सदिश कलन

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सदिश कलन, या सदिश विश्लेषण, मुख्य रूप से 3-आयामी यूक्लिडियन अंतरिक्ष में सदिश क्षेत्र के व्युत्पन्न और अभिन्न अंग से संबंधित है सदिश कलन शब्द को कभी-कभी बहुविकल्पीय कलन के व्यापक विषय के समानार्थी के रूप में प्रयोग किया जाता है, जो सदिश कलन के साथ-साथ आंशिक व्युत्पन्न और एक से अधिक अभिन्न अंग भी फैलाता है। सदिश कलन अवकलन ज्यामितीय में और आंशिक अवकलन समीकरण अध्ययन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह भौतिकी और इंजीनियरिंग में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, विशेष रूप से

विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र, गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र और द्रव प्रवाह के विवरण में।

सदिश कलन को 19वीं सदी के अंत में जे. विलार्ड गिब्स और ओलिवर हीविसाइड द्वारा चार का समुदाय विश्लेषण से विकसित किया गया था, और अधिकांश संकेतन और शब्दावली गिब्स और एडविन बिडवेल विल्सन ने अपनी 1901 की पुस्तक, सदिश एनालिसिस में स्थापित की थी। क्रॉस उत्पादों का उपयोग करने वाले पारंपरिक रूप में, सदिश कलन उच्च आयामों को सामान्यीकृत नहीं करता है, जबकि ज्यामितीय बीजगणित का वैकल्पिक दृष्टिकोण जो बाहरी उत्पादों का उपयोग करता है (देखें § Generalizations के लिए नीचे)।

मूल वस्तुएं

अदिश क्षेत्र

एक अदिश क्षेत्र एक अदिश (गणित) मान को अंतरिक्ष के प्रत्येक बिंदु से जोड़ता है। अदिश एक गणितीय संख्या है है जो एक भौतिकी मात्रा का प्रतिनिधित्व करता है। अनुप्रयोगों में अदिश क्षेत्रों के उदाहरणों में पूरे अंतरिक्ष में तापमान वितरण, द्रव में दबाव वितरण, और स्पिन-शून्य क्वांटम क्षेत्र (स्केलर बोसॉन के रूप में जाना जाता है), जैसे हिग्स क्षेत्र शामिल हैं। ये क्षेत्र अदिश क्षेत्र सिद्धांत के विषय हैं।

सदिश क्षेत्र

एक सदिश क्षेत्र एक अंतरिक्ष (गणित) में प्रत्येक बिंदु के लिए एक सदिश (ज्यामिति) का एक

कार्यभार है।[1] उदाहरण के लिए, विमान में एक सदिश क्षेत्र को दिए गए परिमाण और विमान में एक बिंदु से जुड़ी प्रत्येक दिशा के साथ तीरों के संग्रह के रूप में देखा जा सकता है। सदिश क्षेत्र अक्सर नमूना के लिए उपयोग किए जाते हैं, उदाहरण के लिए, पूरे अंतरिक्ष में एक गतिशील तरल पदार्थ की गति और दिशा, या चुंबकीय क्षेत्र या गुरुत्वाकर्षण बल जैसे कुछ बल की ताकत और दिशा, क्योंकि यह बिंदु से बिंदु में बदलती है। उदाहरण के लिए, इसका उपयोग एक रेखा पर किए गए कार्य (भौतिकी) की गणना के लिए किया जा सकता है।

सदिश और स्यूडोसदिश

अधिक विकसित उपचारों में, स्यूडोसदिश क्षेत्र और स्यूडोअदिस क्षेत्र को अलग किया जाता है, जो सदिश क्षेत्र और अदिस क्षेत्र के समान होते हैं, इसके अतिरिक्त कि वे ओरिएंटेशन-रिवर्सिंग मैप के तहत साइन बदलते हैं: उदाहरण के लिए, सदिश क्षेत्र का कर्ल (गणित) एक है स्यूडोसदिश क्षेत्र, और यदि कोई सदिश क्षेत्र को दर्शाता है, तो कर्ल विपरीत दिशा में दर्शाता करता है। इस अंतर को ज्यामितीय बीजगणित में स्पष्ट और विस्तृत किया गया है, जैसा कि नीचे वर्णित है।

सदिश बीजगणित

सदिश कलन में बीजगणितीय (गैर-विभेदक) संचालन को सदिश बीजगणित के रूप में संदर्भित किया जाता है, जिसे सदिश स्थान के लिए परिभाषित किया जाता है और फिर विश्व स्तर पर सदिश क्षेत्र में लागू किया जाता है। बुनियादी बीजगणितीय संचालन में शामिल हैं:

Notations in vector calculus
Operation Notation Description
Vector addition Addition of two vectors, yielding a vector.
Scalar multiplication Multiplication of a scalar and a vector, yielding a vector.
Dot product Multiplication of two vectors, yielding a scalar.
Cross product Multiplication of two vectors in , yielding a (pseudo)vector.

समान्यता उपयोग किए जाने वाले दो ट्रिपल उत्पाद भी हैं:

Vector calculus triple products
Operation Notation Description
Scalar triple product The dot product of the cross product of two vectors.
Vector triple product The cross product of the cross product of two vectors.


ऑपरेटर और प्रमेय


विभेदक ऑपरेटर

ashसदिश कलन, अदिश या सदिश क्षेत्रों पर परिभाषित विभिन्न अवकल संकारकों का अध्ययन करता है, जो विशिष्ट रूप से डेल प्रचालक के संदर्भ में व्यक्त किए जाते हैं (), जिसे नबला के नाम से भी जाना जाता है। तीन बुनियादी सदिश ऑपरेटर हैं:[2]

Differential operators in vector calculus
Operation Notation Description Notational
analogy
Domain/Range
Gradient Measures the rate and direction of change in a scalar field. Scalar multiplication Maps scalar fields to vector fields.
Divergence Measures the scalar of a source or sink at a given point in a vector field. Dot product Maps vector fields to scalar fields.
Curl Measures the tendency to rotate about a point in a vector field in . Cross product Maps vector fields to (pseudo)vector fields.
f denotes a scalar field and F denotes a vector field

आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले दो लाप्लास ऑपरेटर भी हैं:

Laplace operators in vector calculus
Operation Notation Description Domain/Range
Laplacian Measures the difference between the value of the scalar field with its average on infinitesimal balls. Maps between scalar fields.
Vector Laplacian Measures the difference between the value of the vector field with its average on infinitesimal balls. Maps between vector fields.
f denotes a scalar field and F denotes a vector field

जैकोबियन मैट्रिक्स और निर्धारक नामक एक मात्रा कार्यों का अध्ययन करने के लिए उपयोगी होती है जब फ़ंक्शन के डोमेन और रेंज दोनों बहुविकल्पीय होते हैं, जैसे एकीकरण के दौरान चर के परिवर्तन।

अभिन्न प्रमेय

तीन बुनियादी सदिश ऑपरेटरों में संबंधित प्रमेय होते हैं जो कलन के मौलिक प्रमेय को उच्च आयामों के लिए सामान्यीकृत करते हैं:

Integral theorems of vector calculus
Theorem Statement Description
Gradient theorem The line integral of the gradient of a scalar field over a curve L is equal to the change in the scalar field between the endpoints p and q of the curve.
Divergence theorem The integral of the divergence of a vector field over an n-dimensional solid V is equal to the flux of the vector field through the (n−1)-dimensional closed boundary surface of the solid.
Curl (Kelvin–Stokes) theorem The integral of the curl of a vector field over a surface Σ in is equal to the circulation of the vector field around the closed curve bounding the surface.
denotes a scalar field and F denotes a vector field

दो आयामों में, विचलन और कर्ल प्रमेय ग्रीन के प्रमेय को कम करते हैं:

Green's theorem of vector calculus
Theorem Statement Description
Green's theorem The integral of the divergence (or curl) of a vector field over some region A in equals the flux (or circulation) of the vector field over the closed curve bounding the region.
For divergence, F = (M, −L). For curl, F = (L, M, 0). L and M are functions of (x, y).


अनुप्रयोग

रैखिक सन्निकटन

रैखिक सन्निकटन का उपयोग जटिल कार्यों को रैखिक कार्यों के साथ बदलने के लिए किया जाता है जो लगभग समान होते हैं। एक अलग कार्य को देखते हुए f(x, y) वास्तविक मूल्यों के साथ, कोई अनुमान लगा सकता है f(x, y) के लिये (x, y) के करीब (a, b) सूत्र द्वारा

दायीं ओर, के ग्राफ के समतल स्पर्शरेखा का समीकरण है z = f(x, y) पर (a, b).


अनुकूलन

कई वास्तविक चरों के निरंतर भिन्न होने वाले फ़ंक्शन के लिए, एक बिंदु P (अर्थात, इनपुट चर के लिए मानों का एक सेट, जिसे 'R' में एक बिंदु के रूप में देखा जाता है)n) 'महत्वपूर्ण' है यदि फ़ंक्शन के सभी आंशिक डेरिवेटिव पी पर शून्य हैं, या, समकक्ष, यदि इसका ग्रेडिएंट शून्य है। महत्वपूर्ण मान महत्वपूर्ण बिंदुओं पर फ़ंक्शन के मान हैं।

यदि फ़ंक्शन सुचारू रूप से कार्य करता है, या कम से कम दो बार निरंतर भिन्न होता है, तो एक महत्वपूर्ण बिंदु या तो एक स्थानीय अधिकतम, एक स्थानीय न्यूनतम या एक काठी बिंदु हो सकता है। दूसरे डेरिवेटिव के हेस्सियन मैट्रिक्स के eigenvalues ​​​​पर विचार करके विभिन्न मामलों को अलग किया जा सकता है।

फर्मेट के प्रमेय (स्थिर बिंदु) | फर्मेट के प्रमेय द्वारा, एक अलग-अलग फ़ंक्शन के सभी स्थानीय मैक्सिमा और मिनीमा महत्वपूर्ण बिंदुओं पर होते हैं। इसलिए, स्थानीय मैक्सिमा और मिनिमा को खोजने के लिए, सैद्धांतिक रूप से, इन शून्यों पर हेस्सियन मैट्रिक्स के ग्रेडिएंट के शून्य और आइगेनवैल्यू की गणना करना पर्याप्त है।

भौतिकी और इंजीनियरिंग

सदिश कलन अध्ययन में विशेष रूप से उपयोगी है:

  • सेंटर ऑफ मास
  • क्षेत्र सिद्धांत (भौतिकी)
  • गतिकी
  • मैक्सवेल के समीकरण

सामान्यीकरण


विभिन्न 3-कई गुना

सदिश कलन को शुरू में यूक्लिडियन स्पेस |यूक्लिडियन 3-स्पेस के लिए परिभाषित किया गया है, जिसमें केवल 3-आयामी वास्तविक सदिश स्थान होने से परे अतिरिक्त संरचना है, अर्थात्: एक आंतरिक उत्पाद (डॉट उत्पाद ) के माध्यम से परिभाषित एक मानदंड (गणित) (लंबाई की धारणा देना), जो बदले में कोण की धारणा देता है, और एक उन्मुखता, जो बाएं हाथ और दाएं हाथ की धारणा देती है। ये संरचनाएं एक आयतन रूप को जन्म देती हैं, और क्रॉस उत्पाद भी, जिसका व्यापक रूप से सदिश कलन में उपयोग किया जाता है।

ग्रेडिएंट और डाइवर्जेंस के लिए केवल आंतरिक उत्पाद की आवश्यकता होती है, जबकि कर्ल और क्रॉस उत्पाद को भी समन्वय प्रणाली की आवश्यकता को ध्यान में रखा जाना चाहिए (अधिक विवरण के लिए क्रॉस उत्पाद # हैंडेडनेस देखें)।

सदिश कलन को अन्य 3-आयामी वास्तविक सदिश रिक्त स्थान पर परिभाषित किया जा सकता है यदि उनके पास एक आंतरिक उत्पाद (या अधिक आम तौर पर एक सममित nondegenerate रूप) और एक अभिविन्यास है; ध्यान दें कि यह यूक्लिडियन अंतरिक्ष के लिए एक आइसोमोर्फिज्म से कम डेटा है, क्योंकि इसमें निर्देशांक (संदर्भ का एक फ्रेम) के सेट की आवश्यकता नहीं होती है, जो इस तथ्य को दर्शाता है कि सदिश कलन घूर्णन के तहत अपरिवर्तनीय है (विशेष ऑर्थोगोनल समूह SO(3)) .

अधिक आम तौर पर, सदिश कलन को किसी भी 3-आयामी उन्मुख रिमेंनियन मैनिफोल्ड पर परिभाषित किया जा सकता है, या अधिक सामान्यतः छद्म-रिमेंनियन मैनिफोल्ड। इस संरचना का सीधा सा मतलब है कि प्रत्येक बिंदु पर स्पर्शरेखा स्थान में एक आंतरिक उत्पाद होता है (अधिक आम तौर पर, एक सममित nondegenerate रूप) और एक अभिविन्यास, या अधिक विश्व स्तर पर कि एक सममित nondegenerate मीट्रिक टेंसर और एक अभिविन्यास है, और काम करता है क्योंकि सदिश कलन परिभाषित किया गया है प्रत्येक बिंदु पर स्पर्शरेखा वैक्टर के संदर्भ में।

अन्य आयाम

अधिकांश विश्लेषणात्मक परिणामों को आसानी से समझा जा सकता है, अधिक सामान्य रूप में, विभेदक ज्यामिति की मशीनरी का उपयोग करते हुए, जिनमें से सदिश कलन एक सबसेट बनाता है। ग्रैड और डिव अन्य आयामों के लिए तुरंत सामान्यीकरण करते हैं, जैसा कि ग्रेडिएंट प्रमेय, विचलन प्रमेय, और लाप्लासियन (उपज देने वाले हार्मोनिक विश्लेषण) करते हैं, जबकि कर्ल और क्रॉस उत्पाद सीधे सामान्यीकरण नहीं करते हैं।

एक सामान्य दृष्टिकोण से, (3-आयामी) सदिश कलन में विभिन्न क्षेत्रों को समान रूप से के-सदिश क्षेत्र के रूप में देखा जाता है: स्केलर क्षेत्र 0-सदिश क्षेत्र हैं, सदिश क्षेत्र 1-सदिश क्षेत्र हैं, स्यूडोसदिश क्षेत्र 2-सदिश हैं क्षेत्र, और स्यूडोस्केलर क्षेत्र 3-सदिश क्षेत्र हैं। उच्च आयामों में अतिरिक्त प्रकार के क्षेत्र हैं (स्केलर/सदिश/स्यूडोसदिश/स्यूडोस्केलर 0/1/n−1/n आयामों के अनुरूप, जो आयाम 3 में संपूर्ण है), इसलिए कोई केवल (छद्म) स्केलर के साथ काम नहीं कर सकता है और ( छद्म) वैक्टर।

किसी भी आयाम में, एक गैर-डीजेनरेट फॉर्म मानते हुए, स्केलर फ़ंक्शन का ग्रेड एक सदिश क्षेत्र होता है, और सदिश क्षेत्र का div एक स्केलर फ़ंक्शन होता है, लेकिन केवल आयाम 3 या 7 में[3] (और, क्षुद्र रूप से, आयाम 0 या 1 में) एक सदिश क्षेत्र का कर्ल एक सदिश क्षेत्र है, और केवल 3 या सात-आयामी क्रॉस उत्पाद आयामों में एक क्रॉस उत्पाद को परिभाषित किया जा सकता है (अन्य आयामों में सामान्यीकरण या तो आवश्यकता होती है सदिश 1 सदिश प्राप्त करने के लिए, या वैकल्पिक झूठ बीजगणित हैं, जो अधिक सामान्य एंटीसिमेट्रिक बिलिनियर उत्पाद हैं)। ग्रेड और डिव का सामान्यीकरण, और कर्ल को कैसे सामान्यीकृत किया जा सकता है, इसे कर्ल (गणित)#सामान्यीकरण|कर्ल: सामान्यीकरण; संक्षेप में, एक सदिश क्षेत्र का कर्ल एक द्विभाजक क्षेत्र है, जिसे अनन्तसूक्ष्म घुमावों के विशेष ऑर्थोगोनल लाई बीजगणित के रूप में व्याख्या किया जा सकता है; हालाँकि, इसे सदिश क्षेत्र से पहचाना नहीं जा सकता क्योंकि आयाम भिन्न हैं - 3 आयामों में घुमाव के 3 आयाम हैं, लेकिन 4 आयामों में घुमाव के 6 आयाम हैं (और अधिक सामान्यतः n आयामों में घुमावों के आयाम)।

सदिश कलन के दो महत्वपूर्ण वैकल्पिक सामान्यीकरण हैं। पहला, ज्यामितीय बीजगणित, सदिश क्षेत्र्स के बजाय मल्टीसदिश | के-सदिश क्षेत्र का उपयोग करता है (3 या उससे कम आयामों में, प्रत्येक के-सदिश क्षेत्र को स्केलर फ़ंक्शन या सदिश क्षेत्र से पहचाना जा सकता है, लेकिन यह उच्च आयामों में सत्य नहीं है)। यह क्रॉस उत्पाद को प्रतिस्थापित करता है, जो 3 आयामों के लिए विशिष्ट है, दो सदिश क्षेत्रों में ले रहा है और आउटपुट के रूप में एक सदिश क्षेत्र दे रहा है, बाहरी उत्पाद के साथ, जो सभी आयामों में मौजूद है और दो सदिश क्षेत्रों में लेता है, आउटपुट के रूप में एक बायसदिश (2) -सदिश) क्षेत्र। यह उत्पाद सदिश रिक्त स्थान पर बीजीय संरचना के रूप में क्लिफोर्ड बीजगणित उत्पन्न करता है (एक अभिविन्यास और नॉनडिजेनरेट फॉर्म के साथ)। ज्यामितीय बीजगणित का उपयोग ज्यादातर भौतिकी के सामान्यीकरण और अन्य अनुप्रयुक्त क्षेत्रों में उच्च आयामों में किया जाता है।

दूसरा सामान्यीकरण सदिश क्षेत्र्स या के-सदिश क्षेत्र्स के बजाय डिफरेंशियल फॉर्म्स (k-covector क्षेत्र्स) का उपयोग करता है, और गणित में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, विशेष रूप से डिफरेंशियल ज्योमेट्री, जियोमेट्रिक टोपोलॉजी और हार्मोनिक विश्लेषण में, विशेष रूप से ओरिएंटेड स्यूडो- पर हॉज थ्योरी देने में। रीमैनियन कई गुना। इस दृष्टिकोण से, ग्रेड, कर्ल और डिव क्रमशः 0-रूपों, 1-रूपों और 2-रूपों के बाहरी व्युत्पन्न के अनुरूप हैं, और सदिश कलन के प्रमुख प्रमेय स्टोक्स के सामान्य रूप के सभी विशेष मामले हैं। प्रमेय।

इन दोनों सामान्यीकरणों के दृष्टिकोण से, सदिश कलन गणितीय रूप से विशिष्ट वस्तुओं की स्पष्ट रूप से पहचान करता है, जो प्रस्तुति को सरल बनाता है लेकिन अंतर्निहित गणितीय संरचना और सामान्यीकरण कम स्पष्ट होता है। ज्यामितीय बीजगणित के दृष्टिकोण से, सदिश कलन स्पष्ट रूप से सदिश क्षेत्र या स्केलर फ़ंक्शंस के साथ के-सदिश क्षेत्र की पहचान करता है: 0-वैक्टर और स्केलर के साथ 3-सदिश, 1-वैक्टर और वैक्टर के साथ 2-सदिश। विभेदक रूपों के दृष्टिकोण से, सदिश कलन स्पष्ट रूप से स्केलर क्षेत्र्स या सदिश क्षेत्र्स के साथ k-फॉर्म्स की पहचान करता है: 0-फ़ॉर्म्स और 3-फ़ॉर्म्स स्केलर क्षेत्र्स के साथ, 1-फ़ॉर्म्स और 2-फ़ॉर्म्स सदिश क्षेत्र्स के साथ। इस प्रकार उदाहरण के लिए कर्ल स्वाभाविक रूप से एक सदिश क्षेत्र या 1-फॉर्म इनपुट के रूप में लेता है, लेकिन स्वाभाविक रूप से आउटपुट के रूप में 2-सदिश क्षेत्र या 2-फॉर्म (इसलिए स्यूडोसदिश क्षेत्र) होता है, जिसे सीधे सदिश क्षेत्र के रूप में व्याख्या किया जाता है, बजाय सीधे लेने के सदिश क्षेत्र से सदिश क्षेत्र; यह उच्च आयामों में एक सदिश क्षेत्र के कर्ल में परिलक्षित होता है, जिसमें सदिश क्षेत्र का उत्पादन नहीं होता है।

यह भी देखें

  • वास्तविक मूल्यवान समारोह
  • एक वास्तविक चर का कार्य
  • कई वास्तविक चर का कार्य
  • वेक्टर पथरी पहचान
  • वेक्टर बीजगणित संबंध
  • डेल बेलनाकार और गोलाकार निर्देशांक में
  • दिशात्मक व्युत्पन्न
  • रूढ़िवादी वेक्टर क्षेत्र
  • सोलेनॉइडल वेक्टर फील्ड
  • लाप्लासियन वेक्टर क्षेत्र
  • हेल्महोल्ट्ज़ अपघटन
  • ऑर्थोगोनल निर्देशांक
  • तिरछा निर्देशांक
  • वक्रीय निर्देशांक
  • टेंसर
  • ज्यामितीय कलन


संदर्भ

उद्धरण

  1. Galbis, Antonio & Maestre, Manuel (2012). वेक्टर विश्लेषण बनाम वेक्टर पथरी. Springer. p. 12. ISBN 978-1-4614-2199-3.{{cite book}}: CS1 maint: uses authors parameter (link)
  2. "डिफरेंशियल ऑपरेटर्स". Math24 (in English). Retrieved 2020-09-17.
  3. Lizhong Peng & Lei Yang (1999) "The curl in seven dimensional space and its applications", Approximation Theory and Its Applications 15(3): 66 to 80 doi:10.1007/BF02837124


स्रोत


बाहरी संबंध