ماتریس ژاکوبی

ماتریس ژاکوبی، نامیده شده به اسم ریاضیدان آلمانی: کارل گوستاو ژاکوب ژاکوبی، ماتریسی است که در آن تمام مشتق‌های جزئی مرتبه اول یک تابع چند متغیره ${\displaystyle f\colon {\mathbb {R} ^{n}}\to {\mathbb {R} ^{m}}}$ موجود می‌باشد. این ماتریس تعمیم یافته‌ای از مشتق یک بعدی است.

بخشی از سری مقالات
حسابان
قضیه اساسی قاعده انتگرال گیری لایبنیز حد توابع پیوستگی قضیه مقدار میانگین قضیه رول
دیفرانسیل تعاریف مشتق (تعمیم‌ها) دیفرانسیل بی‌نهایت‌کوچک‌ها از یک تابع کلی مفاهیم نمادگذاری دیفرانسیل گیری مشتق دوم دیفرانسیل گیری ضمنی دیفرانسیل گیری لگاریتمی نرخ های مرتبط قضیه تیلور قواعد و اتحادها جمع ضرب زنجیره توان خارج قسمت قاعده هوپیتال معکوس لایبنیز عمومی فرمول فا دی برونو
انتگرال لیست انتگرال‌ها تبدیل انتگرالی تعاریف پادمشتق انتگرال (نامعین) انتگرال ریمانی انتگرال لبگ انتگرال کانتور انتگرال توابع معکوس انتگرال گیری توسط جزء به جزء دیسک ها پوسته‌های سیلندری تغییر متغیر (مثلثاتی, وایرشتراس, اویلر) فرمول اویلر کسرهای جزئی تغییر ترتیب فرمول کاهش دیفرانسیل گیری زیر نماد انتگرال
سری هندسی (حسابی-هندسی) هارمونیک متناوب توانی دوجمله‌ای تیلور آزمون‌های همگرایی حد جمعوند (آزمون جمله) نسبت ریشه انتگرال آزمون مقایسه مقایسه حدی سری‌های متناوب چگالی کوشی دیریکله آبل
بردار گرادیان دیورژانس کرل لاپلاس مشتق جهتی اتحادها قضایا گرادیان گرین استوکس دیورژانس استوکس تعمیم یافته
چندمتغیره فرمالیسم‌ها ماتریس تنسور خارجی هندسی تعاریف مشتق جزئی انتگرال چندگانه انتگرال خطی انتگرال سطحی انتگرال حجمی ژاکوبی هسین
تخصصی کسری مالیاوین تصادفی تغییرات
متفرقه پیش-حسابان تاریخچه واژه‌نامه فهرست موضوعا

تعریف

اگر ${\displaystyle f\colon {\mathbb {R} ^{n}}\to {\mathbb {R} ^{m}}}$ یک تابع مشتق‌پذیر چند متغیره باشد که مقادیر آن ${\displaystyle [y_{1}(x_{1}\cdots x_{n}),\cdots ,y_{m}(x_{1}\cdots x_{n})]}$ باشند، آنگاه مشتق آن در هر نقطه ${\displaystyle (x_{1}\cdots x_{n})}$، یک نگاشت خطی از فضای ${\displaystyle {\mathbb {R} ^{n}}}$ به ${\displaystyle {\mathbb {R} ^{m}}}$ می‌باشد، به طوری که ماتریس این نگاشت خطی به صورت زیر نوشته می‌شود.

${\displaystyle J_{F}(x_{1},\ldots ,x_{n}):={\frac {\partial (y_{1},\ldots ,y_{m})}{\partial (x_{1},\ldots ,x_{n})}}:={\begin{bmatrix}{\frac {\partial y_{1}}{\partial x_{1}}}&\cdots &{\frac {\partial y_{1}}{\partial x_{n}}}\\\vdots &\ddots &\vdots \\{\frac {\partial y_{m}}{\partial x_{1}}}&\cdots &{\frac {\partial y_{m}}{\partial x_{n}}}\end{bmatrix}}}$

چند مثال

مثال ۱: تابع ${\displaystyle F:\mathbb {R} ^{2}\rightarrow \mathbb {R} ^{2}}$ را با این تعریف در نظر بگیرید:

${\displaystyle F(x,y)={\begin{bmatrix}x^{2}y\\5x+\sin(y)\end{bmatrix}}.}$

که در آن

${\displaystyle F_{1}(x,y)=x^{2}y}$

و

${\displaystyle F_{2}(x,y)=5x+\sin(y)}$

ماتریس ژاکوبی F چنین است:

${\displaystyle J_{F}(x,y)={\begin{bmatrix}{\dfrac {\partial F_{1}}{\partial x}}&{\dfrac {\partial F_{1}}{\partial y}}\\{\dfrac {\partial F_{2}}{\partial x}}&{\dfrac {\partial F_{2}}{\partial y}}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}2xy&x^{2}\\5&\cos(y)\end{bmatrix}}}$

و دترمینان ژاکوبی:

${\displaystyle \det(J_{F}(x,y))=2xy\cos(y)-5x^{2}.}$

مثال ۲: ماتریس ژاکوبی تابع F : R³ → R⁴ شامل:

${\displaystyle y_{1}=x_{1}\,}$

${\displaystyle y_{2}=5x_{3}\,}$

${\displaystyle y_{3}=4x_{2}^{2}-2x_{3}\,}$

${\displaystyle y_{4}=x_{3}\sin(x_{1})\,}$

چنین است:

${\displaystyle J_{F}(x_{1},x_{2},x_{3})={\begin{bmatrix}{\dfrac {\partial y_{1}}{\partial x_{1}}}&{\dfrac {\partial y_{1}}{\partial x_{2}}}&{\dfrac {\partial y_{1}}{\partial x_{3}}}\\[3pt]{\dfrac {\partial y_{2}}{\partial x_{1}}}&{\dfrac {\partial y_{2}}{\partial x_{2}}}&{\dfrac {\partial y_{2}}{\partial x_{3}}}\\[3pt]{\dfrac {\partial y_{3}}{\partial x_{1}}}&{\dfrac {\partial y_{3}}{\partial x_{2}}}&{\dfrac {\partial y_{3}}{\partial x_{3}}}\\[3pt]{\dfrac {\partial y_{4}}{\partial x_{1}}}&{\dfrac {\partial y_{4}}{\partial x_{2}}}&{\dfrac {\partial y_{4}}{\partial x_{3}}}\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}1&0&0\\0&0&5\\0&8x_{2}&-2\\x_{3}\cos(x_{1})&0&\sin(x_{1})\end{bmatrix}}.}$

این مثال همچنین نشان می‌دهد که ماتریس ژاکوبی لزوماً نباید مربعی باشد.

کاربردها

از مهم‌ترین استفاده‌های این ماتریس، دترمینان آن است (مسلماً در صورتی که ماتریس، مربعی باشد) که در محاسبه انتگرال‌های چند بعدی، مورد استفاده قرار می‌گیرد. به این روش، روش تغییر متغیر در محاسبه انتگرال‌ها گفته می‌شود.

منابع بیشتر:فصل های۱۴_۱۶ ریاضیات توماس