Гладкость - Smoothness

"C infinity" перенаправляется сюда. Для расширенной комплексной плоскости ${\displaystyle \mathbb {C} _{\infty }}$, видеть Сфера Римана.

"C ^ n" перенаправляется сюда. За ${\displaystyle \mathbb {C} ^{n}}$, видеть Комплексное координатное пространство.

О гладкости в теории чисел см. гладкий номер.

А функция удара является гладкой функцией с компактная опора.

В математический анализ, то гладкость из функция это свойство, измеряемое количеством непрерывный производные он имеет более высокий домен.^[1][2] Как минимум, функция может считаться «гладкой», если она всюду дифференцируема (следовательно, непрерывна).^[3] С другой стороны, он может также обладать производными от всех заказы в его домен, и в этом случае говорят, что бесконечно дифференцируемый и называется C-бесконечная функция (или же ${\displaystyle C^{\infty }}$ функция).^[4]

Классы дифференцируемости

Класс дифференцируемости классификация функций по свойствам их производные. Это мера производной высшего порядка, которая существует для функции.

Рассмотрим открытый набор на реальная линия и функция ж определены на этом наборе с реальными значениями. Позволять k быть неотрицательным целое число. Функция ж называется имеющей (дифференцируемость) учебный класс C^k если производные ж′, ж″, ..., ж^(k) существуют и есть непрерывный (непрерывность подразумевается дифференцируемостью всех производных, кроме ж^(k)). Функция ж как говорят бесконечно дифференцируемый, гладкий, или из учебный класс C^∞, если у него есть производные всех порядков.^[5] Функция ж говорят, что из учебный класс C^ω, или же аналитический, если ж гладкий и если это Серия Тейлор расширение вокруг любой точки в своей области определения сходится к функции в некоторой окрестности точки. C^ω таким образом, строго содержится в C^∞. Функции удара примеры функций в C^∞ но нет в C^ω.

Другими словами, класс C⁰ состоит из всех непрерывных функций. Класс C¹ состоит из всех дифференцируемые функции производная которого непрерывна; такие функции называются непрерывно дифференцируемый. Таким образом, C¹ функция - это в точности функция, производная которой существует и имеет класс C⁰. В общем, классы C^k можно определить рекурсивно объявив C⁰ быть набором всех непрерывных функций и объявляя C^k для любого положительного целого числа k быть множеством всех дифференцируемых функций, производная которых находится в C^k−1. Особенно, C^k содержится в C^k−1 для каждого k > 0, и есть примеры, показывающие, что это ограничение является строгим (C^k ⊊ C^k−1). Класс C^∞ бесконечно дифференцируемых функций, является пересечением классов C^k в качестве k изменяется по неотрицательным целым числам.

Примеры

В C⁰ функция ж(Икс) = Икс за Икс ≥ 0 и 0 в противном случае.

Функция грамм(Икс) = Икс² грех (1 /Икс) за Икс > 0.

Функция ${\displaystyle f:\mathbb {R} \to \mathbb {R} }$ с ${\displaystyle f(x)=x^{2}\sin \left({\tfrac {1}{x}}\right)}$ за ${\displaystyle x\neq 0}$ и ${\displaystyle f(0)=0}$ дифференцируема. Однако эта функция не является непрерывно дифференцируемой.

Гладкая функция, не являющаяся аналитической.

Функция

${\displaystyle f(x)={\begin{cases}x&{\mbox{if }}x\geq 0,\\0&{\text{if }}x<0\end{cases}}}$

непрерывна, но не дифференцируема в Икс = 0, так что это классно C⁰, но не класса C¹.

Функция

${\displaystyle g(x)={\begin{cases}x^{2}\sin {({\tfrac {1}{x}})}&{\text{if }}x\neq 0,\\0&{\text{if }}x=0\end{cases}}}$

дифференцируема, с производной

${\displaystyle g'(x)={\begin{cases}-{\mathord {\cos({\tfrac {1}{x}})}}+2x\sin({\tfrac {1}{x}})&{\text{if }}x\neq 0,\\0&{\text{if }}x=0.\end{cases}}}$

Потому что ${\displaystyle \cos(1/x)}$ колеблется как Икс → 0, ${\displaystyle g'(x)}$ не непрерывна в нуле. Следовательно, ${\displaystyle g(x)}$ дифференцируемо, но не классно C¹. Более того, если взять ${\displaystyle g(x)=x^{4/3}\sin(1/x)}$ (Икс ≠ 0) в этом примере его можно использовать, чтобы показать, что производная функция дифференцируемой функции может быть неограниченной на компактный набор и, следовательно, дифференцируемая функция на компакте не может быть локально Липшицева непрерывная.

Функции

${\displaystyle f(x)=|x|^{k+1}}$

куда k четные, непрерывные и k раз дифференцируемый вообще Икс. Но в Икс = 0 они не (k + 1) раз дифференцируемые, поэтому они классные C^k, но не класса C^j куда j > k.

В экспоненциальная функция аналитична и, следовательно, попадает в класс C^ω. В тригонометрические функции также являются аналитическими, где бы они ни были определены.

В функция удара

${\displaystyle f(x)={\begin{cases}e^{-{\frac {1}{1-x^{2}}}}&{\text{ if }}|x|<1,\\0&{\text{ otherwise }}\end{cases}}}$

гладко, так классно C^∞, но он не аналитичен при Икс = ±1, а значит, не является классным C^ω. Функция ж пример гладкой функции с компактная опора.

Классы многомерной дифференцируемости

Функция ${\displaystyle f:U\subset \mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} }$ определено на открытом множестве ${\displaystyle U}$ из ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ говорят^[6] быть классным ${\displaystyle C^{k}}$ на ${\displaystyle U}$, для положительного целого числа ${\displaystyle k}$, я упал частные производные

${\displaystyle {\frac {\partial ^{\alpha }f}{\partial x_{1}^{\alpha _{1}}\,\partial x_{2}^{\alpha _{2}}\,\cdots \,\partial x_{n}^{\alpha _{n}}}}(y_{1},y_{2},\ldots ,y_{n})}$

существуют и непрерывны, для каждого ${\displaystyle \alpha _{1},\alpha _{2},\ldots ,\alpha _{n}}$ неотрицательные целые числа, такие что ${\displaystyle \alpha =\alpha _{1}+\alpha _{2}+\cdots +\alpha _{n}\leq k}$, и каждый ${\displaystyle (y_{1},y_{2},\ldots ,y_{n})\in U}$. Эквивалентно, ${\displaystyle f}$ классный ${\displaystyle C^{k}}$ на ${\displaystyle U}$ если ${\displaystyle k}$-й порядок Производная Фреше из ${\displaystyle f}$ существует и непрерывен в каждой точке ${\displaystyle U}$. Функция ${\displaystyle f}$ считается классным ${\displaystyle C}$ или же ${\displaystyle C^{0}}$ если он непрерывен ${\displaystyle U}$.

Функция ${\displaystyle f:U\subset \mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} ^{m}}$, определенная на открытом множестве ${\displaystyle U}$ из ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$, считается классным ${\displaystyle C^{k}}$ на ${\displaystyle U}$, для положительного целого числа ${\displaystyle k}$, если все его компоненты

${\displaystyle f_{i}(x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n})=(\pi _{i}\circ f)(x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n})=\pi _{i}(f(x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n})){\text{ for }}i=1,2,3,\ldots ,m}$

классные ${\displaystyle C^{k}}$, куда ${\displaystyle \pi _{i}}$ естественные прогнозы ${\displaystyle \pi _{i}:\mathbb {R} ^{m}\to \mathbb {R} }$ определяется ${\displaystyle \pi _{i}(x_{1},x_{2},\ldots ,x_{m})=x_{i}}$. Говорят, что это классный ${\displaystyle C}$ или же ${\displaystyle C^{0}}$ если он непрерывный, или, что то же самое, если все компоненты ${\displaystyle f_{i}}$ непрерывны, на ${\displaystyle U}$.

Пространство C^k функции

Позволять D быть открытым подмножеством реальной линии. Набор всех C^k действительные функции, определенные на D это Векторное пространство Фреше, со счетной семьей полунормы

${\displaystyle p_{K,m}=\sup _{x\in K}\left|f^{(m)}(x)\right|}$

куда K изменяется в возрастающей последовательности компактные наборы чей союз является D, и м = 0, 1, ..., k.

Набор C^∞ функции над D также образует пространство Фреше. Используются те же полунормы, что и выше, за исключением того, что м разрешено использовать все неотрицательные целые числа.

Вышеупомянутые пространства естественным образом встречаются в приложениях, где необходимы функции, имеющие производные определенных порядков; однако, особенно при изучении уравнения в частных производных, иногда может быть более плодотворным работать с Соболевские пространства.

Параметрическая непрерывность

Условия параметрическая непрерывность и геометрическая непрерывность (грамм^п) были представлены Брайан Барски, чтобы показать, что гладкость кривой можно измерить, сняв ограничения на скорость, с которым параметр вычерчивает кривую.^[7][8][9]

Параметрическая непрерывность это концепция, применяемая к параметрические кривые, который описывает плавность значения параметра с расстоянием вдоль кривой.

Определение

А (параметрическая) кривая ${\displaystyle s:[0,1]\to \mathbb {R} ^{n}}$ считается классным C^k, если ${\displaystyle \textstyle {\frac {d^{k}s}{dt^{k}}}}$ существует и непрерывно на ${\displaystyle [0,1]}$, где производные на концах ${\displaystyle 0,1\in [0,1]}$ считаются односторонние производные (я ем ${\displaystyle 0}$ справа, а на ${\displaystyle 1}$ слева).

В качестве практического применения этой концепции кривая, описывающая движение объекта с параметром времени, должна иметь C¹ непрерывность - чтобы объект имел конечное ускорение. Для более плавного движения, например движения камеры при съемке пленки, требуются более высокие порядки параметрической непрерывности.

Порядок преемственности

Два Кривая Безье сегменты прикреплены, это только C⁰ непрерывный

Два сегмента кривой Безье, соединенные таким образом, что они являются C¹ непрерывный

Различный порядок параметрической непрерывности можно описать следующим образом:^[10]

• C⁰: Кривые непрерывные
• C¹: Первые производные непрерывны
• C²: Первая и вторая производные непрерывны
• C^п: От первого до пth производные непрерывны

Геометрическая непрерывность

Кривые с грамм¹-контакт (кружки, линия)

${\displaystyle (1-\varepsilon ^{2})x^{2}-2px+y^{2}=0,\ p>0\ ,\varepsilon \geq 0}$
карандаш конических секций с грамм²-контакт: p fix, ${\displaystyle \varepsilon }$ Переменная
(${\displaystyle \varepsilon =0}$: круг,${\displaystyle \varepsilon =0.8}$: эллипс, ${\displaystyle \varepsilon =1}$: парабола, ${\displaystyle \varepsilon =1.2}$: hyperbola)

Концепция чего-либо геометрический или же геометрическая непрерывность в первую очередь относился к конические секции (и родственные формы) математиками, такими как Лейбниц, Кеплер, и Понселе. Эта концепция была ранней попыткой описать через геометрию, а не алгебру, концепцию непрерывность как выражено через параметрическую функцию.^[11]

Основная идея геометрической непрерывности заключалась в том, что пять конических секций на самом деле были пятью разными версиями одной и той же формы. An эллипс стремится к круг как эксцентриситет приближается к нулю или к парабола по мере приближения к одному; и гипербола стремится к парабола когда эксцентриситет падает к единице; он также может иметь тенденцию к пересечению линии. Таким образом, было непрерывность между коническими секциями. Эти идеи привели к другим концепциям непрерывности. Например, если бы круг и прямая линия были двумя выражениями одной и той же формы, возможно, линию можно было бы рассматривать как круг бесконечности. радиус. Для этого нужно закрыть линию, допустив точку ${\displaystyle x=\infty }$ быть точкой на круге, а для ${\displaystyle x=+\infty }$ и ${\displaystyle x=\neg \infty }$ быть идентичным. Такие идеи были полезны при разработке современной, алгебраически определенной идеи непрерывность функции и ${\displaystyle \infty }$ (видеть проективно расширенная действительная линия для большего).^[11]

Гладкость кривых и поверхностей

А изгиб или же поверхность можно описать как имеющий грамм^п преемственность, с п будучи увеличивающейся мерой плавности. Рассмотрим отрезки по обе стороны от точки кривой:

• грамм⁰: Кривые касаются точки соединения.
• грамм¹: Кривые также имеют общие касательная направление в точке соединения.
• грамм²: Кривые также имеют общий центр кривизны в точке соединения.

В целом, грамм^п непрерывность существует, если кривые можно изменить, чтобы C^п (параметрическая) непрерывность.^[12][13] Повторная параметризация кривой геометрически идентична исходной; затрагивается только параметр.

Эквивалентно две векторные функции ж(т) и грамм(т) имеют грамм^п преемственность, если ж^(п)(т) ≠ 0 и ж^(п)(т) ≡ кг^(п)(т), для скаляра k > 0 (т.е. если направление, но не обязательно величина двух векторов одинаковы).

Хотя может быть очевидно, что кривая потребует грамм¹ непрерывность, чтобы казаться гладкой, навсегда эстетика, такие как те, к которым стремились в архитектура и спортивная машина дизайн, требуются более высокие уровни геометрической непрерывности. Например, отражения в кузове автомобиля не будут выглядеть гладкими, если на нем нет грамм² преемственность.

А прямоугольник с закругленными углами (с дугами окружности девяносто градусов в четырех углах) имеет грамм¹ преемственность, но не имеет грамм² преемственность. То же верно и для округлый куб, с октантами сферы по углам и четвертьцилиндрами по краям. Если редактируемая кривая с грамм² требуется преемственность, тогда кубические шлицы обычно выбираются; эти кривые часто используются в промышленный дизайн.

Гладкость кусочно заданных кривых и поверхностей

Другие концепции

Отношение к аналитичности

Пока все аналитические функции являются "гладкими" (т.е. имеют непрерывные все производные) на множестве, на котором они являются аналитическими, например, функции удара (упомянутые выше) показывают, что обратное неверно для функций на вещественных числах: существуют гладкие вещественные функции, которые не являются аналитическими. Простые примеры функций, которые гладко, но не аналитично в любой точке можно сделать с помощью Ряд Фурье; другой пример - это Функция Фабиуса. Хотя может показаться, что такие функции являются скорее исключением, чем правилом, оказывается, что аналитические функции очень тонко разбросаны среди гладких; более строго, аналитические функции образуют скудный подмножество гладких функций. Кроме того, для каждого открытого подмножества А вещественной прямой существуют гладкие функции, аналитические на А и больше нигде^{[нужна цитата ]}.

Полезно сравнить ситуацию с повсеместным распространением трансцендентные числа на реальной линии. Как на вещественной прямой, так и на множестве гладких функций, примеры, которые мы придумываем на первый взгляд (алгебраические / рациональные числа и аналитические функции), ведут себя гораздо лучше, чем в большинстве случаев: трансцендентные числа и нигде не аналитические функции имеют полную меру. (их дополнения скудны).

Описанная таким образом ситуация резко контрастирует со сложными дифференцируемыми функциями. Если комплексная функция дифференцируема только один раз на открытом множестве, она одновременно бесконечно дифференцируема и аналитична на этом множестве.^{[нужна цитата ]}.

Гладкие перегородки единства

Гладкие функции с заданными закрытыми поддерживать используются при строительстве гладкие перегородки единства (видеть разделение единства и глоссарий топологии ); они необходимы при изучении гладкие многообразия, например, чтобы показать, что Римановы метрики могут быть определены глобально, начиная с их локального существования. Простой случай - случай функция удара на вещественной прямой, т. е. гладкая функция ж который принимает значение 0 за пределами интервала [а,б] и такой, что

${\displaystyle f(x)>0\quad {\text{ for }}\quad a<x<b.\,}$

Учитывая количество перекрывающихся интервалов на линии, функции удара могут быть построены на каждом из них, а также на полубесконечных интервалах (−∞, c] и [d, +∞) чтобы покрыть всю строку, так что сумма функций всегда равна 1.

Из того, что только что было сказано, разделения единства неприменимы к голоморфные функции; их различное поведение относительно существования и аналитическое продолжение является одним из корней пучок теория. Напротив, пучки гладких функций обычно не несут много топологической информации.

Гладкие функции на коллекторах и между ними

Учитывая гладкое многообразие ${\displaystyle M}$, измерение м, с атласом ${\displaystyle {\mathfrak {U}}=\{(U_{\alpha },\phi _{\alpha })\}_{\alpha }}$, затем карта ${\displaystyle f:M\to \mathbb {R} }$ является гладкий на M если для всех ${\displaystyle p\in M}$ существует диаграмма ${\displaystyle \exists (U,\phi )\in {\mathfrak {U}}:p\in U}$, так что откат ${\displaystyle f}$к ${\displaystyle \phi ^{-1}}$, обозначенный ${\displaystyle (\phi ^{-1})^{*}f=f\circ \phi ^{-1}:\phi (U)\to \mathbb {R} }$гладкая как функция от ${\displaystyle \mathbb {R} ^{m}}$к ${\displaystyle \mathbb {R} }$в районе ${\displaystyle \phi (p)}$(все частные производные до данного порядка непрерывны). Обратите внимание, что гладкость можно проверить по любому предпочтительному Диаграмма о п в атлас, поскольку требования гладкости функций перехода между диаграммами гарантируют, что если ${\displaystyle f}$гладко около p на одной диаграмме будет гладко около п в любой другой карте атласа. Если вместо этого ${\displaystyle F:M\to N}$ это карта из ${\displaystyle M}$ для п-мерное многообразие ${\displaystyle N}$, тогда F гладко, если для каждого п ∈ M, есть диаграмма ${\displaystyle (U,\phi )}$о п в ${\displaystyle M}$, и диаграмма ${\displaystyle (V,\psi )}$о ${\displaystyle F(p)}$в ${\displaystyle N}$ с ${\displaystyle F(U)\subset V}$, так что ${\displaystyle \psi \circ F\circ \phi ^{-1}:\phi (U)\to \psi (V)}$ гладкая как функция от р^м к р^п.

Гладкие отображения между многообразиями индуцируют линейные отображения между касательные пространства: за ${\displaystyle F:M\to N}$, в каждой точке продвигать (или дифференциальный) отображает касательные векторы в п к касательным векторам в F (p): ${\displaystyle F_{*,p}:T_{p}M\to T_{F(p)}N}$, а на уровне касательный пучок, толчком является гомоморфизм векторных расслоений: ${\displaystyle F_{*}:TM\to TN}$. Двойной эффект от продвижения вперед - это откат, который "натягивает" ковекторы на ${\displaystyle N}$ назад к ковекторам на ${\displaystyle M}$, и k-формирует в k-формы: ${\displaystyle F^{*}:\Omega ^{k}(N)\to \Omega ^{k}(M)}$. Таким образом, гладкие функции между коллекторами могут передавать локальные данные, подобно векторные поля и дифференциальные формы, от одного многообразия к другому или вниз до евклидова пространства, где вычисления типа интеграция хорошо поняты.

В общем случае прообразы и дальнейшие действия по гладким функциям не являются многообразиями без дополнительных предположений. Прообразы регулярных точек (т. Е. Если дифференциал не обращается в нуль на прообразе) являются многообразиями; это теорема о прообразе. Точно так же продвижение вдоль вложений - это многообразия.^[14]

Гладкие функции между подмножествами многообразий

Соответствующее понятие гладкая карта для произвольных подмножеств многообразий. Если ж : Икс → Y это функция чей домен и классифицировать являются подмножествами многообразий Икс ⊂ M и Y ⊂ N соответственно. ж как говорят гладкий если для всех Икс ∈ Икс есть открытый набор U ⊂ M с Икс ∈ U и гладкая функция F : U → N такой, что F(п) = ж(п) для всех п ∈ U ∩ Икс.

Смотрите также

• Неаналитическая гладкая функция
• Квазианалитическая функция
• Сингулярность (математика)
• Извилистость
• Плавная схема
• Гладкий номер (теория чисел)
• Сглаживание
• Сплайн

Рекомендации

1. «Окончательный словарь высшего математического жаргона - гладкий». Математическое хранилище. 2019-08-01. Получено 2019-12-13.
2. Вайсштейн, Эрик В. «Гладкая функция». mathworld.wolfram.com. Получено 2019-12-13.
3. «Гладкая (математика)». TheFreeDictionary.com. Получено 2019-12-13.
4. «Гладкая функция - Математическая энциклопедия». www.encyclopediaofmath.org. Получено 2019-12-13.
5. Уорнер, Фрэнк В. (1983). Основы дифференцируемых многообразий и групп Ли. Springer. п. 5 [Определение 1.2]. ISBN  978-0-387-90894-6.
6. Анри Картан (1977). Cours de Calcul différentiel. Пэрис: Германн.
7. Барский, Брайан А. (1981). Бета-сплайн: локальное представление на основе параметров формы и фундаментальных геометрических мер (Кандидат наук.). Университет штата Юта, Солт-Лейк-Сити, штат Юта.
8. Брайан А. Барский (1988). Компьютерная графика и геометрическое моделирование с использованием бета-сплайнов. Springer-Verlag, Гейдельберг. ISBN  978-3-642-72294-3.
9. Ричард Х. Бартельс; Джон С. Битти; Брайан А. Барский (1987). Введение в сплайны для использования в компьютерной графике и геометрическом моделировании. Морган Кауфманн. Глава 13. Параметрическая и геометрическая непрерывность. ISBN  978-1-55860-400-1.
10. ван де Панне, Михиль (1996). «Параметрические кривые». Онлайн-заметки осени 1996 года. Университет Торонто, Канада.
11. Тейлор, Чарльз (1911). «Геометрическая непрерывность». В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия. 11 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 674–675.
12. Барский, Брайан А .; ДеРоуз, Тони Д. (1989). «Геометрическая непрерывность параметрических кривых: три эквивалентных характеристики». Компьютерная графика и приложения IEEE. 9 (6): 60–68. Дои:10.1109/38.41470. S2CID  17893586.
13. Хартманн, Эрих (2003). «Геометрия и алгоритмы автоматизированного проектирования» (PDF). Technische Universität Darmstadt. п. 55.
14. Гийемен, Виктор; Поллак, Алан (1974). Дифференциальная топология. Энглвудские скалы: Прентис-Холл. ISBN  0-13-212605-2.