Lokalna odwracalność odwzorowań, odwzorowania uwikłane

Podobne dokumenty
1 Relacje i odwzorowania

Przekształcenia liniowe

Funkcje. Oznaczenia i pojęcia wstępne. Elementy Logiki i Teorii Mnogości 2015/2016

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

Przestrzeń unitarna. Jacek Kłopotowski. 23 października Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej SGH

Zaawansowane metody numeryczne

Teoretyczne podstawy programowania liniowego

Agata Boratyńska ZADANIA Z MATEMATYKI, I ROK SGH GRANICA CIĄGU

Równania liniowe. Rozdział Przekształcenia liniowe. Niech X oraz Y będą dwiema niepustymi przestrzeniami wektorowymi nad ciałem

Funkcje analityczne. Wykład 3. Funkcje holomorficzne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2016/2017) z = x + iy A

1 Pochodne wyższych rzędów

Lista nr 1 - Liczby zespolone

φ(x 1,..., x n ) = a i x 2 i +

Całki podwójne. Definicja całki podwójnej. Jacek Kłopotowski. 25 maja Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej

Wykład 5. Ker(f) = {v V ; f(v) = 0}

13 Układy równań liniowych

1 Macierz odwrotna metoda operacji elementarnych

Baza w jądrze i baza obrazu ( )

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

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

Funkcje analityczne. Wykład 4. Odwzorowania wiernokątne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2016/2017) dla każdego s = (s.

1. Liczby zespolone i

Algebra liniowa. 1. Macierze.

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

Funkcje analityczne. Wykład 4. Odwzorowania wiernokątne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2017/2018)

Funkcje i tabele. Paweł Bednarz 29 marca Funkcje Funckja liniowa Własności funkcji liniowej Funkcja kwadratowa...

Formy kwadratowe. Rozdział 10

Układy równań i równania wyższych rzędów

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn x 1 x 2... x m ...

1 Macierze i wyznaczniki

1 Wartości własne oraz wektory własne macierzy

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

Wektor, prosta, płaszczyzna; liniowa niezależność, rząd macierzy

Wykład 4 Udowodnimy teraz, że jeśli U, W są podprzetrzeniami skończenie wymiarowej przestrzeni V to zachodzi wzór: dim(u + W ) = dim U + dim W dim(u

cx cx 1,cx 2,cx 3,...,cx n. Przykład 4, 5

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Zestaw 12- Macierz odwrotna, układy równań liniowych

15. Macierze. Definicja Macierzy. Definicja Delty Kroneckera. Definicja Macierzy Kwadratowej. Definicja Macierzy Jednostkowej

dr Mariusz Grządziel 15,29 kwietnia 2014 Przestrzeń R k R k = R R... R k razy Elementy R k wektory;

4. O funkcji uwikłanej 4.1. Twierdzenie. Niech będzie dana funkcja f klasy C 1 na otwartym podzbiorze. ϕ : K(x 0, δ) (y 0 η, y 0 + η), taka że

II. Równania autonomiczne. 1. Podstawowe pojęcia.

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

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

Wykład 12 i 13 Macierz w postaci kanonicznej Jordana , 0 A 2

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ

Zaawansowane metody numeryczne

Układy równań liniowych. Ax = b (1)

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

Wyznaczniki 3.1 Wyznaczniki stopni 2 i 3

Zadania z algebry liniowej - sem. I Przestrzenie liniowe, bazy, rząd macierzy

Funkcje elementarne. Matematyka 1

5 Wyznaczniki. 5.1 Definicja i podstawowe własności. MIMUW 5. Wyznaczniki 25

Macierze Lekcja V: Wzory Cramera. Macierzowe układy równań.

1 Zacznijmy od początku... 2 Tryb tekstowy. 2.1 Wyliczenia

1. Pochodna funkcji. 1.1 Pierwsza pochodna - definicja i własności Definicja pochodnej

Analiza matematyczna 1

1 Zbiory i działania na zbiorach.

2. Definicja pochodnej w R n

Pytania i polecenia podstawowe

Układy równań i nierówności liniowych

wszystkich kombinacji liniowych wektorów układu, nazywa się powłoką liniową uk ładu wektorów

Przekształcanie równań stanu do postaci kanonicznej diagonalnej

Zadania z analizy matematycznej - sem. I Liczby i funkcje

Zadania z analizy matematycznej - sem. I Liczby i funkcje

5 Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

Matematyka. rok akademicki 2008/2009, semestr zimowy. Konwersatorium 1. Własności funkcji

Pochodna funkcji. Pochodna funkcji w punkcie. Różniczka funkcji i obliczenia przybliżone. Zastosowania pochodnych. Badanie funkcji.

Wektory i wartości własne

Rozdział 5. Macierze. a 11 a a 1m a 21 a a 2m... a n1 a n2... a nm

I. Pochodna i różniczka funkcji jednej zmiennej. 1. Definicja pochodnej funkcji i jej interpretacja fizyczna. Istnienie pochodnej funkcji.

Przestrzenie liniowe

Zadania egzaminacyjne

3 1 + i 1 i i 1 2i 2. Wyznaczyć macierze spełniające własność komutacji: [A, X] = B

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ

III. Funkcje rzeczywiste

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

Podstawowe struktury algebraiczne

4 Równania różniczkowe w postaci Leibniza, równania różniczkowe zupełne

Podstawowe struktury algebraiczne

Funkcje liniowe i wieloliniowe w praktyce szkolnej. Opracowanie : mgr inż. Renata Rzepińska

Treści programowe. Matematyka 1. Efekty kształcenia. Literatura. Warunki zaliczenia. Ogólne własności funkcji. Definicja 1. Funkcje elementarne.

Elementy logiki matematycznej

Algebra liniowa. Macierze i układy równań liniowych

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Wektory i wartości własne

Pochodne cząstkowe i ich zastosowanie. Ekstrema lokalne funkcji

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

2. ZASTOSOWANIA POCHODNYCH. (a) f(x) = ln 3 x ln x, (b) f(x) = e2x x 2 2.

Programowanie liniowe

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

II. FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

Rachunek różniczkowy funkcji dwóch zmiennych

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

Zestaw zadań 5: Sumy i sumy proste podprzestrzeni. Baza i wymiar. Rzędy macierzy. Struktura zbioru rozwiązań układu równań.

Wprowadzenie do badań operacyjnych - wykład 2 i 3

1. Zbadać liniową niezależność funkcji x, 1, x, x 2 w przestrzeni liniowej funkcji ciągłych na przedziale [ 1, ).

Sprawy organizacyjne. dr Barbara Przebieracz Bankowa 14, p.568

Zastosowania wyznaczników

PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

Transkrypt:

Lokalna odwracalność odwzorowań, odwzorowania uwikłane Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej Szkoła Główna Handlowa 17 maja 2012

Definicja Mówimy, że odwzorowanie F : X R n, gdzie X R n, jest lokalnie odwracalne w punkcie x 0 X wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje takie otoczenie U X punktu x 0, że odwzorowanie F U : U V, gdzie V = F (U), jest bijekcją. Jeśli F : X R n jest odwzorowaniem różnowartościowym (czyli F : X F (X ) jest bijekcją), to mówimy, że F jest globalnie odwracalne.

Przykład a) Każda bijekcja F : X Y, gdzie X, Y R n, jest lokalnie odwracalna w dowolnym punkcie x X. b) Funkcja f : R R, f (x) = x 2 jest lokalnie odwracalna w każdym punkcie x R {0}. c) Przekształcenie liniowe F : R n R n, F (x) = Ax, jest lokalnie odwracalne wtedy i tylko wtedy, gdy macierz A jest nieosobliwa, F jest wówczas bijekcją i F 1 (y) = A 1 y dla każdego y R n.

Twierdzenie Niech F : X R n, gdzie X jest otwartym podzbiorem przestrzeni R n, będzie takim odwzorowaniem różniczkowalnym w sposób ciągły w pewnym otoczeniu K (x 0, r) punktu x 0 X, że det F (x 0 ) 0. Wówczas: a) istnieje takie otoczenie U K (x 0, r) punktu x 0, że odwzorowanie F U : U V, gdzie V = F (U), jest bijekcją, b) odwzorowanie (F U ) 1 odwrotne do odwzorowania F U jest różniczkowalne w punkcie y 0 = F (x 0 ) oraz ( (F U ) 1) (y0 ) = (F (x 0 )) 1.

Uwaga Jeśli F : X R n, gdzie X R n, jest odwzorowaniem różniczkowalnym w punkcie x 0, to F (x 0 ) jest macierzą kwadratową, jej wyznacznik nazywamy jakobianem odwzorowania F w punkcie x 0.

Przykład Zbadamy[ lokalną odwracalność ] odwzorowania [ ] F : R 2 R 2, x1 + x F (x) = 2 2 w punkcie x x 1 x 0 = i wyznaczymy 2 1 ( pochodną odwzorowania odwrotnego (F U ) 1) (y0 ), gdzie [ ] 3 y 0 = F (x 0 ) =. 2

[ ] 1 1 Rozwiązanie. Odwzorowanie F ma pochodną F (x) =, x 2 x 1 wszystkie pochodne cząstkowe są funkcjami ciągłymi, [ a] więc F jest 1 1 różniczkowalne w sposób ciągły oraz F (x 0 ) =. Ponieważ 1 2 [ ] 1 1 det = 1 0, więc odwzorowanie F jest lokalnie 1 2 odwracalne w punkcie x 0. Ponadto [ ] ( 1 [ ] (F U ) 1) (y0 ) = (F (x 0 )) 1 1 1 2 1 = =. 1 2 1 1 Zauważmy w tym miejscu, że odwzorowanie F z przykładu ] jest lokalnie odwracalne w każdym punkcie x = [ x1 x 2 takim, że x 1 x 2. Odwzorowanie F X : X F (X ), gdzie X = { x R 2 : x 1 x 2 }, nie jest jednak bijekcją (czyli nie jest globalnie odwracalne), gdyż nie jest iniekcją, np. F (1, 2) = F (2, 1).

W szczególnym przypadku, gdy n = 1 można udowodnić mocniejszą wersję twierdzenia. Twierdzenie Jeśli funkcja f : (a, b) ((a, b)) jest różniczkowalna i f (x) 0 dla każdego x (a, b), to f jest bijekcją, funkcja odwrotna f 1 jest różniczkowalna oraz ( f 1 (y) ) = 1 f (x), gdzie y = f (x).

Przykład Obliczymy pochodną funkcji g (x) = arc tg x. ) Rozwiązanie. Funkcja g : R ( 1 2 π, 1 2 π, g (x) = arc tg x jest ) funkcją odwrotną do różniczkowalnej funkcji f : ( 1 2 π, 1 2 π R, f (x) = tg x. Ponieważ ) f (x) = 1 + tg 2 x, f (x) > 0 dla każdego ) x ( 1 2 π, 1 2 π, więc funkcja odwrotna f 1 : R ( 1 2 π, 1 2 π, f 1 (y) = arc tg y jest różniczkowalna oraz czyli (arc tg x) = 1 1+x 2. ( f 1 (y)) = 1 f (x) = 1 1+tg 2 x = 1 1+y 2,

Definicja Niech X R n R m będzie zbiorem otwartym, F : X R m, a (x 0, y 0 ) X, gdzie x 0 R n, y 0 R m, będzie takim punktem, że F (x 0, y 0 ) = 0. Mówimy, że układ równań F (x, y) = 0 określa w pewnym otoczeniu V X punktu (x 0, y 0 ) odwzorowanie uwikłane wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje takie otoczenie U punktu x 0 i odwzorowanie G : U R m, że dla każdego x U mamy (x, G (x)) V, y 0 = G (x 0 ) oraz F (x, G (x)) = 0.

Przykład Niech f : R R R, f (x, y) = x 2 + y 2 1, (x 0, y 0 ) = (0, 1). Równanie x 2 + y 2 1 = 0 wyznacza funkcję uwikłaną g (x) = 1 x 2 określoną dla x ( 1, 1). Gdy (x 0, y 0 ) = (0, 1), to szukana funkcja uwikłana jest dana wzorem g (x) = 1 x 2, gdzie również x ( 1, 1). Zauważmy, że w przypadku punktów (x 0, y 0 ) = (1, 0) oraz (x 0, y 0 ) = ( 1, 0) równanie x 2 + y 2 1 = 0 nie wyznacza funkcji uwikłanej y = g (x) (ale wyznacza funkcję uwikłaną x = h (y)).

Przykład Rozważmy układ równań liniowych Az = b, gdzie rząd macierzy A o wymiarach m (n + m) jest równy m. Załóżmy dla ustalenia uwagi, że kolumny a n+1, a n+2,..., a n+m macierzy A są liniowo niezależne. [ Macierz ] A możemy zapisać w postaci blokowej A = B C, gdzie macierz B ma wymiary m n, a nieosobliwa [ ] x macierz C wymiary m m. Przyjmując oznaczenia z =, y gdzie x R n, y R m, układ równań możemy zapisać w postaci [ B C ] [ x y ] = b Bx + Cy = b Cy = b Bx.

Przykład (cd) Mnożąc obustronnie ostatnie równanie przez C 1, otrzymujemy rozwiązanie y = C 1 (b Bx) = C 1 b C 1 Bx. Wektor y jest utworzony ze zmiennych bazowych, a wektor x ze zmiennych niebazowych układu Az = b odpowiadających postaci bazowej względem m ostatnich kolumn macierzy A.

Podamy warunki wystarczające na to, aby układ równań F (x, y) = 0 wyznaczał odwzorowanie uwikłane. Wprowadźmy następujące oznaczenia. Dla różniczkowalnego odwzorowania F : X R m o składowych f 1, f 2,..., f m oznaczmy przez F x (x 0, y 0 ) = f 1 x 1 (x 0, y 0 )... f 1 x n (x 0, y 0 )......... f m x 1 (x 0, y 0 )... f m x n (x 0, y 0 ),

Podamy warunki wystarczające na to, aby układ równań F (x, y) = 0 wyznaczał odwzorowanie uwikłane. Wprowadźmy następujące oznaczenia. Dla różniczkowalnego odwzorowania F : X R m o składowych f 1, f 2,..., f m oznaczmy przez F x (x 0, y 0 ) = F y (x 0, y 0 ) = f 1 x 1 (x 0, y 0 )... f 1 x n (x 0, y 0 )......... f m x 1 (x 0, y 0 )... f m x n (x 0, y 0 ) f 1 y 1 (x 0, y 0 )... f 1 y m (x 0, y 0 )......... f m y 1 (x 0, y 0 )... f m y m (x 0, y 0 ),.

Podamy warunki wystarczające na to, aby układ równań F (x, y) = 0 wyznaczał odwzorowanie uwikłane. Wprowadźmy następujące oznaczenia. Dla różniczkowalnego odwzorowania F : X R m o składowych f 1, f 2,..., f m oznaczmy przez F x (x 0, y 0 ) = F y (x 0, y 0 ) = f 1 x 1 (x 0, y 0 )... f 1 x n (x 0, y 0 )......... f m x 1 (x 0, y 0 )... f m x n (x 0, y 0 ) f 1 y 1 (x 0, y 0 )... f 1 y m (x 0, y 0 )......... f m y 1 (x 0, y 0 )... f m y m (x 0, y 0 ),. Zauważmy, że F x (x 0, y 0 ) jest macierzą o wymiarach m n, a F y (x 0, y 0 ) macierzą o wymiarach m m.

Twierdzenie (Gravesa) Niech X R n R m będzie zbiorem otwartym. Jeśli odwzorowanie F : X R m jest różniczkowalne w sposób ciągły, istnieje taki punkt (x 0, y 0 ) X, że F (x 0, y 0 ) = 0, det F y (x 0, y 0 ) 0, to układ równań F (x, y) = 0 wyznacza jednoznacznie odwzorowanie uwikłane y = G (x) określone w pewnym otoczeniu U punktu x 0, które jest różniczkowalne w sposób ciągły oraz spełnia warunek ( 1 G (x 0 ) = F y (x 0, y 0 )) F x (x 0, y 0 ).

Uwaga Jeśli n = 1 i m = 1, tzn., gdy rozważamy równanie f (x, y) = 0 i y = g (x) jest funkcją uwikłaną jednej zmiennej, otrzymany wzór można zapisać w postaci g (x 0 ) = f x (x 0,y 0 ) f. y (x 0,y 0 )

Uwaga Jeśli n = 1 i m = 1, tzn., gdy rozważamy równanie f (x, y) = 0 i y = g (x) jest funkcją uwikłaną jednej zmiennej, otrzymany wzór można zapisać w postaci Przykład g (x 0 ) = f x (x 0,y 0 ) f. y (x 0,y 0 ) Wyznaczymy pochodną funkcji uwikłanej y = g (x) w punkcie x 0 określonej warunkami x 3 2xy + 3y 2 2x = 0, x 0 = 1.

Uwaga Jeśli n > 1, m = 1, to g jest funkcją n-zmiennych, jej pochodne cząstkowe są równe dla j = 1, 2,..., n. g (x 0 ) = x j f (x 0,y 0 ) x j f (x 0,y 0 ) y.

Uwaga Jeśli n > 1, m = 1, to g jest funkcją n-zmiennych, jej pochodne cząstkowe są równe dla j = 1, 2,..., n. Przykład g (x 0 ) = x j f (x 0,y 0 ) x j f (x 0,y 0 ) y Wyznaczymy wszystkie takie wartości y, że równanie y 2 y + x 1 + 2x 2 1 = 0, gdzie x 1 = 1, x 2 = 0, generuje różniczkowalne funkcję uwikłaną y = g (x 1, x 2 ) określoną w pewnym otoczeniu punktu (1, 0). Wyznaczymy g (1, 0)..

Przykład Wykażemy, że w pewnym otoczeniu punktu x 0 istnieje odwzorowanie uwikłane y = G (x) wyznaczone przez układ równań F (x, y) = 0 i spełniające[ warunek y 0 = G (x 0 ]) oraz obliczymy G x + y (x 0 ), jeśli: F (x, y) = 1 + y 2 x 2 + y1 3 + y 2 4 2, x 0 = 0, y 0 = [ 1 1 ].