更新时间:2023-06-20 07:03
设U⊂ℝn,f:U→ℝk为光滑映射,fi:=ui∘f:U→ℝ为分量函数,则f在p点的雅克比矩阵为k×n矩阵Df(p),其(i,j)矩阵元为Djfi(p)。
在向量分析中,雅可比矩阵是函数的一阶偏导数以一定方式排列成的矩阵,其行列式称为雅可比行列式。
在代数几何中,代数曲线的雅可比行列式表示雅可比簇:伴随该曲线的一个代数群,曲线可以嵌入其中。
假设某函数从 映到, 其雅可比矩阵是从到的线性映射,其重要意义在于它表现了一个多变数向量函数的最佳线性逼近。因此,雅可比矩阵类似于单变数函数的导数。
假设是一个从n维欧氏空间映射到到m维欧氏空间的函数。这个函数由m个实函数组成:。这些函数的偏导数(如果存在)可以组成一个m行n列的矩阵,这个矩阵就是所谓的雅可比矩阵:
此矩阵用符号表示为:
,或者
这个矩阵的第 i行是由梯度函数的转置表示的
如果p是中的一点,F在 p点可微分,根据高等微积分,是在这点的导数。在此情况下,这个线性映射即F在点p附近的最优线性逼近,也就是说当x足够靠近点p时,我们有
由球坐标系到直角坐标系的转化由F函数给出︰
此坐标变换的雅可比矩阵是
的F函数:
其雅可比矩阵为:
此例子说明雅可比矩阵不一定为方阵。
根据反函数定理,一个可逆函数(存在反函数的函数)的雅可比矩阵的逆矩阵即为该函数的反函数的雅可比矩阵。即,若函数在点的雅可比矩阵是连续且可逆的,则F在点 p的某一邻域内也是可逆的,且有
成立。相反,倘若雅可比行列式在某一个点不为零,那么该函数在这个点的某一邻域内可逆(存在反函数)。
一个多项式函数的可逆性与非经证明的雅可比猜想有关。其断言,如果函数的雅可比行列式为一个非零实数(相当于其不存在复零点),则该函数可逆且其反函数也为一个多项式。
MATLAB中jacobian是用来计算Jacobi矩阵的函数。
syms r l f
x=r*cos(l)*cos(f);
y=r*cos(l)*sin(f);
z=r*sin(l);
J=jacobian([x;y;z],[r l f])
结果:
J =
[ cos(l)*cos(f), -r*sin(l)*cos(f), -r*cos(l)*sin(f)]
[ cos(l)*sin(f), -r*sin(l)*sin(f), r*cos(l)*cos(f)]
[ sin(l), r*cos(l), 0 ]
二维下dx(u,v)dy(u,v)=Jdudv成立
证明:对于曲面x=x(u,v),y=y(u,v),取它的微元,即小曲边四边形ABCD,其中
A(u,v),B(u+△u,v),C(u+△u,v+△v),D(u,v+△v),这个曲边四边形ABCD可以近似看成由微小向量B(u+△u,v)-A(u,v)和D(u,v+△v)-A(u,v)张成。
利用中值定理可知:
(u+△u,v)-(u,v)=Mdu
(u,v+△v)-(u,v)=Ndv
式中M,N为偏导数形式,可以通过简单计算得出。
当变化量很小时,
将(u+△u,v)-(u,v)近似看为dx(u,v)
(u,v+△v)-(u,v)近似看为dy(u,v),
故dx(u,v)dy(u,v)=M*Ndudv
式中M*N为二维Jacobi行列式的展开形式。
由此得证。