Производная по времени — это производная функции по времени , обычно интерпретируемая как скорость изменения значения функции. [1] Переменная, обозначающая время, обычно записывается как .
Для обозначения производной по времени используются различные обозначения. В дополнение к обычным обозначениям ( Лейбница )
Очень распространенное сокращенное обозначение, особенно в физике, — это «точка». ИЕ
(Это называется обозначением Ньютона )
Используются также высшие производные по времени: вторая производная по времени записывается как
с соответствующим сокращением .
В качестве обобщения, производная вектора по времени, скажем:
определяется как вектор, компоненты которого являются производными компонентов исходного вектора. То есть,
Производные по времени являются ключевым понятием в физике . Например, для изменяющегося положения его производная по времени — это его скорость , а вторая производная по времени — это его ускорение . Иногда используются и более высокие производные: третья производная положения по времени известна как рывок . См. графики движения и производные .
Большое количество фундаментальных уравнений физики включают в себя первые или вторые производные величин. Многие другие фундаментальные величины в науке являются производными друг от друга по времени:
и так далее.
Распространенным явлением в физике является производная по времени вектора , например скорости или смещения. При работе с такой производной и величина, и ориентация могут зависеть от времени.
Например, рассмотрим частицу, движущуюся по круговой траектории. Его положение определяется вектором смещения , связанным с углом θ и радиальным расстоянием r , как показано на рисунке:
В этом примере мы предполагаем, что θ = t . Следовательно, смещение (положение) в любой момент времени t определяется выражением
Эта форма показывает , что движение, описываемое r ( t ), происходит по кругу радиуса r , поскольку величина r ( t ) определяется выражением
используя тригонометрическое тождество sin 2 ( t ) + cos 2 ( t ) = 1 и где – обычное евклидово скалярное произведение.
При такой форме смещения теперь найдена скорость. Производная по времени вектора смещения является вектором скорости. В общем, производная вектора — это вектор, состоящий из компонентов, каждый из которых является производной соответствующего компонента исходного вектора. Таким образом, в данном случае вектор скорости равен:
Таким образом, скорость частицы отлична от нуля, хотя величина положения (то есть радиус пути) постоянна. Скорость направлена перпендикулярно смещению, что можно определить с помощью скалярного произведения :
Тогда ускорение является производной скорости по времени:
Ускорение направлено внутрь, к оси вращения. Он направлен напротив вектора положения и перпендикулярно вектору скорости. Это направленное внутрь ускорение называется центростремительным ускорением .
В дифференциальной геометрии величины часто выражаются относительно локального ковариантного базиса , где i варьируется по числу измерений. Компоненты вектора, выраженные таким образом, преобразуются в контравариантный тензор , как показано в выражении , использующем соглашение Эйнштейна о суммировании . Если мы хотим вычислить производные по времени этих компонентов вдоль траектории, чтобы мы имели , мы можем определить новый оператор, инвариантную производную , который будет продолжать возвращать контравариантные тензоры: [2]
где (поскольку это j- я координата) отражает компоненты скорости в локальном ковариантном базисе, а являются символами Кристоффеля для системы координат. Обратите внимание, что явная зависимость от t в обозначениях скрыта. Тогда мы можем написать:
а также:
С точки зрения ковариантной производной , имеем:
В экономике многие теоретические модели эволюции различных экономических переменных строятся в непрерывном времени и поэтому используют производные по времени. [3] : гл. 1-3 Одна ситуация включает в себя переменную запаса и ее производную по времени, переменную потока . Примеры включают в себя:
Иногда в модели может появиться производная по времени переменной потока:
А иногда появляется временная производная переменной, которая, в отличие от приведенных выше примеров, не измеряется в денежных единицах: