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.
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.
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.
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 ei-differentiaalisia algebrallisia peruslaskutoimituksia, joita tarvitaan myös vektorianalyysissä, nimitetäänvektorialgebraksi.Ne on määritelty jokaisessavektoriavaruudessa, ja niitä voidaan soveltaa myös jokaiseen vektorikenttään. Niitä ovat seuraavat:
skalaarilla kertominen: skalaarikentän ja vektorikentän kertolasku, jonka tuloksena on vektorikenttä:
vektorien yhteenlasku: kahden vektorikentän yhteenlasku, jonka tuloksena on vektorikenttä:
pistetulo: kahden vektorikentän kertolasku, jonka tuloksena on skalaarikenttä:
ristitulo: kahden vektorikentän kertolasku, jonka tuloksena on vektorikenttä:.
Näistä yhdistämällä voidaan muodostaa myös kaksikolmituloa:
skalaarikolmitulo, pistetulo, jonka tekijöinä ovat vektorikenttä ja kahden muun vektorikentän ristitulo:;
vektorikolmitulo, ristitulo, jonka tekijöinä ovat vektorikenttä ja kahden muun vektorikentän ristitulo: tai.
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:
,
missäθ on vektorienv1 jav2 välinen kulma. Sitä kuitenkin harvemmin käytetään, koska se voidaan esittää myös piste- tai ristitulon avulla.
Vektorianalyysi tutkii erilaisia skalaari- ja vektorikentille määriteltyjädifferentiaalioperaattoreita, joista monet voidaan esittäänabla- eli del -operaattorin avulla (. Vektorianalyysin viisi tärkeintädifferentiaalioperaattoria ovat:
Mittaa vektorikentän tietyssä pisteessä saaman arvon ja sen tätä pistettä ympäröivässä infinitesimaalisessa kuulassa saamien arvojen keskiarvon erotusta.
Mittaa skalaarikentän tietyssä pisteessä saaman arvon ja sen tätä pistettä ympäröivässä infinitesimaalisessa kuulassa saamien arvojen keskiarvon erotusta.
Skalaarikenttä
Skalaarikenttä
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.
Vektorikentän skalaarisen roottorin integraali tasoalueen yli on yhtä suuri kuin vektorikentän käyräintegraali pintaa rajoittavan käyrän yli, kun se kierretään tasoalueen ympäri vastapäivään.
Lineaarisia approksimaatioita käytetään korvaamaan monimutkaisia funktioita lineaarisilla funktioilla, jotka saavat kaikkialla lähes samat arvot. Mitä tahansadifferentioituvaa reaaliarvoista funktiota voidaan alueella, joka on lähellä pistettä, approksimoida kaavan
avulla.
Yhtälön oikealla puolella oleva lauseke on funktion at kuvaajana olevan pinnan tangenttitason yhtälö.
Jatkuvasti differentioituvan useamman muuttujan reaalifunktion kannalta pisteP (toisin sanoen joukko arvoja kullekin muuttujalle, joka käsitetään pisteeksi avaruudessa) 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.
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.
Vektorianalyysi määriteltiin alun perin kolmiulotteisessaeuklidisessa avaruudessa, 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.
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 joko 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-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.
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
Tämä artikkeli tai sen osa on käännetty tai siihen on haettu tietoja muunkielisen Wikipedian artikkelista. Alkuperäinen artikkeli:en:Vector calculus
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.
Edwin Bidwell Wilson, Josiah Willard Gibbs: A Text-book for the Use of Students of Mathematics & Physics: Founded Upon the Lectures of J. W. Gibbs. Scribner, 1901. Teoksen verkkoversio.