OLIY VA O’RTA MAXSUS TA’LIM VAZIRLIGI MIRZO ULUG’BEK NOMIDAGI O’ZBEKISTON MILLIY UNIVERSITETI MEXANIKA-MATEMATIKA FAKULTETI GEOMETRIYA KAFEDRASI DIFFERENSIALLANUVCHI FUNKSIYALAR GRADIYENT CHIZIQLARI mavzusidagi BITIRUV MALAKAVIY ISHI Bajardi: “Matematika” ta’lim yo’nalishi bitiruvchi 4-kurs talabasi RO’ZIYEVA DILNOZA Ilmiy rahbar: f.-m.f.n. BAYTURAYEV A. Taqrizchi: f.-m.f.d. BESHIMOV R.B. Bitiruv malakaviy ishi kafedradan dastlabki himoyadan o’tdi. 2014-yil 8-may kuni 18-sonli bayonnoma. TOSHKENT-2014 2 MUNDARIJA KIRISH ............................................................................................................ I Differensiallanuvchi funksiyalar…………………………………………. 1-§. Bir va ko’p o’zgaruvchili differensiallanuvchi funksiyalar……………… 2-§. Sirtda silliq akslantirishlar…………………………………………….. II. Funksiya gradiyent chiziqlari va xossalari……………………………. 1-§. Differensiallanuvchi funksiya gradiyenti va misollar …………………… 2-§. Funksiya gradiyentining xossalari ………………………………………. 3-§. Funksiyaning gradiyent chiziqlari va misollar…………………………... XULOSA.......................................................................................................... FOYDALANILGAN ADABIYOTLAR........................................................ 3 KIRISH “Xalqning boy intelektual merosi va umumbashariy qadriyatlar asosida zamonaviy madaniyat, iqtisodiyot, fan, texnika texnologiyalarning yutuqlari asosida kadrlar tayyorlashning mukammal tizimini shakllantirish O’zbekiston taraqqiyotining muhim shartidir”. “Kadrlar tayyorlash milliy dasturi”dan. Ushbu malakaviy bitiruv ishi referativ xarakterga bo’lib, unda differensiallanuvchi funksiyalar gradiyent chiziqlarining xossalari va ularning tadbiqi o’rganilgan. Differensial geometriya va matematik analiz kursida differensiallanuvchi funksiyalar gradiyenti va gradiyent chiziqlarining xossalari muhim hisolanadi. Funksiya sath sirtlari va gradiyent chiziqlari orasidagi bog’lanish, shuningdek boshqa xossalri differensiallanuvchi funksiyalar sath sirtlari hosil qiluvchi geometrik ob’ektlarning xossalarini o’rganishda qo’llaniladi. Shu sababli bitiruv malakaviy ishi uchun shu mavzu tanlandi. Malakaviy bitiruv ishining birinchi bobida bir va ko’p o’zgaruvchili funksiyalar differensiallanuvchiligi va sirtdagi silliq akslantirishlar keltirilgan Ikkinchi bob uchta paragrafdan iborat bo’lib, birinchi paragrafda funksiya gradiyenti tushunchasi kiritilgan va misollar keltirilgan. Ikkinchi paragrafda differensiallanuvchi funksiya gradiyenti xossalar o’rganilgan. Uchinchi paragraf asosiy qism bo’lib, unda differensiallanuvchi funksiyalar gradiyent chiziqlarining xossalari o’rganilgan. Xossalar tadbiqi bir nechta misollarda ko’rsatilgan. 4 I bob Differensiallanuvchi funksiyalar 1-§. Bir o’zgaruvchili funksiya differensiali f ( x) funksiya ( a, b) intervalda aniqlangan, x0 (a, b) , x0 x (a, b) bo’lsin. U holda f ( x) funksiya ham x0 nuqtada y f ( x0 x) f ( x0 ) orttirmaga ega bo’ladi. Ta’rif-1. Agar f ( x) funksiyaning x0 (a, b) nuqtadagi orttirmasi y ni y Ax x (1) ko’rinishda ifodalash mumkin bo’lsa, f ( x) funksiya x0 nuqtada differensiallanuvchi deyiladi, bunda A – x ga bog’liq bo’lmagan o’zgarmas, esa x ga bog’liq va x 0 da (x) 0 . Agar x 0 da x (x)x 0(x) ekanini e’tiborga olsak, u holda yuqoridagi (1) ifoda ushbu y Ax 0(x) ko’rinishni oladi.Funksiya orttirmasi uchun (1) formulada Ax ifoda orttirmaning bosh qismi deb yuritiladi. Teorema-1. f ( x) funksiyaning x (a, b) nuqtada differensiallanuvchi bo’lishi uchun uning shu nuqtada chekli hosilaga ega bo’lishi zarur va yetarli. Isboti. Zarurligi. f ( x) funksiya x (a, b) nuqtada differensiallanuvchi bo’lsin. Unda y Ax 0(x) , Demak, y y 0(x) 0( x) bo’lib, lim lim( A A ) A bo’ladi. x 0 x 0 x x x x f '( x ) A . Yetarliligi. f ( x) funksiya x (a, b) nuqtada chekli f ( x) hosilaga ega bo’lsin: y f ( x x) f ( x) . lim x 0 x x 0 x f ( x) lim Agar y f ( x) deb olsak, undan y f ( x)x x ekanini topamiz. Bu x tenglikdagi miqdor x ga bog’liq va x 0 da 0 . Demak, f ( x) funksiya x ( a, b) nuqtada differensiallanuvchi bo’lib, A f ( x) bo’ladi. Isbot etilgan teorema f ( x) funksiyaning x (a, b) nuqtada chekli f ( x) hosilaga ega bo’lishi bilan uning shu nuqtada differensiallanuvchi bo’[lishi ekvivalent ekanini ko’rsatadi. 5 Funksiya differensiali va uning geometrik ma’nosi f ( x) funksiya x (a, b) nuqtada differensiallanuvchi bo’lsin. y Ax 0(x) bunda, A f ( x) bo’ladi. Bu tenglikda funksiya orttirmasi y ikki qo’shiluvchi, argument orttirmasi x ga nisbatan chiziqli Ax hamda x ga nisbatan yuqori tartibli ( x 0 ) cheksiz kichik miqdorlar yig’indisidan iborat ekani ko’rinadi. Ta’rif-2. f ( x) funksiya orttirmasi y ning x ga nisbatan chiziqli bosh qismi Ax f ( x )x berilgan f ( x) funksiyaning x Funksiyaning differensiali dy df ( x) A x f ( x)x . nuqtadagi differensiali deb ataladi. dy yoki df ( x) kabi belgilanadi: Endi x (a, b) nuqtada differensiallanuvchi bo’lgan f ( x) funksiyaning grafigi chizmada ko’rsatilgan chiziqni ifodalasin deylik. y x Bu chiziqning x, f ( x ) , x x, f ( x x) nuqtalari mos ravishda F va B bilan belgilaylik. Unda bo’ladi. f ( x) funksiya x (a, b) FC x BC y nuqtada differensiallanuvchi bo’lgani uchun u x nuqtada chekli f ( x) hosilaga ega. Demak, f ( x) funksiya grafigiga uning F x, f x nuqtasida o’tkazilgan FL urinma mavjud va bu urinmaning burchak koeffitsienti tg f x shu FL urinmaning BC bilan kesishgan nuqtasini D bilan belgilaylik. Ravshanki, FDC dan DC tg FC f x x ekani kelib chiqadi. DC tg va undan FC 6 Demak, f x funksiyaning grafigiga F x, f x x nuqtadagi differensiali dy f x x funksiya DC ni DC dy nuqtada o’tkazilgan urinma orttirmasi ifodalaydi. Ko’p o’zgaruvchili funksiya differensiali y f x funksiya ochiq M M Rm to’plamda berilgan bo’lib, bu to’plamning x0 nuqtasida differensillanuvchi bo’lsin. Ta’rifga ko’ra, u holda f x funksiyaning x0 nuqtadagi orttirmasi f x0 A1x1 A2 x2 ... Am xm 0 (2) bo’lib, bunda Ai f x 0 xi , i 1, 2,..., m va x1 0, x2 0,..., xm 0 va 0 bo’ladi. (2) tenglikning o’ng tomoni ikki qismdan 1). x1 , x2 ,..., xm orttirmalarga nisbatan chiziqli ifoda A1x1 A2x2 ... Amxm dan 2). x1 0, x2 0,..., xm 0 da, ya’ni 0 da ga nisbatan yuqori tartibli cheksiz kichik miqdor 0 dan iborat. Shuningdek, (2) munosabatdan 0 da A1x1 A2x2 ... Amxm - cheksiz kichik miqdor, f x 0 - cheksiz kichik miqdorning bosh qismi ekanligini payqaymiz. Ta’rif-3. f ( x) funksiya orttirmasi f x 0 ning x1 , x2 ,..., xm larga nisbatan chiziqli bosh qismi A1x1 A2 x2 ... Am xm f x funksiyaning x 0 df x0 . 0 1 0 2 0 m x1 x1 f x0 x2 df x10 , x20 ,..., xm0 A x A x 1 x2 ... f x0 xm xm . nuqtadagi differensiali (to’liq differensiali) deb ataladi va yoki df ( x ) df x , x ,..., x 0 f x0 1 2 2 ... Am xm kabi f x0 x1 x1 f x0 x2 belgilanadi. x2 ... f x0 xm xm 7 Agar x1 , x2 ,..., xm erkli o’zgaruvchilarning ixtiyoriy orttirmalari x1 , x2 ,..., xm lar mos ravishda bu o’zgaruvchilarning differensiallari dx1 , dx2 ,..., dxm ga teng ekanligini e’tiborga olsak, unda f x funksiyaning differensiali quyidagi df x 0 f x0 x1 dx1 f x0 x2 dx2 ... f x 0 xm dxm (2) ko’rinishga keladi. Odatda f f f dx1 , dx2 ,..., dxm lar f x funksiyaning xususiy differensiallari x1 x2 xm deb ataladi va ular mos ravishda dx1 f , dx2 f ,..., dxm f kabi belgilanadi: dx1 f f f f dx1 , dx2 f dx2 ,..., dxm f dxm . x1 x2 xm Demak, f x funksiyaning x 0 nuqtadagi differensiali, uning shu nuqtadagi xususiy differensiallari yig’indisidan iborat. Shuni ta’kidlash lozimki, f x1 , x2 ,..., xm funksiyaning differensiali x10 , x20 ,..., xm0 nuqtaga bog’liq bo’lishi bilan birga bu o’zgaruvchilarning orttirmalari x1 dx1 , x2 dx2 ,..., xm dxm larga ham bog’liqdir. Funksiya differensiali soda geometrik ma’noga ega.Quyida uni keltiramiz. y f x f x1 , x2 ,..., xm funksiya ochiq M to’plamda berilgan bo’lib, x0 x10 , x20 ,..., xm0 nuqtada x0 M differensiallanuvchi bo’lsin. Demak, bu funksiyaning x 0 nuqtadagi orttirmasi f x0 f x10 x, x20 x,..., xm0 x f x10 , x20 ,..., xm0 uchun f x0 f x1 x0 x1 x10 f x2 x0 x2 x20 ... f xm x0 xm xm0 0 bo’ladi. Faraz qilaylik, y f x funksiyaning grafigi R m 1 fazodagi ushbu S x1 , x2 ,..., xm ; y : x1, x2 ,..., xm R m , y R sirtdan iborat bo’lsin.Geometriyadan ma’lumki, bu sirtning x10 , x20 ,..., xm0 ; y0 nuqtasidan y0 f x10 , x20 ,..., xm0 o’tuvchi hamda Oy o’qiga parallel bo’lmagan tekisliklarning umumiy tenglamasi Y y0 f x1 x 0 x1 x10 f x2 x0 x2 x20 ... f xm x0 xm xm0 (4) 8 x , x ,..., x tekislik esa S sirtga 0 1 0 2 0 m ; y0 nuqtasida o’tkazilgan urinma tekislik deb ataladi.Agar x1 x10 dx1 , x2 x20 dx2 ,..., xm xm0 dxm deyilsa, unda (4) urinma tekislik Y y0 f x1 x 0 dx1 f x2 x0 dx2 ... f xm x0 dxm df x 0 ko’rinishga keladi. Natijada quyidagiga kelamiz: y f x1 , x2 ,..., xm funksiya argumentlari x1 , x2 ,..., xm larning x1 x10 , x2 x20 ,..., xm xm0 qiymatlariga mos ravishda orttirma beraylik. U holda funksiyaning mos orttirmasi f x0 f x10 x, x20 x,..., xm0 x f x10 , x20 ,..., xm0 y y0 S sirt x , x ,..., x 0 1 0 2 0 m ; y0 va x10 x1 , x20 x2 ,..., xm0 xm ;Y nuqtalarning oxirgi, y koordinatasi olgan orttirmani bildiradi. Funksiyaning shu nuqtadagi differensiali esa df x0 Y y0 ga teng. 2-§. Sirtdagi silliq akslantirishlar. - regulyar sirt va G : R m akslantirish berilgan. p -sirtning biror nuqtasi bo’lsin. Ta’rif-4. sirtning p nuqta atrofida ixtiyoriy silliq f , G parametrlash usuli uchun g f : G R m silliq akslantirish bo’lsa, g -akslantirish p nuqtada silliq akslantirish deyiladi. [3]. r r Agar f , G parametrlash usuli r r u , v tenglama bilan berilgan bo’lsa, g f akslantirish g akslantirishning egri chiziqli u , v koordinatalardagi ifodasi deyiladi. Izoh.Ta’rifga ko’ra g silliq akslantirish bo’lishi uchun sirtning p nuqta atrofidagi ixtiyoriy f , G parametrlash usuli uchun, g f : G R m akslantirish differensiallanuvchi bo’lishi kerak. Bu yerda G - u , v tekislikdagi elementar soha bo’lganligi uchun g f akslantirish m ta 9 y1 g1 u , v y2 g 2 u , v K ym g m u , v funksiyalar differensiallanuvchi bo’lishi kerak, lekin quyidagi teorema ko’rsatadiki, g silliq akslantirish bo’lishi uchun birorta regulyar f , G parametrlash usuli uchun g f ning differensiallanuvchi bo’lishi yetarlidir. Teorema-2. Berilgan g : R m akslantirish p nuqtada silliq akslantirish bo’lishi uchun sirtning p nuqta atrofidagi birorta regulyar f1 , G parametrlash usuli uchun g f1 : G1 R m akslantirishning differensiallanuvchi bo’lishi zarur va yetarlidir.[3] Isbot.Tabiiyki, bu yerda faqat yetarlilik qismini isbotlash lozimdir.Demak, biz ixtiyoriy silliq parametrlash usuli f , G -uchun g f : G R m akslantirishning differensiallanuvchi ekanligini ko’rsatishimiz kerak. p nuqtaning f1 , G1 parametrlash usulidagi koordinatalari w0 , s 0 , f , G -parametrlash usulidagi koordinatalari u0 , v0 va W f (G ) I f1 G1 bo’lsin. Shunda U f 1 W to’plam u0 , v0 nuqtaning atrofi bo’ladi va bu atrofda g f g f1 f11 f tenglik o’rinli. Teorema shartiga ko’ra, g f1 differensiallanuvchi akslantirishdir.Shuning uchun, biz f11 f : U G1 akslantirishning differensiallanuvchi ekanligini ko’rsatishimiz kerak. Regulyar parametrlash usuli f1 , G1 differensiallanuvchi x x w, s y y w, s z z w, s x y z Funksiyalar yordamida beriladi va rank w w w 2 tenglik o’rinlidir. xs y s z s Faraz qilaylik, xw yw xs ys 0 bo’lsin. Teskari funksiya haqidagi teoremani x x w, s x0 x w0 , s0 y y w, s y0 y w0 , s0 10 sistemaga qo’llaymiz.Shunda silliq w w x, y , s s x, y funksiyalar mavjud bo’lib, x x w x, y , s x, y w0 w x0 , y0 y y w x, y , s x, y s0 s x0 , y0 tengliklar o’rinli z z w x, y , s x, y x, y x, y bo’ladi. Uchinchi koordinatamiz larning funksiyasi bo’ladi. Demak, p nuqta atrofida x, y lar ichki koordinatalar bo’lib, sirt z x, y funksiya grafigidan iborat bo’ladi. Shunda : x, y , z x, y proyeksiya va w w x, y , s s x, y funksiyalar yordamida berilgan f%: x, y w, s akslantirish differensiallanuvchi bo’lganligi uchun f11 x, y, z f% x, y, z akslantirish differensiallanuvchidir. Demak, f11 f ham differensiallanuvchidir. Misol. U , r parametrlash usuli S sirtda berilgan bo’lsin. Shunda r 1 : r U R 2 silliq bo’ladi. Agar S1 , S2 R3 da 2ta sirt berilgan bo’lsin. F : S1 R3 akslantirish orqali F : S1 S2 akslantirish qandayligini tushunish mumkin, chunki S2 R3 . Aniqki, i F ko’rinishdagi akslantirish mavjud bo’ladi, qachonki i : S2 R 3 akslantirish ochiq bo’lsa. Ta’rif-5. F : S1 S2 akslantirish silliq deyiladi, agar F : S1 R3 silliq akslantirish unga tegishli bo’lsa. R3 da S1 sirt va G : R 3 R 3 -diffeomorfizm berilgan bo’lsin. Shunda S 2 G S1 -sirtda ham G |S : S1 S2 akslantirish silliq.Ko’rinib turibdiki, har 1 bir silliq akslantirish uzluksiz ham bo’ladi.[3] Ta’rif-6. F : S1 S2 akslantirish diffeomorfizm deyiladi, agar F -biyektiv va F va F 1 akslantirishlar silliq bo’lsa.[3] Bizga 1 , 2 sirtlar va g : 1 R3 akslantirish berilib, g 1 2 bo’lsa, g : 1 2 akslantirish berilgan deyiladi. 11 g : 1 R3 Tabiiyki, differensiallanuvchi bo’lsa, g : 1 2 differensiallanuvchi deyiladi.Agar g differensiallanuvchi bo’lsa, 1 sirtdagi silliq egri chiziqning obrazi 2 sirtda silliq egri chiziq bo’ladi. Ta’rif-7. 1 sirtdagi ixtiyoriy egri chiziqning p nuqtadagi urinma vektorini g egri g p chiziqning Tp 1 Tg p 2 akslantirish g dg p nuqtadagi urinma vektoriga o’tkazuvchi akslantirishning p nuqtadagi differensial deb ataladi va ko’rinishda belgilanadi. [3] Bizga g : R3 R3 differensiallanuvchi akslantirish berilgan va 2 g 1 bo’lsa, dg p - g akslantirishning p nuqtadagi Yakobi matritsasi bilan ustma-ust tushishini ko’rsataylik. r r 1 sirt p nuqta atrofida r r u , v (3) tenglama bilan berilgan va 2 sirt g p nuqta r r atrofida u , v (4) tenglama bilan r berilgan bo’lsa, u, v vektor g x u , v , y u , v , z u , v -nuqtaning radius vektoridir. Endi u0 , v0 -nuqtadan u u t o’tuvchi egri chiziq ichki koordinatalarda v v t va u0 u t0 , v0 v t0 bo’lsa, r r r a ru u t0 rv v t0 chiziqning p chiziqning g p (5) tenglamalar bilan berilgan nuqtadagi urinma vektori nuqtada urinma vektori vektordir. 2 sirtda g egri r r r b u u t0 v v t0 (6) vektordir. Agar g x, y, z g1 x, y, z , g 2 x, y, z , g 3 x, y, z va x0 x u0 , v0 , y0 y u0 , v0 , z0 z u0 , v0 r r bo’lsa, b I g x0 , y0 , z0 a tenglik o’rinlidir. Bu yerda g1x x0 , y0 , z0 g x2 x0 , y0 , z0 g x3 x0 , y0 , z0 I g x0 , y0 , z0 g 1y x0 , y0 , z0 g y2 x0 , y0 , z0 g 3y x0 , y0 , z0 1 2 3 g z x0 , y0 , z0 g z x0 , y0 , z0 g z x0 , y0 , z0 g akslantirishning p nuqtadagi Yakobi matritsasidir. Teorema-3. dg p chiziqli akslantirishdir. 12 r Isboti. (6) formuladan ko’rinib turibdiki, agar a vektor Tp 1 fazoda a1 , a2 r koordinatalarga ega bo’lsa, b vektor ham Tg p 2 fazoda xuddi shu koordinatalarga ega bo’ladi. Koordinatalarning chiziqliligidan dg p akslantirishning chiziqli ekanligi kelib chiqadi. Silliq akslantirishga misollar. 1). Doimiy f : S R k : a A0 , A0 R k akslantirish silliq bo’ladi, egri chiziqli koordinata koeffitsienti f r u , v A0 shaklida ifodalansa. 2). Ochiq akslantirish i : S R3 : a a silliq, agarda f r i or r bo’lsa. Sirtda differensial silliq akslantirishlar. Akslantirish hosilasi uchun geometrik interperetatsiya quramiz. G : B R 3 silliq akslantirish berilgan, B R3 da ochiq qism to’plam va G x, y, z g1 x, y , z , g 2 x, y , z , g 3 x, y , z . r r Shunda har bir a x0 , y0 , z0 B nuqta uchun G a : Ra3 RG3 a akslantirish hosilasi chiziqli akslantirish bo’ladi, Yakobi matritsasi mavjud bo’ladi: D g1 , g 2 , g3 D x, y, z ij ,1 i, j 3 . x0 , y0 , z0 Belgilash kiritamiz: 1 g g g g , 2 g , 3 g x y z shunda ij j gi x0 , y0 , z0 bo’ladi. Har bir h R3 vektor uchun h1 , h2 , h3 3 3 3 j 1 j 1 koordinatalar bo’ladi, G a h vektorning koordinatalari 1 j h j , 2 j h j , 3 j h j t0 j 1 nuqtada t x t , y t , z t yo’llar urinma vektori - h vektor berilgan, t0 h . t0 nuqtada G o t yo’lining urinma vektori G a h vektor bo’lishini ko’rsatamiz. Buning uchun quyidagi ayniyatni differensiallaymiz: G o t g1 x t , y t , z t , g2 x t , y t , z t , g3 x t , y t , z t h1 , h2 , h3 x t0 , y t0 , z t0 bo’lganda, 13 uuuuuuur 3 3 k 1 k 1 G o t0 k g1 x0 , y0 , z0 hk , k g 2 x0 , y0 , z0 hk , k g3 x0 , y0 , z0 hk 3 k 1 3 3 3 1k hk , 2 k hk , 3k hk bo’ladi. k 1 k 1 k 1 Keyingi kiritmaga kelamiz: G a akslantirish hosilasi t yo’l urinma vektorini G o t yo’l urinma vektoriga ko’chiradi. Izoh. Qurilgan interpretatsiya ixtiyoriy o’lchamdagi fazolarni silliq akslantirish uchun ham o’rinli bo’ladi. F : S1 S2 sirtda silliq akslantirish va a S1 berilgan bo’lsin. Shunda S1 sirtlar har qanday I , silliq yo’llarga muvofiq S 2 sirtlarda I , F o silliq yo’l, agar t yo’l a nuqta orqali t t0 yoniga o’tadi. Ta’rif-8. Ta S1 TF ( a ) S2 akslantirish S1 sirtda yotuvchi t yo’lning t0 urinma vektoriga ( t0 a ) F o yo’lning t0 nuqtadagi urinma vektori F o t0 ni uuuuur mos qo’ysa, F : S1 S2 akslantirishning a nuqtadagi differensiali deyiladi va dF a bilan belgilanadi. Dastlab akslantirish to’g’riligini tekshiramiz. Buning uchun quyidagini ko’rsatishimiz lozim, agar t va 1 t 2ta yo’llarki, S1 sirtda yotadilar, uuuuuur uuuuuur 1 t0 1 s0 umumiy urinma vektor bo’ladi, qachonki, t0 1 s0 a1 , F o va F o 1 yo’llar t0 va s0 nuqta tegishli bo’lgan umumiy urinma vektor bo’ladi. Haqiqatdan ham u , r r u , v parametrlash usuli S1 sirtda a nuqtaning atrofi, u u t , v v t va u u1 s , v v1 s ichki berilish va 1 yo’lga tegishli. U holda quyidagi lemmaga ko’ra, Lemma. t yo’l berilgan, S1 sirtda yotadi, U , r parametrlash usulining ichki berilish tenglamalari u u t , v v t bo’lsin. U holda r t u t u r v t v r . Tabiiy reper u r u0 , v0 , v r u 0 , v0 koordinatalari u to , v t0 va uur t0 va 1 s0 urinma vektorlarga tegishli bo’ladi.[3] u1 s0 , v1 s0 . 14 F o va F o 1 yo’llar urinma vektori topiladi, u quyidagi munosabat differensialiga tegishli F o t Fr u t , v t va F o 1 s Fr u s , v s qachonki Fr F or F uchun koordinat ifoda. Murakkab funksiyani differensiallash qoidasiga ko’ra: F o t F u , v u t F u , v v t uuuuuur uuuur uuuur F o s F u , v u s F u , v v s . uuuuur 1 uuuur uuuur 0 u r 0 0 0 v r 0 0 0 0 u r 0 0 0 v r 0 0 0 Bu formuladan kuchli tenglik kelib chiqadi: u t0 u1 s0 , v t0 v1 s0 F o t F o s . uuuuur uuuuuur 0 1 0 Teorema-4. dF : Ta S1 TF a S2 akslantirish chiziqli akslantirish bo’ladi. Aytaylik, M n o’lchamli silliq ko’pxillik, U , - M dagi lokal karta, f :M R dagi funksiya bo’lsin. Ta’rif-9. f funksiyaning U , lokal kartaga nisbatan koordinatalik qiymati deb, f o 1 : U R funksiyaga aytiladi. [3] Ta’rif-10. f : M R funksiya silliq deyiladi, agar M dagi har qanday U , lokal karta uchun f o 1 koordinatalik qiymat silliiq funksiya bo’lsa, ya’ni barcha tartibli uzluksiz xususiy hosilalarga ega. Xuddi shu kabi M dan olingan ochiq to’plamostida aniqlangan funksiyaning silliqligi aniqlanadi. Teorema-5. f : M R funksiya silliq bo’ladi, faqat va faqat shundaki, qachonki x U va f o 1 munosabat x nuqtada silliq bo’ladigan har qanday x M nuqta uchun M da U , lokal karta mavjud bo’lsa. Isboti. Teoremaning zarurligi aniq. 15 Yetarliligi. V , M da ixtiyoriy karta bo’lsin. f o 1 : V R funksiyaning silliqligini isbot qilishimiz kerak. Buning uchun uning ixtiyoriy x V , x V nuqtada silliqligini isbot qilish yetarli. M da shunday U , karta topamizki, u teoremada keltirilgan. U holda x nuqta atrofida f o 1 funksiyani f o 1 f o 1 o o 1 ko’rinishda ifodalash mumkin. Shartga ko’ra, f o 1 funksiya x nuqtada silliq . o 1 akslantirish x nuqtada kartalarning silliq bog’langanliligiga asosan silliq bo’ladi. Demak, f o 1 funksiya silliq akslantirishlar kompozitsiyasi sifatida silliq bo’ladi. Har qanday silliq f akslantirishlar kompozitsiyasi f funksiya M U da uzluksiz, chunki uni uzluksiz f o 1 o sifatida lokal ifodalash mumkin. Natija. Funksiyaning sillioqlik sharti lokaldir, ya’ni f funksiyaning silliqligi uchun har qanday x nuqta uchun uning shunday U ochiq atrofi mavjud bo’lsaki, f U silliq bo’ladi. Misol. Aytaylik, M da U , lokal karta berilgan bo’lsin. xi : U R, 1 i n funksiyani qaraymiz, u a U nuqtada a u1 a ,..., u n a nuqtaning i koordinatasini mos qo’yadi, ya’ni xi a ui a . Ko’rilgan x i : U R funksiyalar koordinatlik deyiladi. Biz koordinatlik funksiyalarni silliq deb ta’kidlaymiz. Buning uchun teoremaga asosan, x o b x b u b u b i 1 i 1 i 1 i b U funksiyalar U : u i b1 ,..., bn bi dagi oddiy koordinatlik funksiyalar bilan ustma-ust tushishini ko’rsatish yetarli. 16 II bob Funksiya gradiyenti va uning xossalari 1-§. Gradiyent ta’rifi va misollar uuur F F F uuur F F F F , , yoki F i j k x y z x y z bu vektor F x, y, z skalyar funksiyaning gradiyent vektori deyilib, “nable ef” uuur deb o’qiladi. Shartga ko’ra F 0 bo’lib, sirtning har bir oddiy nuqtasida tayin gradiyent vektor bordir. Ta’rif-11. u F x, y , z maydon funksiyasi yordamida aniqlangan skalyar maydonning P x, y , z nuqtasida aniqlangan ushbu r r r Fx x, y, z i Fy x, y, z j Fz x, y, z k vektorga skalyar maydon gradiyenti deyiladi va grad F x, y, z kabi yoki qisqacha grad u : u r u r u r i j k x y z kabi belgilanadi.[6] Gradiyent tushunchasini skalyar maydonga bevosita aloqador ekanini ko’rsataylik.Buning uchun bir nuqtadan ikkinchi nuqtaga o’tganida U x, y, z ning qanday o’zgarishini tekshirib ko’ramiz. Skalyar maydondagi biror M nuqta orqali ma’lum bir l yo’nalishli l to’g’ri chiziq o’tkazaylik. U funksiyaning shu nuqtadagi qiymati U M bo’lib, L to’g’ri chiziqning M ga yaqin M nuqtadagi qiymati U M bo’lsin. Ushbu U M U M nisbatning MM M M dagi limiti U M funksiyaning l yo’nalish bo’ylab olingan hosilasi deyiladi va U M simvol bilan belgilanadi ya’ni l U M U M U M . lim M M l MM Bu hosila U M funksiyaning M nuqtada l yo’nalish bo’yicha o’zgarish suratini aniqlaydi. M nuqtadan xohlagancha to’g’ri chiziq o’tkazish mumkin. Shuning 17 uchun U funksiya berilgan nuqtada cheksiz ko’p yo’nalishlar bo’yicha hosilalarga l vektorni bir-biriga tik uchta i, j , k yo’nalish bo’yicha yoyish mumkinligi egadir. sababli U hosilani shu uch yo’nalish bo’yicha olingan hosilalar orqali ifodalash l mumkin: U M U U U cos l , x cos l , y cos l , z . l x y z Endi l to’g’ri chiziq o’rniga M nuqtadan o’tuvchi biror L chiziqni olib, U M U M M M ј MM lim ni qaraylik. Bu limit U x, y, z funksiyadan L chiziqning S yoyi bo’yicha olingan hosilasi bo’lib, uni biz U M U M U U bilan belgilaymiz: . lim ј s M M s MM Bu hosila U ning L chiziq bo’yicha hosilasi deyiladi. Murakkab funksiyani differensiallash qoidasiga muvofiq: U U dx U dy U dz s x ds y ds z ds L chiziq uchun (7) dx dy dz hosilalar uning M nuqtadagi urinmasining birlik , , ds ds ds vektori ning koordinatalaridir (yo’naltiruvchi kosinuslari) , , . Agar M ds ds ds dx dy dz nuqta ma’lum bo’lsa, U U U hosilalar tezda topiladi, demak, U funksiyaning , , x y z chiziq bo’ylab olingan hosilasi, shu chiziqning M nuqtadagi urinmasi yo’nalishi bo’ylab olingan hosilasiga teng ekan. U U U hosilalar M nuqtadan o’tuvchi ekvipotensial U C sirtning shu , , x y z nuqtadagi gradiyent vektorining koordinatalari ekani va bu gradiyentning shu sirt normali bo’ylab yo’nalganligi bizga ma’lum. Demak, U U U U U U , , i j k (8) y z x y z x ni eslasak, (7)ni skalyar ko’paytma shaklida yoza olamiz: 18 dU grad U ds (9) bu formula ikki vektorning skalyar ko’paytmasini ifodalaydi, ulardan biri birlik vektordir, demak, r dU ni gradU ning yo’nalishdagi proyeksiyasi deb ds qarash mumkin: dU grad U (10). ds Skalyar maydonning gradiyent vektor maydonni tashkil etadi.[4] (10) formuladan muhim natijalar keltirib chiqarish mumkin: 1. Berilgan maydonning berilgan M nuqtasida U dan biror L yo’nalish bo’yicha olingan hosila faqat shu yo’nalishga bog’liq bo’lib, L chiziqning tanlanishiga bog’liq emas, chunki berilgan yo’nalishga M nuqtada urinuvchi chiziqlar ko’p;[4] 2. Har qanday vektorni o’z yo’nalishidagi to’g’ri chiziqqa proyeksiyalaganda, є proyeksiya absolyut qiymat jihatidan eng kata qiymatga erishadi prl a a cos al . shuning uchun dU hosila gradiyent yo’nalishida eng katta qiymatga erishadi, ya’ni ds U maydonning eng zo’r sur’atda o’zgarishi grad U yo’nalishida bo’lib, bu eng katta “tezlik” grad U ga tengdir; maydon qancha tez o’zgarsa, bu modul shuncha katta. Misol, uydagi pechkadan tarqalgan temperatura maydonini olsak, uning gradiyent pechka tomon yo’nalgan bo’ladi. 2 U U U 3. (8) dan grad U demak, faqat x y z 2 2 U U U 0, 0, 0 (11) x y z bo’lgandagina gradiyent nolga teng bo’ladi. Ammo, o’zgaruvchan bo’lsa-da, maydonning ayrim nuqtalarida (11) shart yuz berishi mumkin.Biz bunday nuqtalarni maydonning maxsus nuqtalari deb ataymiz. Ularda grad U 0 .[4] 4. Keltirilgan xossalardan gradiyent sof fizik miqdor bo’lib, u koordinatalar sistemasini tanlab olishga bog’liq emasligi kelib chiqadi.[4] 19 Misollar. 1). Quyidagi maydon gradientlarini toping. grad u u u u i j k x y z a). u x2 y 2 z 2 javob: grad u i j k b). u x2 2 y 2 3z 2 xz yz xy yechish: u u u 2 x z y, 4 y z x, 6z x y x y z javob: grad u 2 x z y i 4 y z x j 6 z x y k 2). u x2 2 y 2 3z 2 xy 3x 2 y 6 z skalyar maydonning O 0, 0, 0 va A 2, 0,1 nuqtalardagi gradiyenti topilsin. Yechish. grad u 2 x y 3 i 4 y x 2 j 6 z 6 k . Berilgan nuqtalardagi gradiyentlarini esa quyidagicha topamiz: grad u 0, 0, 0 3i 2 j 6k grad u 2, 0,1 7i 2-§. Differensiallanuvchi funksiyalar gradiyentining xossalari Biz bu paragrafda evklid fazosida aniqlangan differensiallanuvchi funksiyalar gradiyentining ba’zi xossalarini o’rganamiz. 1. Ikkita skalyar funksiya yig’indisining grad u v grad u grad v . Bu xossa gradiyent ta’rifidan kelib chiqadi, chunki grad U 2. grad u v u grad v v grad u . U U U i j k. x y z gradiyenti 20 Haqiqatdan, grad x u v u, v u v v u x x x boshqa koordinatalar uchun ham shunga o’xshash tengliklarni yozsak, aytilgan xossa isbot bo’ladi. 3. grad c grad c 0, c const . Ta’rifdan foydalanamiz: c c c i j k 0i 0 j 0 k x y z 4. gradcu 5. grad c 0 grad cu cgrad u , c const ta’rifdan: u u cu cu cu u u u u i j k c ic j c k c i j k cgradu . x y z x y z y z x u vgradu ugradv grad v2 v u u u v u u v v y u u y v v u u v v v v u grad i j k x 2 x i j z 2 z k 2 x y z v v v v 1 1 v xu u x v i v yu u y v j v zu u z v k 2 v xui yuj zuk u xvi y vj z vk 2 v v 1 vgradu ugradv . 2 vgradu ugradv v v2 6. grad f u f u gradu grad f u f x 7. grad u n 8. quyidagicha isbotlaymiz: u u u i f y j f z k f u gradu . x y z grad u n nu n1 gradu u u u n 1 u n 1 u n 1 u nu i nu j nu k nu n 1 i j k nu n 1gradu . x y z y z x Skalyar maydonda berilgan f u , v, w funksiya (egri chiziqli ortogonal koordinatada) gradiyentini topish formulasini keltirib chiqaring.[5] Yechish. eu , ev , ew - ko’chma chiziqli bog’lanmagan vektorlar berilgan. eu , ev vektorlar tekislikda yotadi, w const sirt koordinatalariga urinma, ew vektor bu tekislikka orthogonal va, demak, skalyar gradientga kolleniar. w const sirt koordinalariga ortogonal, w vektor 21 ew k3 grad w (14) Bu yerda, k3 -biror ko’paytuvchi. u u s,v v s, w ws chiziqlarni qaraymiz. r r u s , v s , w s differensial radius vektorni hosilasini olamiz: dr du du du . ru rv rw ds ds ds ds grad w skalyar orqali ifodalaymiz. dw dw rw grad w . ds ds rw grad w 1 Agar rw k3 rw rw ew va (14)dan k3 grad w 1 u const v const grad f u, v, w 9. bo’lsa, eu f ev f ew f 1 1 1 k1 ru k2 rv k3 rw k1 u k2 v k3 w grad u grad v grad w Silindrik koordinatalar sistemasida berilgan maydon uchun gradiyent topish formulasini keltirib chiqaring.[5] Yechish. Silindrik koordinatalar sistemasi koordinatalari: x cos y sin . z z 8-misoldan foydalanamiz: u f r , , z k1 k2 1 1 1 1 2 2 2 2 grad r cos sin 2 x y z r r r 1 1 2 2 2 grad x y z 1 sin cos 2 2 2 2 1 22 k3 1 1 1 2 2 2 grad z x y z z z z grad u 10. javob: u 1 u u er e ez . r r z Sferik koordinatalar sistemasida berilgan maydon uchun gradiyent topish formulasini keltirib chiqaring. Yechish. Sferik koordinatalar sistemasi koordinatalari: x cos cos y sin cos z sin . 8-misoldan foydalanamiz: u f r , , k1 k2 1 1 1 1 2 2 2 2 2 grad r cos cos sin 2 cos 2 sin 2 x y z r r r 1 1 2 2 2 grad x y z k3 1 2 cos 2 sin 2 2 sin 2 sin 2 2 cos 2 1 1 2 2 2 grad x y z javob: grad u 1 2 sin 2 cos2 2 cos2 cos2 1 1 cos u 1 u 1 u e e e . cos 3-§. Differensiallanuvchi funksiyalarning gradiyent chiziqlari Bizga n-o’lchamli Evklid fazosida aniqlangan y f x1 , x2 ,..., xn differensiallanuvchi funksiya berilgan bo’lsin. Ta’rif-12. x& grad f x gradiyent sistema yechimlarining integral chiziqlari berilgan funksiyaning gradiyent chiziqlari deyiladi. 23 Berilgan maydonning P0 x0 , y0 , z0 nuqtasidagi grad U grad F x, y , z vektori va P0 nuqtadan o’tuvchi sath sirtlarini qanday joylashganligini aniqlashdan boshlaymiz. Aytaylik, P0 nuqtadan o’tuvchi sath sirti F x, y , z c0 yoki F x, y, z c0 0 (12) bo’lsin. l egri chiziq esa (12) sirtda yotuvchi va P0 nuqtadan o’tuvchi egri chiziq bo’lib, uning tenglamasi x x t y y t parametrik ko’rinishda berilgan bo’lsin. Bunda z z t x t , y t , z t – differensiallanuvchi funksiyalar va x0 x t0 , y0 y t0 , z0 z t0 . Bu chiziq sirtda yotgani uchun F x t , y t , z t c0 0 bo’ladi. Bu tenglikda t parametr bo’yicha differensiallab, quyidagini hosil qilamiz: F F F x t y t z t 0 . x y z Agar t t0 desak, unda Fx x0 , y0 , z0 x t0 Fy x0 , y0 , z0 y t0 Fz x0 , y0 , z0 z t0 0 bo’ladi. Bu tenglikni chap tomoni ikkita r r r grad F P0 Fx x0 , y0 , z0 i Fy x0 , y0 , z0 j Fz x0 , y0 , z0 k va ur r r r r t0 x t0 i y t0 j z t0 k vektorlarning skalyar ko’paytmasiga teng. ur r t0 vektor L egri chiziqning urinmasi bo’ylab yo’nalgan. 24 ur Demak, grad u P0 r t0 0 (13). Agar grad u P0 0 bo’lsa, unda (13)ur tenglikka ko’ra grad u P0 r t0 bo’ladi.Egri chiziq ixtiyoriy bo’lgani uchun grad u P0 vektor sirtning sath sirti ustidagi P0 nuqtasiga o’tkazilgan barcha urinmalariga perpendikulyar bo’ladi.[6] Demak, biz quyidagi teoremani isbotladik. Teorema-6. Tekislikda aniqlangan differensiallanuvchi funksiyalar gradiyent chiziqlari sath chiziqlariga perpendikulyar bo’ladi. Ta’rif-13. Funksiyaning gradiyent vektorining uzunligi har bir sath sirtida o’zgarmas bo’lsa, bu funksiya metrik funksiya deyiladi. Misol. Ushbu f x, y x 2 y 2 qoida bilan aniqlangan f : R2 R1 funksiyani qaraymiz. Funksiyaning sath sirti x2 y 2 c dan iborat. Bu funksiya metrik funksiya bo’ladi, chunki grad f 2 x, 2 y . Bundan grad f 2 4x2 4 y 2 2 x2 y 2 2 c o’zgarmas bo’ladi. Teorema-7. Aytaylik, f : R1 metrik funksiya bo’lsin. U holda bu funksiyaning har bir gradiyent chizig’i sirtda yotuvchi geodezik chiziq bo’ladi. Teorema-8. Metrik funksiyalar har bir gradiyent chizig’ining egriligi nolga teng bo’ladi. Natija. Agar f metrik funksiya kritik nuqtalarga ega bo’lmasa, u holda har bir gradiyent chiziq to’g’ri chiziq bo’ladi. Endi biz differensiallanuvchi funksiyalarning gradiyent chiziqlarini topamiz va ularning grafiklarini chizamiz. 1-misol. u x, y x 2 y 2 chiziqlarini toping. differensiallanuvchi funksiyaning gradiyent 25 Yechish. Bu funksiyaning gradiyentlarini topamiz va quyidagi sistemani tuzib x& 2 x dx dx olamiz: sistemani yechimini topamiz: 2x 2dt ln x 2t x 0 dt x y& 2 y x x0et y y 0 x. t x0 y y0e Demak, bu funksiyaning gradiyent chiziqlari y ekan. Agar k y0 x chiziqlar oilasidan iborat x0 y0 deb belgilash kiritsak, berilgan funksiyaning gradiyent chiziqlari x0 koordinatalar boshidan o’tuvchi y = kx to’g’ri chiziqlarda yotuvchi to’g’ri chiziq qismlaridan iborat bo’ladi. 2-misol. Quyidagi differensiallanuvchi funksiyaning gradiyent chiziqlarini toping: u( x, y) x 2 y 2 . Bu misolni ham yuqoridagi tartibda bajaramiz: 2t x& 2 x x y x e x0 y 0 0 . 2 t x y& 2 y y e y0 Bu funksiya gradiyent chiziqlari y x0 y0 x tenglama bilan aniqlanadigan chiziqlar oilasidan iborat. 3-misol. Quyidagi differensiallanuvchi funksiyaning gradiyent chiziqlarini toping: u ( x, y) y . x2 Buning uchun gradiyent sistemani tuzib olamiz va uni yechamiz: 2y x& x 3 y& 1 x2 dy 1 x3 x 2 dx x 2 y 2y 1 y2 x2 y 2 x2 ydy xdx C C 2 2 4 2 4 26 Javob: funksiya gradiyenti y 2 oilasidan iborat. x2 C tenglama bilan aniqlanadigan chiziqlar 2 27 XULOSA Differensial geometriya kursida chiziqlar va sirtlarning lokal xossalari differensiallanuvchi funksiyalar yordamida o’rganiladi. O’z navbatida funksiyalarning sath sirtlari va gradiyent chiziqlari sirtlar geometriyasini o’rganishda muhim rol o’ynaydi. Mazkur bitiruv malakaviy ishi differensiallanuvchi funksiyalarning gradiyent chiziqlarining xossalarini o’rganishga bag’ishlangan. Unda funksiya differensiallanuvchi funksiyalar sath sirtlari va gradiyent chiziqlari orasidagi bog’lanish, ixtiyoriy metrik funksiyaning gradiyent chiziqlarining egriligi nolga teng bo’lishi va boshqa xossalari o’rganilgan, hamda misollar orqali batafsil yoritilgan. 28 Foydalanilgan adabiyotlar. 1. И. А. Каримов “Юксак маънавият-енгилмас куч”, Тошкент-2009 2. И. А. Каримов “Баркамол авлод- Узбекистон тараккиетининг пойдевори”, Тошкент-2009 3. И. В. Белко, А. А. Бурдун “Дифференциальная геометрия” Москва “Наука” 4. М. А. Собиров ва А. Е. Юсупов “Дифференциал геометрия курси”. Тошкент-1965 5. А. С. Феденко “Сборник задач по дифференциальной геометрии” Москва “Наука”-1979 6. Т.Т.Туйчиев, А.С.Бедарев “Анализнинг танланган Тошкент-2010 7. А.Я.Нарманов “Дифференциал геометрия” Тошкент-2003 боблари”