Funkcje wielu zmiennych

Podobne dokumenty
Funkcje wielu zmiennych

Funkcje wielu zmiennych

POCHODNA KIERUNKOWA. DEFINICJA Jeśli istnieje granica lim. to granica ta nazywa siȩ pochodn a kierunkow a funkcji f(m) w kierunku osi l i oznaczamy

13. Funkcje wielu zmiennych pochodne, gradient, Jacobian, ekstrema lokalne.

Funkcje wielu zmiennych

Pochodne cz ¾astkowe i ich zastosowanie.

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Pochodne cząstkowe i ich zastosowanie. Ekstrema lokalne funkcji

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

Funkcje dwóch zmiennych

II. FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

3. Funkcje wielu zmiennych

Funkcje wielu zmiennych

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

Zestaw nr 7 Ekstremum funkcji jednej zmiennej. Punkty przegiȩcia wykresu. Asymptoty

RÓŻNICZKOWANIE FUNKCJI WIELU ZMIENNYCH: rachunek pochodnych dla funkcji wektorowych. Pochodne cząstkowe funkcji rzeczywistej wielu zmiennych

y 1 y 2 = f 2 (t, y 1, y 2,..., y n )... y n = f n (t, y 1, y 2,..., y n ) f 1 (t, y 1, y 2,..., y n ) y = f(t, y),, f(t, y) =

Sterowalność liniowych uk ladów sterowania

Elementy analizy funkcjonalnej PRZESTRZENIE LINIOWE

Funkcje dwóch zmiennych

Funkcje dwóch zmiennych, pochodne cząstkowe

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

8. Funkcje wielu zmiennych - pochodne cząstkowe

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Ekstrema funkcji wielu zmiennych, twierdzenia o funkcji odwrotnej i funkcji uwikªanej

Zestaw nr 6 Pochodna funkcji jednej zmiennej. Styczna do krzywej. Elastyczność funkcji. Regu la de l Hospitala

LOGIKA ALGORYTMICZNA

FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

1 Pochodne wyższych rzędów

Analiza Matematyczna MAEW101 MAP1067

Zadania z analizy matematycznej - sem. II Rachunek ró»niczkowy funkcji wielu zmiennych

ci agi i szeregi funkcji Javier de Lucas Ćwiczenie 1. Zbadać zbieżność (punktow a i jednostajn a) ci agu funkcji nx 2 + x

AB = x a + yb y a + zb z a 1

Matematyka z el. statystyki, # 4 /Geodezja i kartografia I/

22 Pochodna funkcji definicja

Funkcje dwóch zmiennych

Rachunek różniczkowy funkcji dwóch zmiennych

Wyk lad 9 Przekszta lcenia liniowe i ich zastosowania

2. Definicja pochodnej w R n

Wyk lad 7 Metoda eliminacji Gaussa. Wzory Cramera

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

ANALIZA II 15 marca 2014 Semestr letni. Ćwiczenie 1. Czy dan a funkcjȩ da siȩ dookreślić w punkcie (0, 0) tak, żeby otrzymana funkcja by la ci ag la?

Funkcje wielu zmiennych

Sterowanie optymalne dla uk ladów nieliniowych. Zasada maksimum Pontriagina.

Zagadnienie Dualne Zadania Programowania Liniowego. Seminarium Szkoleniowe Edyta Mrówka

Równania różniczkowe cz astkowe rzȩdu pierwszego

Wykªad 7. Ekstrema lokalne funkcji dwóch zmiennych.

Wyk lad 9 Podpierścienie, elementy odwracalne, dzielniki zera

Ekstrema funkcji wielu zmiennych.

1. Definicja granicy właściwej i niewłaściwej funkcji.

Liczby zespolone, liniowa zależność i bazy Javier de Lucas. a d b c. ad bc

Matematyka A, klasówka, 24 maja zania zadań z kolokwium z matematyki A w nadziei, że pope lni lem wielu b le. rozwia

Rozdzia l 2. Najważniejsze typy algebr stosowane w logice

Cia la i wielomiany Javier de Lucas

Programowanie nieliniowe. Badania operacyjne Wykład 3 Metoda Lagrange a

z n n=1 S n nazywamy sum a szeregu. Szereg, który nie jest zbieżny, nazywamy rozbieżnym. n=1

Rozdzia l 11. Przestrzenie Euklidesowe Definicja, iloczyn skalarny i norma. iloczynem skalarnym.

Analiza Matematyczna MAEW101 MAP1067

Ekonomia matematyczna i dynamiczna optymalizacja

Analiza matematyczna 2 zadania z odpowiedziami

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

Metoda mnożników Lagrange a i jej zastosowania w ekonomii

ANALIZA MATEMATYCZNA 2 zadania z odpowiedziami

1 Granice funkcji wielu zmiennych.

WYKŁAD Z ANALIZY MATEMATYCZNEJ I. dr. Elżbieta Kotlicka. Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki

Suma i przeciȩcie podprzestrzeń, suma prosta, przestrzeń ilorazowa Javier de Lucas

czastkowych Państwo przyk ladowe zadania z rozwiazaniami: karpinw adres strony www, na której znajda

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

P (x, y) + Q(x, y)y = 0. g lym w obszrze G R n+1. Funkcje. zania uk ladu (1) o wykresie przebiegaja

Analiza Matematyczna MAEW101

Definicja pochodnej cząstkowej

Funkcja może mieć lokalne ekstrema jedynie w punktach, w których jej gradient, czyli wektor f = grad f = [ f

STYSTYSTYKA dla ZOM II dr inż Krzysztof Bryś Wykad 1

Tomasz Downarowicz Instytut Matematyki i Informatyki Politechnika Wroc lawska Wroc law Wroc law, kwiecień 2011

FUNKCJE LICZBOWE. x 1

AM II /2019 (gr. 2 i 3) zadania przygotowawcze do I kolokwium

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 9

Wykład 11 i 12. Informatyka Stosowana. 9 stycznia Informatyka Stosowana Wykład 11 i 12 9 stycznia / 39

Wyk lad 7 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Normy wektorów i macierzy

Metoda mnożników Lagrange a i jej zastosowania w ekonomii

f x f x(x, y) (1.1) f(x, y, z) = xyz (1.5)

Wyk lad 8 macierzy i twierdzenie Kroneckera-Capellego

Wyk lad 3 Wielomiany i u lamki proste

Pojȩcie przestrzeni metrycznej

g liczb rzeczywistych (a n ) spe lnia warunek

Matematyka A, egzamin, 17 czerwca 2005 rozwia zania

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

Wykład 6, pochodne funkcji. Siedlce

Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych

STATYSTYKA MATEMATYCZNA dla ZPM I dr inż Krzysztof Bryś wyk lad 1,2 KLASYCZNY RACHUNEK PRAWDOPODOBIEŃSTWA

Metody Numeryczne Wykład 4 Wykład 5. Interpolacja wielomianowa

Wprowadzenie z dynamicznej optymalizacji

Zestaw zadań przygotowujących do egzaminu z Matematyki 1

VIII. Zastosowanie rachunku różniczkowego do badania funkcji. 1. Twierdzenia o wartości średniej. Monotoniczność funkcji.

Rozdzia l 9. Zbiory liczb porz adkowych. Liczby porz adkowe izolowane i graniczne

Rachunek Różniczkowy

stosunek przyrostu funkcji y do odpowiadajacego dy dx = lim y wielkości fizycznej x, y = f(x), to pochodna dy v = ds edkości wzgl edem czasu, a = dv

Zadania o liczbach zespolonych

Matematyka i Statystyka w Finansach. Rachunek Różniczkowy

Transkrypt:

Funkcje wielu zmiennych 13 Zbiory w przestrzeni Definicja Przestrzeni a trójwymiarow a (przestrzeni a) nazywamy zbiór wszystkich trójek uporz adkowanych (x y z) gdzie x y z R. Przestrzeń tȩ oznaczamy symbolem R 3 : R 3 = { (x y z) : x R y R z R }. Elementy (x y z) tego zbioru nazywamy punktami przestrzeni i oznaczamy P = (x y z). Liczby x y z nazywamy wspó lrzȩdnymi punktu P. Definicja Odleg lość punktów P 1 P oznaczamy symbolem d(p 1 P ) i określamy : d(p 1 P ) = (x x 1 ) + (y y 1 ) + (z z 1 ) gdy P 1 = (x 1 y 1 z 1 ) P = (x y z 3 ) R 3. Odleg lość punktów P = ( 3 4) Q = (4 3 ) wynosi d(p Q) = (4 + ) + ( 3 3) + ( + 4) = 6 3. Definicja Otoczeniem punktu P 0 R 3 o promieniu r (r > 0) nazywamy zbiór: U(P 0 r) = { P R 3 : d(p 0 P ) < r }. Otoczeniem punktu w przestrzeni jest kula otwarta o środku w punkcie P 0 i promieniu r. Uwaga Jeżeli promień otoczenia nie bȩdzie istotny w rozważaniach to zamiast U(P 0 r) bȩdziemy pisać U(P. Definicja S asiedztwem punktu P 0 R 3 o promieniu r (r > 0) nazywamy zbiór: S(P 0 r) = { P R 3 : 0 < d(p 0 P ) < r }. Latwo zauważyć że S(P 0 r) = U(P 0 r) \ { P 0 }. Uwaga Jeżeli promień s asiedztwa nie bȩdzie istotny w rozważaniach to zamiast S(P 0 r) bȩdziemy pisać S(P. 1

14 Funkcje trzech zmiennych Definicja Funkcj a f trzech zmiennych określon a na zbiorze Ω R 3 o wartościach w R nazywamy przyporz adkowanie każdemu punktowi (x y z) Ω dok ladnie jednej liczby u = f(x y z) R. a) f(x y z) = ln(1 x y z ) b) g(x y z) = xyz c) F (x y z) = z(x )(y+1) Definicja Dziedzin a funkcji f nazywamy zbiór: D f = { (x y z) R 3 : u R u = f(x y z) }. Dziedziny funkcji podanych w poprzednim przyk ladzie s a nastȩpuj ace: a) D f = { (x y) R 3 : x + y + z < 1 } b) D g = { (x y) R 3 : xyz 0 } c) D F = R 3 \ { ( 1 0)}. (x ) +(y+1) +z. 15 Pochodne cz astkowe funkcji trzech zmiennych Definicja Niech P 0 = (x 0 y 0 z R 3 oraz niech funkcja f bȩdzie określona w otoczeniu U(P. Pochodn a cz astkow a pierwszego rzȩdu funkcji f wzglȩdem zmiennej x w punkcie P 0 określamy x (x f(x 0 + y 0 z f(x 0 y 0 z 0 y 0 z 0 Pochodn a cz astkow a pierwszego rzȩdu funkcji f wzglȩdem zmiennej y w punkcie P 0 określamy y (x 0 y 0 z 0 f(x 0 y 0 + z f(x 0 y 0 z Pochodn a cz astkow a pierwszego rzȩdu funkcji f wzglȩdem zmiennej z w punkcie P 0 określamy z (x 0 y 0 z 0 f(x 0 y 0 z 0 + ) f(x 0 y 0 z Pochodne cz astkowe oznacza siȩ także symbolami f x(x 0 y 0 z f y(x 0 y 0 z f z(x 0 y 0 z f x (x 0 y 0 z f y (x 0 y 0 z f z (x 0 y 0 z D 1 f(x 0 y 0 z D f(x 0 y 0 z D 3 f(x 0 y 0 z. Pochodne cz astkowe funkcji f(x y z) = (x y + z) 3 w punkcie (0 0 0) s a w laściwe (skończone) (0 0 0) x 0 (0 0 0) y 0 f(0 + 0 0) f(0 0 0) f(0 0 + 0) f(0 0 0) 0 0 () 3 0 ( ) 3 0 0 () = 0 = lim 0 () = 0 f(0 0 0 + ) f(0 0 0) () 3 0 (0 0 0) = 8 lim z 0 0 0 () = 0 Pochodne funkcji f(x y) = 3 x y + z w punkcie (0 0 0) s a niew laściwe (0 0 0) x 0 f(0 + 0 0) f(0 0 0) 0 3 0 0 1 ( 3 ) = +

(0 0 0) y 0 (0 0 0) z 0 f(0 0 + 0) f(0 0 0) f(0 0 0 + ) f(0 0 0) 0 0 3 0 3 0 0 0 Pochodne funkcji f(x y) = x + y + z w punkcie (0 0 0) nie istniej a 1 ( 3 ) = 3 ( 3 ) = + (0 0 0) x 0 (0 0 0) y 0 (0 0 0) z 0 f(0 + 0 0) f(0 0 0) f(0 0 + 0) f(0 0 0) f(0 0 0 + ) f(0 0 0) 0 0 0 nie istnieje nie istnieje nie istnieje Niech P = (x y z) R 3 oraz niech funkcja f bȩdzie określona w otoczeniu U(P ). Pochodn a cz astkow a pierwszego rzȩdu funkcji f wzglȩdem zmiennej x w punkcie P określamy (x y z) x 0 f(x + y z) f(x y z) Pochodn a cz astkow a pierwszego rzȩdu funkcji f wzglȩdem zmiennej y w punkcie P określamy (x y z) y 0 f(x y + z) f(x y z) Pochodn a cz astkow a pierwszego rzȩdu funkcji f wzglȩdem zmiennej z w punkcie P określamy (x y z) z 0 f(x y z + ) f(x y z) Funkcja f(x y) = (x y + z) 3 ma pochodne cz astkowe f x = 3(x y + z) f y = 3(x y + z) f z = 6(x y + z) Funkcja f(x y) = 3 x y + z ma pochodne cz astkowe f x = 1 3 3 (x y + z) f y = 1 3 3 (x y + z) f z = Funkcja f(x y) = x + y + z ma pochodne cz astkowe f x = x x + y + z f y = y x + y + z f z = 3 3 (x y + z) z x + y + z 16 Gradient funkcji trzech zmiennych Definicja Gradientem funkcji f w punkcie P 0 = (x 0 y 0 z nazywamy wektor określony gradf(x 0 y 0 z = [ ] f x(x 0 y 0 z f y(x 0 y 0 z f z(x 0 y 0 z 3

Gradient funkcji f oznacza siȩ także symbolem f(x 0 y 0 z. Definicja Gradientem funkcji f w punkcie P = (x y z) nazywamy wektor określony gradf(x y z) = [ ] f x(x y z) f y(x y z) f z(x y z) lub krócej gradf = [ ] f x f y f z Gradient funkcji f(x y z) = x 3 y 3 + z 3 w punkcie P 0 = (1 1 1) jest równy gradf(1 1 1) = [ 3 3 6 ] Gradient funkcji f(x y z) = x 3 y 3 + z 3 w punkcie P = (x y z) jest równy gradf = [ 3x 3y 6z ] 17 Pochodna kierunkowa funkcji Definicja Niech funkcja f określona bȩdzie w otoczeniu punktu P 0 = (x 0 y 0 z oraz niech v = [v x v y v z ] bȩdzie wektorem. Pochodn a kierunkow a funkcji f w punkcie (x 0 y 0 z w kierunku wektora v określamy f(x f v(x 0 + tv x y 0 + tv y z 0 + tv z ) f(x 0 y 0 z 0 y 0 z. t 0 t Obliczymy pochodn a kierunkow a funkcji f(x y z) = xyz w punkcie P 0 = (1 3) w kierunku wektora v = [3 1]. Ponieważ f(1 3) = 6 oraz f(1+3t +t 3+t) = 6t 3 +6t +6t+6 wiȩc Twierdzenie P 0 = (x 0 y 0 z to 6t 3 + 6t + 6t + 6 6 f [31](1 3) = 6. t 0 t Jeżeli funkcja f ma ci ag le pochodne cz astkowe rzȩdu pierwszego w punkcie f v(x 0 y 0 z = f x(x 0 y 0 z v x + f y(x 0 y 0 z v y + f z(x 0 y 0 z v z. Uwaga Powyższy wzór można zapisać w postaci f v(x 0 y 0 z = gradf(x 0 y 0 z v. Obliczymy pochodn a kierunkow a funkcji f(x y) = xyz w punkcie P 0 = (1 3) w kierunku wektora v = [3 1]. Ponieważ f x = yz f y = xz f z = xy to f [31](1 3) = [6 3 ] [3 1] = 6 3 + 3 + 1 = 6. 4

18 Pochodne cz astkowe drugiego rzȩdu Niech P = (x y z) R 3 oraz niech funkcja f bȩdzie określona w otoczeniu U(P ). Pochodne cz astkowe drugiego rzȩdu funkcji f w punkcie P określamy wzorami x = ( ) x x x y = ( ) x y x z = x ( ) z y x = y ( ) x y = y ( ) y y z = y ( ) z Uwaga z x = z ( ) x z y = z Powyższe wzory można zapisać w postaci ( ) y z = z ( ). z xx = (f x) x xy = (f y) x xz = (f z) x yx = (f x) y yy = (f y) y yz = (f z) y zx = (f x) z zy = (f y) z zz = (f z) z. Twierdzenie (Schwarza) Jeżeli funkcja f ma ci ag le pochodne mieszane f xy f yx f xz f zx f yz zy w punkcie P 0 = (x 0 y 0 z to xy(x 0 y 0 z = yx(x 0 y 0 z xz(x 0 y 0 z = zx(x 0 y 0 z yz(x 0 y 0 z = zy(x 0 y 0 z. Obliczymy pochodne cz astkowe drugiego rzȩdu funkcji f(x y z) = xyz. Mamy kolejno f x = yz f y = xz f z = xy xx = 0 xy = z xz = y yx = z yy = 0 yz = x zx = y zy = x zz = 0. Obliczymy teraz pochodne cz astkowe drugiego rzȩdu funkcji f(x y z) = x + y + z. Mamy kolejno f x = x f y = y f z = z xx = xy = 0 xz = 0 yx = 0 yy = yz = 0 zx = 0 zy = 0 zz =. 19 Ekstrema lokalne funkcji trzech zmiennych Definicja Funkcja f ma w punkcie P 0 = (x 0 y 0 z minimum lokalne jeżeli istnieje s asiedztwo S(P tego punktu takie że dla dowolnego P = (x y z) S(P zachodzi nierówność f(x y z) > f(x 0 y 0 z. Definicja Funkcja f ma w punkcie P 0 = (x 0 y 0 z maksimum lokalne jeżeli istnieje s asiedztwo S(P tego punktu takie że dla dowolnego P = (x y z) S(P zachodzi nierówność f(x y z) < f(x 0 y 0 z. Twierdzenie (warunek konieczny ekstremum) Jeżeli funkcja f spe lnia warunki: 5

ma ekstremum w punkcie P 0 = (x 0 y 0 z ma pochodne cz astkowe f x(x 0 y 0 z f y(x 0 y 0 z f z(x 0 y 0 z to Uwaga Uk lad równań f x(x 0 y 0 z = 0 f y(x 0 y 0 z = 0 f z(x 0 y 0 z = 0 f x(x 0 y 0 z = 0 f y(x 0 y 0 z = 0 f z(x 0 y 0 z = 0 można zapisać w postaci gradf(x 0 y 0 z = 0. Funkcja f(x y z) = e x y z ma maksimum w punkcie P 0 = (0 0 0) oraz f x = x e x y z f y = y e x y z f z = z e x y z co oznacza że f spe lnia warunek konieczny ekstremum f x(0 0 0) = 0 f y(0 0 0) = 0 f z(0 0 0) = 0. Funkcja f(x y z) = xyz nie ma ekstremum w punkcie P 0 = (0 0 0) ale f x = yz f y = xz f y = xy co oznacza że f spe lnia warunek konieczny ekstremum f x(0 0 0) = 0 f y(0 0 0) = 0 f z(0 0 0) = 0. Niech teraz gdzie P 0 = (x 0 y 0 z. [ ] A = det f xx(p [ ] B = det xx(p f xy(p f yx(p f yy(p f xx(p f xy(p f xz(p C = det f yx(p f yy(p f yz(p Twierdzenie (warunek dostateczny ekstremum) zx(p zy(p zz(p pierwszego i drugiego rzȩdu w punkcie P 0 = (x 0 y 0 z oraz jeżeli gradf(p = 0 A > 0 B > 0 C > 0 to f(p = f min ; jeżeli gradf(p = 0 A < 0 B > 0 C < 0 Jeżeli funkcja f ma ci ag le pochodne cz astkowe to f(p = f max ; jeżeli wyżej wymienione warunki odnośnie A B C nie s a spe lnione oraz gradf(p = 0 ABC 0 6

to f nie ma ekstremum w punkcie P 0 ; w pozosta lych przypadkach twierdzenie nie rozstrzyga. Wyznaczymy ekstrema funkcji f(x y z) = x + y + z xy + 3x + z. Ponieważ f x = x y + 3 f y = y x f z = z + to otrzymujemy uk lad równań x y + 3 = 0 y x = 0 z + = 0 który ma rozwi azanie P 0 = ( 1 1). Ponadto xx = xy = yx = 1 xz = zx = 0 yy = yz = zy = 0 zz = oraz A = det [] = > 0 [ ] 1 B = det = 3 > 0 1 a wiȩc f( 1 1) = f min = 4. 1 0 C = det 1 0 0 0 = 6 > 0 7