaan erottaa toisistaan tarkastelemalla sen toisten derivaattojenHessin matriisinominaisarvoja.

Fermat'n lauseen mukaan kaikki differentioituvan funktion paikalliset maksimi- ja minimikohdat ovat kriittisiä pisteitä. Niinpä maksimi- ja minimikohtien löytämiseksi riittää teoreettisesti määrittää gradientin nollakohdat ja Hessin matriisin ominaisarvot näissä nollakohdissa.

Fysiikka ja teknologia

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Fysiikassa jateknologiassa vektorianalyysiä käytetään varsinkin seuraavissa yhteyksissä:

Yleistyksiä

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Erilaiset 3-monistot

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Vektorianalyysi määriteltiin alun perin kolmiulotteisessaeuklidisessa avaruudessaR3,{\displaystyle \mathbb {R} ^{3},}, joka ei ole ainoastaan kolmiulotteinen vektori­avaruus vaan samalla myösnormiavaruus.normi merkitsee geometrisestijanan pituutta, ja se määritelläänsisätulon, tarkemmin sanottunapistetulon avulla, joka samalla määrittelee myöskulman. Lisäksi siinä on määriteltyorientaation käsite, jolla oikea- ja vasen­kätisyys erotetaan toisistaan. Näiden struktuurien avulla voidaan johtaatilavuusmuoto ja samalla määritellä vektorienristitulo, jota vektori­analyysissä runsaasti käytetään.

Gradientin ja divergenssin määrittelyyn riittää sisätulo, kun taas roottori ja ristitulo edellyttävät, ettäkoordinaatiston kätisyys on otettava huomioon.

Vektorianalyysi voidaan määritellä muillekin kolmiulotteisille reaalisille vektori­avaruuksille, jos niissä on sisätulo, tai yleisemmin symmetrinen ei-degeneroitunut muoto ja orientaatio. Tällainen avaruus ei välttämättä oleisomorfinen euklidisen avaruuden kanssa, sillä siinä ei tarvitse olla koordinaatistoa mikä toisaalta osoittaa, että vektori­analyysi on invariantti avaruudenrotaatioissa, jotka muodostavaterityisen ortogonaalisen ryhmän SO(3).

Yleisemmin vektorianalyysi voidaan määritellä missä tahansa kolmiulotteisessa orientoituvassaRiemannin monistossa sekä myöspseudo-Riemannin monistoissa. Tämä rakenne merkitsee yksinkertaisesti, että sen jokaista pistettä vastaavassatangenttiavaruudessa on määritelty sisätulo (tai ainakin symmetrinen ei-degeneroitunut muoto) ja orientaatio, tai globaalimmin, että siinä on symmetrinen ei-degeneroitunutmetrinen tensori jaorientaatio. Tällöin vektorianalyysi toimii, koska se on määritelty avaruuden kuhunkin pisteeseen liittyvien tangenttivektorien avulla.

Muut ulottuvuudet

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Useimmat analyyttiset tulokset on yleisemmässä muodossa helppo ymmärtää käyttämällädifferentiaaligeometrian menetelmiä, joista vektorianalyysi muodostaa osajoukon. Gradientin ja divergenssin määritelmät voidaan sellaisenaan yleistää kuinka moneen ulottuvuuteen tahansa, samoin Laplacen operaattori, joka johtaaharmoniseen analyysiin. Myös gradienttilause ja divergenssilause pätevät ulottuvuuksien lukumäärästä riippumatta. Sen sijaan roottori ja ristitulo eivät yleisty yhtä suoraviivaisesti.

Yleisemmältä kannalta erilaiset kentät kolmiulotteisessa vektori­analyysissä voidaan kaikki käsittääk-vektorikentiksi: skalaarikentät ovat 0-vektorikenttiä, vektorikentät 1-vektorikenttiä, pseudovektori­kentät 2-vektorikenttiä ja pseudoskalaarikentät 3-vektorikenttiä. Useampi­ulotteisessa avaruudessa kenttä­tyyppejäkin on enemmän.

Missä tahansa useampi­ulotteisessa avaruudessa, jossa on ei-degeneroitu muoto, skalaarifunktionn gradientti on vektorikenttä ja vektorikentän divergenssi skalaarifunktio, mutta vain 3 ja 7 ulottuvuudessa[3] (sekä triviaalisti 0 ulottuvuudessa) vektorikentän roottori on vektorikenttä, ja vain kolmi- tai seitsenulotteisessa avaruudessa voidaan vektorien ristitulo määritellä. Muissa tapauksissa tarvitaan jokon1{\displaystyle n-1} vektoria, jotta saadaan tulokseksi yksi vektori, tai kyseessä ovat vaihto­ehtoisetLien algebrat, jotka ovat yleisempiä antisymmetrisiä bilineaarisia tuloja. Yleisesti roottori onbivektorikenttä, joka voidaan tulkita infinitesimaalisten rotaatioidenerityiseksi ortogonaaliseksi Lien algebraksi. Sitä ei kuitenkaan voida samastaa vektorikentän kanssa, koska sillä on eri määrä ulottuvuuksia: kolmiulotteisen avaruuden rotaatioavaruuskin on kolmiulotteinen, mutta esimerkiksi neliulotteisen avaruuden rotaatio­avaruus on kuusiulotteinen (ja yleisestin-ulotteisen avaruuden rotaatioavaruus on(n2)=12n(n1){\displaystyle \textstyle {{\binom {n}{2}}={\frac {1}{2}}n(n-1)}}-ulotteinen).

Vektorianalyysille on kaksi merkittävää vaihto­ehtoista yleistystä. Ensimmäinen,geometrinen algebra, käyttääk-vektorikenttiä vektori­kenttien sijasta (enintään kolmiulotteisessa avaruudessa jokainenk-vektorikenttä voidaan samastaa skalaari- tai vektori­kentän kanssa, mutta useammassa ulottuvuudessa tämä ei käy päinsä.) Tämä korvaa vain kolmi­ulotteisessa avaruudessa käyvän ristitulonulkoisella tulolla, joka on määritelty kaikissa ulottuvuuksissa. Kahden vektorikentän ulkoinen tulo on tällöin bivektorikenttä eli 2-vektorikenttä. Algebralliselta struktuuriltaan vektoriavaruudet ovat tällöinCliffordin algebroja, joissa on myös orientaatio ja ei-degeneroitunut muoto. Geometrista algebraa käytetään enimmäkseen fysiikan ja muiden sovellettujen kenttien yleistyksiin korkeammissa ulottuvuuksissa.

Toinen yleistys käyttäädifferentiaalimuotoja (k-kovektorikenttiä) vektorikenttien taik-vektorikenttien sijasta, ja sitä käytetään laajalti matematiikassa, varsinkindifferentiaaligeometriassa,geometrisessa topologiassa jaharmonisessa analyysissa. Se johtaa erityisestiHodgen teoriaan, joka käsittelee orientoituvia pseudo-Riemannin monistoja. Tältä kannalta gradientti, roottori ja divergenssi vastaavat 0-muotojen, 1-muotojen ja 2-muotojenulkoisia derivaattoja, ja vektorianalyysin peruslauseet ovat kaikki erikois­tapauksiaStokesin lauseen yleisimmästä muodosta.

Molempien yleistysten kannalta tavanomainen vektori­analyysi samastaa implisiittisesti käsitteitä, jotka näissä yleistyksissä on toisistaan selvästi erotettava. Tämä tekeekin sen muodollisesti yksin­kertaisemmaksi mutta sen perustana olevan matemaattisen struktuurin ja yleistykset vähemmän selviksi. Geometrisen algebran kannalta vektori­analyysi samastaak-vektorikentät vektorikenttien tai skalaarifunktioiden kanssa: 0-vektorit ja 3-vektorit skalaarien, 1-vektorit ja 2-vektorit vektorien kanssa. Differentiaali­muotojen kannalta vektori­analyysi taas samastaak-muodot skalaari- tai vektori­kenttien kanssa: 0-muodot ja 3-muodot skalaari­kenttien, 1- ja 2-muodot taas vektori­kenttien kanssa. Niinpä esimerkiksi roottorin argumenttina on luonnollisesti vektori­kenttä, mutta tuloksena 2-vektori­kenttä tai 2-muoto ja näin ollen pseudo­vektori­kenttä, joka sitten tulkitaan vektori­kentäksi sen sijaan että tuloksena saataisiin suoraan vektori­kenttä. Sen sijaan useammassa ulottuvuudessa vektori­kentän roottoria ei voida tulkita vektorikentäksi.

Käännös suomeksi
Käännös suomeksi
Tämä artikkeli tai sen osa on käännetty tai siihen on haettu tietoja muunkielisen Wikipedian artikkelista.
Alkuperäinen artikkeli:en:Vector calculus

Katso myös

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Lähteet

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]
  • Sandro Caparrini: The discovery of the vector representation of moments and angular velocity. Archive for History of Exact Sciences, 2002, nro 56, s. 151–181.
  • Michael J. Crowe: A History of Vector Analysis : The Evolution of the Idea of a Vectorial System. Dover Publications; Reprint edition, 1967. ISBN 0-486-67910-1
  • J.E. Marsden: Vector Calculus. W. H. Freeman & Company, 1976. ISBN 0-7167-0462-5
  • H. M. Schey: Div Grad Curl and all that: An informal text on vector calculus. W. W. Norton & Company, 2005. 0-393-92516-1
  • Barry Spain: Vector Analysis, 2. painos. D. Van Nostrand Company Ltd, 1965. Teoksen verkkoversio.
  • Chen-To Tai: A historical study of vector analysis, Technical Report RL 915. Radiation Laboratory, University of Michigan, 1995. Teoksen verkkoversio.
  • Michie Hazewinkel: ”Vector analysis”, Encyclopedia of Mathematics. Springer, 2001. ISBN 978-1-55608-010-4 Teoksen verkkoversio.
  • Michie Hazewinkel: ”Vector algebra”, Encyclopedia of Mathematics. Springer, 2001. ISBN 978-1-55608-010-4 Teoksen verkkoversio.

Viitteet

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]
  1. Antonio Galbis, Manuel Maestre: Vector Analysis Versus Vector Calculus, s. 12. Springer, 2012. ISBN 978-1-4614-2199-3 Teoksen verkkoversio.
  2. Perp Dot Product MathWorld. Viitattu 19.12.2015.
  3. The curl in seven dimensional space and its applications springerlink.com. Viitattu 19.12.2015.[vanhentunut linkki]

Kirjallisuutta

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]

Aiheesta muualla

[muokkaa |muokkaa wikitekstiä]
Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=Vektorianalyysi&oldid=22985981
Luokka:
Piilotetut luokat:

[8]ページ先頭

©2009-2025 Movatter.jp