حساب دیفرانسیل

تاریخ مشتق

مفهوم مشتق در شکل خط مماس تاریخ بسیار کهنی دارد و برای هندسه‌دانان یونانی از جمله اقلیدس، ارشمیدس و آپولونیوس شناخته‌شده بوده‌است. ارشمیدس مفهوم بی‌نهایت کوچک را معرفی کرد، هرچند که این مفهوم برای مطالعهٔ سطح‌ها و حجم‌ها به کار می‌رفت و توجهی به مشتق‌ها و مماس‌ها نمی‌شد.
می‌توان بهره‌گیری از بی‌نهایت کوچک‌ها برای مطالعهٔ نرخ تغییرات را در ریاضیات هند از حدود سال ۵۰۰ میلادی مشاهده کرد. آریابهاتا که اخترشناس و ریاضی‌دان بود، از این مفهوم برای مطالعهٔ حرکت ماه استفاده کرد. باسکارای دوم توسعهٔ قابل توجهی در استفاده از بی‌نهایت کوچک‌ها برای محاسبهٔ نرخ تغییرات ایجاد کرد. می‌توان گفت که بسیاری از تعریف‌های کلیدی در حساب دیفرانسیل از جمله قضیهٔ رل، در کارهای او دیده می‌شود. شرف‌الدین طوسی، ریاضی‌دان ایرانی، نخستین کسی بود که مشتق چندجمله‌ای‌های درجه سه را کشف کرد. کتاب فی المعادلات او، مفاهیمی از جمله تابع مشتق و بیشینه و کمینهٔ منحنی را برای حل معادلات درجه سه که ممکن است جواب مثبت نداشته باشند، توسعه داد.
توسعهٔ نوین حسابان مدیون آیزاک نیوتن و گوتفرید لایبنیتس است که رویکردهای مستقل و یکسانی را برای مشتق‌گیری و مشتقات فراهم کردند. نکتهٔ اصلی که این اعتبار را به آن‌ها داد، قضیهٔ اساسی حسابان بود که مشتق و انتگرال را به یکدیگر مرتبط می‌کرد. این قضیه، بسیاری از روش‌های پیشین برای محاسبهٔ سطح‌ها و حجم‌ها را که از دوران ابن هیثم توسعهٔ چندانی نیافته بودند، منسوخ کرد. نیوتن و لایبنیتس تحقیقات خود دربارهٔ مشتق را بر کارهای مهم انجام شده توسط ریاضی‌دانان پیشین از جمله پیر دو فرما، آیزاک بارو، رنه دکارت، کریستیان هویگنس، بلز پاسکال و جان والیس بنا کردند. نیوتن نخستین کسی بود که از مشتق در فیزیک نظری بهره گرفت. لایبنیتس بسیاری از نمادها را توسعه داد که اکنون نیز به کار می‌روند.
از سدهٔ هفدهم میلادی بسیاری از ریاضی‌دانان در زمینهٔ مشتق پژوهش کرده‌اند. در سدهٔ نوزدهم، ریاضی‌دانان دیگری از جمله آگوستین لویی کوشی، برنهارت ریمان و کارل وایرشتراس تحقیق در این زمینه را تکمیل کردند. در همین دوره، مشتق به فضای اقلیدسی و صفحهٔ مختلط تعمیم داده شد.

حساب تغییرات

نمونه‌ای از مسائل بهینه‌سازی، یافتن کوتاه‌ترین مسیر میان دو نقطه روی یک سطح، با شرط قرار داشتن مسیر روی سطح است. اگر سطح مورد نظر یک صفحه باشد، کوتاه‌ترین مسیر خط راست است. ولی در سطح‌های دیگر، نمی‌توان کوتاه‌ترین مسیر را به سرعت مشخص کرد. این مسیرها ژئودزیک نامیده می‌شوند و یکی از ساده‌ترین مسائل حساب تغییرات، محاسبهٔ ژئودزیک‌ها است. نمونهٔ دیگر، یافتن کوچک‌ترین سطح پر شده توسط یک خم بسته در فضا است. این سطح، سطح کمینه نامیده می‌شود و می‌توان آن را با حساب تغییرات محاسبه کرد.

چندجمله‌ای‌های تیلور و سری تیلور

مشتق تابع f(x)، بهترین تقریب خطی ممکن آن را در نقطهٔ دلخواه x₀ ارائه می‌دهد؛ ولی این تقریب می‌تواند بسیار متفاوت از مقدار واقعی باشد. یکی از شیوه‌های بهبود تقریب، بهره‌گیری از تقریب درجه دوم است. به بیان ریاضی، تقریب خطی تابع حقیقی به صورت a + b(x − x₀) است، در حالی که ممکن است چندجمله‌ای درجه دوم به صورت a + b(x − x₀) + c(x − x₀)² تقریب دقیق‌تری از تابع باشد. با افزایش درجهٔ چندجمله‌ای می‌توان تقریب‌های بهتری را نیز به دست آورد. برای این چندجمله‌ای‌ها باید بهترین گزینهٔ ممکن برای تعیین ضرایب a و b و غیره موجود باشد که تقریب را تا جای ممکن بهبود بخشد.
در همسایگی x₀، همواره بهترین تقریب برای a مقدار تابع f(x₀) و برای b مقدار f'(x₀) است. برای درجه‌های بالاتر نیز می‌توان این ضرایب را برحسب مشتقات مرتبه‌های بالاتر f محاسبه کرد. با این روش می‌توان ضرایب چندجمله‌ای تیلور را به دست آورد. قضیهٔ تیلور کران دقیقی را برای کیفیت تقریب می‌دهد.
حد چندجمله‌ای تیلور در بی‌نهایت، بسط تیلور نامیده می‌شود. بسط تیلور تقریب بسیار خوبی برای تابع اصلی است. تابع‌هایی که برابر با بسط تیلور خود هستند، تابع تحلیلی خوانده می‌شوند. توابع دارای ناپیوستگی یا گوشه‌های تیز، هرگز نمی‌توانند تحلیلی باشند؛ ولی برخی توابع نرم نیز تحلیلی نیستند.