Змінна
Змінна у математиці (англ. variable, від лат. variabilis, «що піддається змінам») — символ, зазвичай літера, що позначає невизначений математичний об'єкт[1][2][3]. У неформальному спілкуванні кажуть, що змінна представляє або позначає об'єкт, а будь-який допустимий кандидат на роль об'єкта є значенням[en] змінної. Значення, які може приймати змінна, зазвичай одного типу, часто значеннями є числа. Більш конкретно, задіяні значення можуть утворювати множину, таку як множина дійсних чисел.
Об'єкт не завжди повинен існувати, або може бути невизначеним, чи існує хоча б один допустимий кандидат чи ні. Наприклад, можна представити два цілі числа за допомогою змінних p і q і вимагати, щоб значення квадрата p було подвоєним квадратом q, що в алгебраїчній нотації можна записати як p2 = 2 q2. Остаточний доказ того, що цю рівність неможливо задовольнити, коли p і q обмежені цілими числами, не є очевидним, але він був відомий з давніх часів і з тих пір мав великий вплив на математику.
Спочатку термін змінна використовувався переважно для аргументу функції, у цьому випадку аргумент може змінюватись в області визначення функції. Це пояснює вибір цього терміну. Крім того, змінні використовуються для позначення значень функцій, наприклад в .
Змінна може представляти невизначене число, яке залишається фіксованим під час вирішення задачі; у цьому випадку його часто називають параметром. Змінна може позначати невідоме число, яке необхідно визначити; у цьому випадку воно називається невідомим; наприклад, у квадратному рівнянні змінні є параметрами, а є невідомим.
Іноді один і той же символ можна використовувати для позначення як змінної, так і константи, тобто чітко визначеного математичного об'єкта. Наприклад, грецька літера π зазвичай позначає число π, але також використовується для позначення проєкції. Подібним чином літера e часто позначає число Ейлера, але її використовують для позначення непризначеного коефіцієнта для поліномів четвертого[en] та вищого степеня. Навіть символ використовується для позначення нейтрального елемента довільного поля. Ці два поняття використовуються майже однаково, тому зазвичай потрібно знати, чи позначає даний символ змінну чи константу[4].
Змінні часто використовуються для представлення матриць, функцій, їхніх аргументів, множин та їхніх елементів, векторів, просторів тощо[5].
У математичній логіці змінна є символом, який або представляє невизначену константу теорії, або підлягає кількісній оцінці[6][7][8].
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d9/Rhind_Mathematical_Papyrus.jpg/284px-Rhind_Mathematical_Papyrus.jpg)
Найдавніші приклади використання «невідомої величини» відносяться принаймні до стародавніх єгиптян у московському математичному папірусі (бл. 1500 р. до н. е.) де риторично описувалися проблеми з невідомими, які називаються «задачами Аха». «Задачі Аха» включають пошук невідомих величин (відомих як «аха», «купа»), якщо відома сума цих величин та їхніх частин (папірус Райнда також містить чотири подібні задачі). Наприклад, у задачі 19 потрібно обчислити кількість, взяту 1+1⁄2 рази та додану до 4, щоб отримати 10[9]. У сучасних математичних позначеннях: . Приблизно в той же час у Месопотамії математика стародавнього вавилонського періоду (бл. 2000 р. до н. е. — 1500 р. до н. е.) була більш розвиненою і також вивчала квадратичні та кубічні рівняння[10].
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/45/Euclid-proof-white-background.svg/220px-Euclid-proof-white-background.svg.png)
У працях стародавньої Греції, таких як Начала Евкліда (бл. 300 р. до н. е.), математика описувалася геометрично. Наприклад, твердження 1 Книги II Начал Евкліда містить таке твердження:
«Якщо є дві прямі, і одна з них розділена на будь-яку кількість сегментів, прямокутник, обмежений двома прямими, дорівнює прямокутникам, обмеженим нерозділеною прямою та кожним із сегментів.»
Це відповідає алгебраїчній тотожності a(b+c)=ab+ac (дистрибутивність), але описується повністю геометрично. Евклід та інші грецькі геометри також використовували окремі літери для позначення геометричних точок і фігур. Такий тип алгебри тепер іноді називають грецькою геометричною алгеброю[en][10].
Діофант Александрійський[en][11] започаткував форму синкопованої алгебри[en] у своїй Арифметиці[en] (бл. 200 р. н. е.), яка запровадила символічне маніпулювання виразами з невідомими та степенями, але без сучасних символів відношення[en] (таких як рівність чи нерівність) або показників[12]. Невідоме число називалося [13]. Квадрат мав назву ; куб називався ; четвертий степінь називався ; а п'ятий степінь називався [14]. Таким чином, вираз, записаний в сучасних позначеннях:буде записаний у синкопованій нотації Діофанта як:
У 7 столітті до нашої ери Брамагупта використовував різні кольори для представлення невідомих в алгебраїчних рівняннях у Виправленому вченні про Брахму[en]. Один розділ цієї книги називається «Рівняння кількох кольорів»[15]. Грецькі та інші стародавні математичні досягнення часто потрапляли в пастку тривалих періодів застою, тому революційних змін у нотації було небагато, але ситуація почала змінюватися на початку раннього нового періоду.
Наприкінці 16 століття Франсуа Вієт запропонував ідею представлення відомих і невідомих чисел літерами, які сьогодні називаються змінними, і ідею обчислення з ними так, ніби вони є числами, з метою отримання результату шляхом простої заміни. Конвенція Вієта полягала в тому, щоб використовувати приголосні для відомих значень і голосні для невідомих[16].
У 1637 році Рене Декарт «запропонував конвенцію про представлення невідомих у рівняннях за допомогою x, y і z, а відомих — за допомогою a, b і c»[17]. На відміну від конвенції Вієта, конвенція Декарта все ще широко використовується. Історія літери x в математиці обговорювалася в статті Scientific American 1887 року[18].
Починаючи з 1660-х років Ісаак Ньютон і Готфрід Вільгельм Лейбніц незалежно один від одного розробили числення нескінченно малих величин, яке, по суті, полягає у вивченні того, як нескінченно мала зміна величини, що змінюється в часі і називається флюентом[en], викликає відповідну зміну іншої величини, яка є функцією першої змінної. Майже століття потому Леонард Ейлер закріпив термінологію числення нескінченно малих величин і ввів позначення y = f(x) для функції f, її змінної x і її значення y. До кінця 19 століття слово змінна стосувалося майже виключно аргументів і значень[en] функцій.
У другій половині 19 століття з'ясувалося, що основи числення нескінченно малих величин не були достатньо формалізовані, щоб мати справу з очевидними парадоксами, такими як неперервна функція, яка не є диференційованою в жодній точці. Щоб вирішити цю проблему, Карл Веєрштрасс запропонував новий формалізм, який полягає в заміні інтуїтивного поняття границі формальним визначенням. Попереднім визначенням границі було «коли змінна x змінюється і прямує до a, тоді f(x) прямує до L», без будь-якого точного визначення «прямує». Веєрштрасс замінив це речення формулою
в якому жодна з п'яти змінних не розглядається як змінна.
Це статичне формулювання призвело до сучасного поняття змінної, яка є просто символом, що представляє математичний об'єкт який або невідомий, або може бути замінений будь-яким елементом заданої множини (наприклад, множини дійсних чисел).
Змінні, як правило, позначаються однією літерою, найчастіше з латинської абетки і рідше з грецької; літери можуть бути малими або великими. Після літери може стояти індекс: число (як у x2), інша змінна (xi), слово або абревіатура слова як позначка (xtotal) або математичний вираз (x2i+1). Під впливом інформатики, деякі назви змінних у чистій математиці складаються з кількох літер і цифр. Слідом за Рене Декартом (1596—1650), літери на початку англійської абетки, такі як a, b, c зазвичай використовуються для відомих значень і параметрів, а літери в кінці абетки, такі як x, y, z — для невідомих і змінних функцій[19]. У друкованій математиці нормою є використання змінних і констант курсивом[20].
Наприклад, загальна квадратична функція умовно записується як ax2 + bx + c, де a, b і c — параметри (їх також називають константами, оскільки вони є сталими функціями), а x — змінна функції. Більш явним способом позначення цієї функції є x ↦ ax2 + bx + c, що пояснює статус x як аргументу функції і сталість a, b та c. Оскільки c зустрічається в виразі, який є постійною функцією x, його називають постійним членом[en][21].
Різні розділи та застосування математики мають свої правила іменування[en] змінних. Змінним зі схожими ролями або значеннями часто призначаються послідовні літери або та сама літера з різними нижніми індексами. Наприклад, три осі в тривимірному координатному просторі традиційно називаються x, y і z. У фізиці назви змінних значною мірою визначаються фізичною величиною, яку вони описують, але існують різні домовленості про найменування. Конвенція, якої часто дотримуються в теорії імовірності та статистиці полягає в використанні X, Y, Z для назв випадкових величин, залишаючи x, y, z для змінних, що представляють відповідні відомі або спостережувані значення.
- a, b, c, d (іноді розширюється до e, f) для параметрів або коефіцієнтів
- a0, a1, a2, … для ситуацій, коли різні літери незручні
- ai або ui для i-го члена послідовності або i-го коефіцієнта ряду
- f, g, h для функцій (як у f(x))
- i, j, k (іноді l або h) для змінних цілих чисел або індексів в індексованому сімействі або одиничних векторах
- l і w для довжини та ширини фігур
- l також для прямої (лінії) або в теорії чисел для простого числа, яке не дорівнює p
- n (або альтернативне позначення m) для фіксованого цілого числа, такого як кількість об'єктів або степінь полінома
- p для простого числа або імовірності
- q для степеня простого числа або частки
- r для радіуса, остачі або коефіцієнта кореляції
- t для часу
- x, y, z для трьох декартових координат точки в евклідовій геометрі або відповідних осей
- z для комплексного числа або в статистиці для змінної з нормальним розподілом
- α, β, γ, θ, φ для мір кутів
- ε (або альтернативне позначення δ) для як завгодно малого додатного числа
- λ для власного значення
- Σ (велика сигма) для суми або σ (маленька сигма) у статистиці для стандартного відхилення[22]
- μ для середнього значення
Зазвичай змінні відіграють різні ролі в одній і тій самій математичній формулі, і для їх розрізнення були введені назви або кваліфікатори. Наприклад, загальне кубічне рівняння
інтерпретується як таке, що має п'ять змінних: чотири з яких, a, b, c, d, вважаються заданими числами, а п'ята змінна, x, вважається невідомим числом. Щоб відрізнити їх, змінну x називають невідомою, а інші змінні називають параметрами або коефіцієнтами, або іноді константами, хоча остання термінологія є некоректною для рівняння та має бути зарезервована для функції, визначеної лівою частиною цього рівняння.
У контексті функцій термін змінна зазвичай відноситься до аргументів функцій. Зазвичай це має місце в таких реченнях, як «функція дійсної змінної[en]», «x — змінна функції f : x ↦ f(x)», «f — функція змінної x» (це означає, що змінна x посилається на аргумент функції).
У цьому ж контексті змінні, які не залежать від x, визначають сталі функції і тому їх називають константами. Наприклад, стала інтегрування є довільною сталою функцією, яка додається до певної первісної, щоб отримати інші первісні. Через тісний зв'язок між поліномами та поліноміальними функціями, термін «константа» часто використовується для позначення коефіцієнтів полінома, які є сталими функціями невизначених величин.
Інші назви змінних включають:
- Невідоме — це змінна в рівнянні, яку потрібно знайти.
- Невизначене[en] — це символ, який зазвичай називають змінною, що з'являється в многочлені або формальному степеневому ряді. Формально кажучи, невизначене — це не змінна, а константа в кільці многочленів або кільці формальних степеневих рядів. Однак через сильний зв'язок між поліномами або степеневими рядами та функціями, які вони визначають, багато авторів розглядають невизначені величини як особливий вид змінних.
- Параметр — це величина (зазвичай число), яка є частиною вхідних даних задачі та залишається постійною протягом усього розв'язання цієї задачі. Наприклад, у механіці маса і розмір твердого тіла є параметрами для вивчення його руху. В інформатиці, параметр має інше значення і позначає аргумент функції.
- Вільні і зв'язані змінні
- Випадкова величина — це різновид змінної, яка використовується в теорії ймовірностей та її застосуваннях.
Всі ці найменування змінних мають семантичний характер, а спосіб роботи з ними (синтаксис[en]) є однаковим для всіх.
В диференціальному та інтегральному численні та його застосуваннях до фізики та інших наук досить поширеним є розгляд змінної, скажімо y, можливі значення якої залежать від значення іншої змінної, скажімо x. З математичної точки зору, залежна змінна y представляє значення функції від x. Щоб спростити формули, часто корисно використовувати той самий символ для залежної змінної y та функції, що відображає x на y. Наприклад, стан фізичної системи залежить від вимірюваних величин, таких як тиск, температура, положення в просторі, …, і всі ці величини змінюються, коли система розвивається, тобто вони є функцією часу. У формулах, що описують систему, ці величини представлені змінними, які залежать від часу, і, таким чином, неявно розглядаються як функції часу.
Тому у формулі залежна змінна — це змінна, яка неявно є функцією іншої (або кількох інших) змінних. Незалежна змінна — це змінна, яка не є залежною[23].
Властивість змінної бути залежною або незалежною часто залежить від точки зору і не є її внутрішньою властивістю. Наприклад, у позначенні f(x, y, z), усі три змінні можуть бути незалежними, і це позначення представляє функцію трьох змінних. З іншого боку, якщо y і z залежать від x (є залежними змінними) тоді позначення представляє функцію однієї незалежної змінної x[24].
Визначмо функцію f, яка приймає і повертає дійсні числа як
тоді x є змінною, що представляє аргумент функції, який може бути будь-яким дійсним числом.
В тотожності
змінна i є змінною підсумовування, яка по черзі позначає кожне з цілих чисел 1, 2, ..., n (вона також називається індексом оскільки її варіація стосується дискретного набору значень), тоді як n є параметром (не змінюється в межах формули).
У теорії многочленів поліном 2 ступеня зазвичай позначається як ax2 + bx + c, де a, b і c називаються коефіцієнтами (вони вважаються фіксованими, тобто параметрами задачі, що розглядається), а x називається змінною. Коли вивчають цей многочлен як частину поліноміальної функції, x означає аргумент функції. Коли многочлен розглядається як окремий об'єкт, x вважається невизначеним і часто пишеться з великої літери, щоб підкреслити цей статус.
Розглянемо рівняння, що описує закон ідеального газу, Це рівняння зазвичай інтерпретується як таке, що має чотири змінні та одну константу. Константою є kB, стала Больцмана. Одна зі змінних, N, кількість частинок, є додатним цілим числом (і, отже, дискретною змінною), тоді як інші три, P, V і T, які позначають тиск, об'єм та температуру, є безперервними змінними.
Можна змінити це рівняння, щоб отримати P як функцію інших змінних, Тоді P як функція інших змінних, є залежною змінною, а її аргументи, V, N і T, є незалежними змінними. Можна підійти до цієї функції більш формально та розглянути її область визначення та діапазон: у нотації функції, тут P – це функція .
Проте в експерименті, щоб визначити залежність тиску від однієї з незалежних змінних, необхідно зафіксувати всі змінні, крім однієї, скажімо T. Це призводить до функції де N і V тепер також розглядаються як константи. Математично це є частковим застосуванням[en] попередньої функції P.
Цей приклад ілюструє, як незалежні змінні та константи значною мірою залежать від прийнятої точки зору. Можна навіть розглядати kB як змінну щоб отримати функцію
Розгляд констант і змінних може привести до концепції просторів модулів. Для ілюстрації розглянемо рівняння параболи, де всі a, b, c, x і y вважаються дійсними. Множина точок (x, y) у двовимірній площині, що задовольняє це рівняння, окреслює графік параболи. Тут, a, b і c розглядаються як константи, які визначають параболу, тоді як x і y є змінними.
Замість того, щоб розглядати a, b і c як змінні, ми спостерігаємо, що кожен набір із 3-кортежів (a, b, c) відповідає різній параболі. Тобто вони вказують координати у «просторі парабол», відомому як простір модулів парабол.
- Основні типи шкал
- Категорійна змінна
- Лямбда-числення
- Латентна змінна
- Фізичні константи
- Пропозиційна змінна[en]
- ↑ Sobolev, S.K. (originator). Individual variable. Encyclopedia of Mathematics (англ.). Springer[en]. ISBN 1402006098. Процитовано 5 вересня 2024.
A symbol of a formal language used to denote an arbitrary element (individual) in the structure described by this language.
- ↑ Beckenbach, Edwin F (1982). College algebra (англ.) (вид. 5th). Wadsworth. ISBN 0-534-01007-5.
A variable is a symbol representing an unspecified element of a given set.
- ↑ Landin, Joseph (1989). An Introduction to Algebraic Structures (англ.). New York: Dover Publications[en]. с. 204. ISBN 0-486-65940-2.
A variable is a symbol that holds a place for constants.
- ↑ ISO 80000-2:2019 (PDF). Quantities and units, Part 2: Mathematics (англ.). International Organization for Standardization. Архів оригіналу за 15 вересня 2019. Процитовано 15 вересня 2019.
- ↑ Stover & Weisstein.
- ↑ van Dalen, Dirk (2008). Logic and Structure (PDF). Springer-Verlag (англ.) (вид. 4th): 57. doi:10.1007/978-3-540-85108-0. ISBN 978-3-540-20879-2.
- ↑ Feys, Robert; Fitch, Frederic Brenton (1969). Dictionary of symbols of mathematical logic (англ.). Amsterdam: North-Holland Pub. Co. LCCN 67030883.
- ↑ Shapiro, Stewart; Kouri Kissel, Teresa (2024), Classical Logic, у Zalta, Edward N.; Nodelman, Uri (ред.), The Stanford Encyclopedia of Philosophy (англ.) (вид. Spring 2024), Metaphysics Research Lab, Stanford University, процитовано 1 вересня 2024
- ↑ Clagett, Marshall. 1999. Ancient Egyptian Science: A Source Book. Volume 3: Ancient Egyptian Mathematics. Memoirs of the American Philosophical Society 232. Philadelphia: American Philosophical Society. ISBN 0-87169-232-5
- ↑ а б Boyer, Carl B. (Carl Benjamin) (1991). A History of Mathematics (англ.). New York: Wiley. ISBN 978-0-471-54397-8.
- ↑ Diophantine Equations. Submitted by: Aaron Zerhusen, Chris Rakes, & Shasta Meece. MA 330—002. Dr. Carl Eberhart. 16 February 1999.
- ↑ Boyer (1991). «Revival and Decline of Greek Mathematics». p. 178. «Головна відмінність діофантової синкопи від сучасної алгебраїчної нотації полягає у відсутності спеціальних символів для операцій і відношень, а також експоненціальної нотації»
- ↑ A History of Greek Mathematics: From Aristarchus to Diophantus. By Sir Thomas Little Heath. Pg 456
- ↑ A History of Greek Mathematics: From Aristarchus to Diophantus. By Sir Thomas Little Heath. Pg 458
- ↑ Tabak, 2014, с. 40.
- ↑ Fraleigh, 1989, 276.
- ↑ Sorell, 2000, p. 19.
- ↑ Scientific American (англ.). p. 148: Munn & Company. 3 вересня 1887.
- ↑ Edwards Art. 4
- ↑ Hosch, 2010, с. 71.
- ↑ Foerster, 2006, 18.
- ↑ Weisstein, Eric W. Sum. mathworld.wolfram.com (англ.). Процитовано 14 лютого 2022.
- ↑ Edwards Art. 5
- ↑ Edwards Art. 6
- Змінна в логіці // Філософський енциклопедичний словник / В. І. Шинкарук (гол. редкол.) та ін. — Київ : Інститут філософії імені Григорія Сковороди НАН України : Абрис, 2002. — 742 с. — 1000 екз. — ББК 87я2. — ISBN 966-531-128-X.
- Edwards, Joseph (1892). An Elementary Treatise on the Differential Calculus (вид. 2nd). London: MacMillan and Co.
- Foerster, Paul A. (2006). Algebra and Trigonometry: Functions and Applications (вид. classics). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-165711-3.
- Fraleigh, John B. (1989). A First Course in Abstract Algebra (вид. 4th). United States: Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-52821-3.
- Hosch, William L., ред. (2010). The Britannica Guide to Algebra and Trigonometry. Britannica Educational Publishing. ISBN 978-1-61530-219-2.
- Menger, Karl (1954). On Variables in Mathematics and in Natural Science. The British Journal for the Philosophy of Science. University of Chicago Press. 5 (18): 134—142. doi:10.1093/bjps/V.18.134. JSTOR 685170.
- Peregrin, Jaroslav (2000). Variables in Natural Language: Where do they come from? (PDF). У Böttner, Michael; Thümmel, Wolf (ред.). Variable-Free Semantics. Osnabrück Secolo. с. 46—65. ISBN 978-3-929979-53-4.
- Quine, Willard V. (1960). Variables Explained Away (PDF). Proceedings of the American Philosophical Society. American Philosophical Society. 104 (3): 343—347. JSTOR 985250.
- Sorell, Tom (2000). Descartes: A Very Short Introduction (англ.). New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-285409-4.
- Stover, Christopher; Weisstein, Eric W. Variable. У Weisstein, Eric W. (ред.). Wolfram MathWorld (англ.). Wolfram Research. Процитовано 22 листопада 2021.
- Tabak, John (2014). Algebra: Sets, Symbols, and the Language of Thought (англ.). Infobase Publishing. ISBN 978-0-8160-6875-3.