Definicija. definiramo skalarni produkt. x i y i. in razdaljo. d(x, y) = x y = < x y, x y > = n (x i y i ) 2. i=1. i=1

Σχετικά έγγραφα
Odvod. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 5. december Gregor Dolinar Matematika 1

Odvod. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 10. december Gregor Dolinar Matematika 1

Osnove matematične analize 2016/17

Funkcijske vrste. Matematika 2. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 2. april Gregor Dolinar Matematika 2

Funkcije več spremenljivk

Funkcije. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 12. november Gregor Dolinar Matematika 1

Funkcije dveh in več spremenljivk

IZPIT IZ ANALIZE II Maribor,

Funkcije. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 14. november Gregor Dolinar Matematika 1

Vaje iz MATEMATIKE 8. Odvod funkcije., pravimo, da je funkcija f odvedljiva v točki x 0 z odvodom. f (x f(x 0 + h) f(x 0 ) 0 ) := lim

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO MATEMATIKA III

Zaporedja. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 22. oktober Gregor Dolinar Matematika 1

Funkcije. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 21. november Gregor Dolinar Matematika 1

KODE ZA ODKRIVANJE IN ODPRAVLJANJE NAPAK

Domače naloge za 2. kolokvij iz ANALIZE 2b VEKTORSKA ANALIZA

Izpeljava Jensenove in Hölderjeve neenakosti ter neenakosti Minkowskega

Del 5. Vektorske funkcije in funkcije več spremenljivk

II. LIMITA IN ZVEZNOST FUNKCIJ

1. Definicijsko območje, zaloga vrednosti. 2. Naraščanje in padanje, ekstremi. 3. Ukrivljenost. 4. Trend na robu definicijskega območja

Matematika 1. Gabrijel Tomšič Bojan Orel Neža Mramor Kosta

Na pregledni skici napišite/označite ustrezne točke in paraboli. A) 12 B) 8 C) 4 D) 4 E) 8 F) 12

Zaporedja. Matematika 1. Gregor Dolinar. Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. 15. oktober Gregor Dolinar Matematika 1

vezani ekstremi funkcij

Diferencialna enačba, v kateri nastopata neznana funkcija in njen odvod v prvi potenci

Realne funkcije. Elementarne funkcije. Polinomi in racionalne funkcije. Eksponentna funkcija a x : R R + FKKT Matematika 1

INŽENIRSKA MATEMATIKA I

Matematika. BF Lesarstvo. Zapiski ob predavanjih v šolskem letu 2010/2011

VAJE IZ MATEMATIKE 2 za smer Praktična matematika. Martin Raič

Splošno o interpolaciji

*M * Osnovna in višja raven MATEMATIKA NAVODILA ZA OCENJEVANJE. Sobota, 4. junij 2011 SPOMLADANSKI IZPITNI ROK. Državni izpitni center

Gimnazija Krˇsko. vektorji - naloge

VAJE IZ MATEMATIKE 2 za smer Praktična matematika. Martin Raič

Univerza v Mariboru. Fakulteta za logistiko MATEMATIKA. Univerzitetni učbenik

Algebraične strukture

Osnovne lastnosti odvoda

Poliedri Ines Pogačar 27. oktober 2009

V tem poglavju bomo vpeljali pojem determinante matrike, spoznali bomo njene lastnosti in nekaj metod za računanje determinant.

Kotni funkciji sinus in kosinus

Matematika 1. Gregor Dolinar. 2. januar Fakulteta za elektrotehniko Univerza v Ljubljani. Gregor Dolinar Matematika 1

Uporabna matematika za naravoslovce

Matematika I (VS) Univerza v Ljubljani, FE. Melita Hajdinjak 2013/14. Pregled elementarnih funkcij. Potenčna funkcija. Korenska funkcija.

Tretja vaja iz matematike 1

Linearne preslikave. Poglavje VII. 1 Definicija linearne preslikave in osnovne lastnosti

Enačba, v kateri poleg neznane funkcije neodvisnih spremenljivk ter konstant nastopajo tudi njeni odvodi, se imenuje diferencialna enačba.

SKUPNE PORAZDELITVE VEČ SLUČAJNIH SPREMENLJIVK

Integralni račun. Nedoločeni integral in integracijske metrode. 1. Izračunaj naslednje nedoločene integrale: (a) dx. (b) x 3 +3+x 2 dx, (c) (d)

Univerza na Primorskem Pedagoška fakulteta Koper. Geometrija. Istvan Kovacs in Klavdija Kutnar

Funkcija je predpis, ki vsakemu elementu x iz definicijskega območja D R priredi neko število f (x) R.

Univerza v Ljubljani Fakulteta za računalništvo in informatiko MATEMATIKA. Polona Oblak

22. Kdaj sta dva vektorja vzporedna? FGG geodezija UNI Matematika I, 2005/ Kdaj so vektorji a 1, a 2,..., a n linearno neodvisni?

matrike A = [a ij ] m,n αa 11 αa 12 αa 1n αa 21 αa 22 αa 2n αa m1 αa m2 αa mn se števanje po komponentah (matriki morata biti enakih dimenzij):

Spoznajmo sedaj definicijo in nekaj osnovnih primerov zaporedij števil.

Riemannove ploskve in analitična geometrija. Franc Forstnerič

Matematika vaja. Matematika FE, Ljubljana, Slovenija Fakulteta za Elektrotehniko 1000 Ljubljana, Tržaška 25, Slovenija

VAJE IZ MATEMATIKE 2 za smer Praktična matematika. Martin Raič

AFINA IN PROJEKTIVNA GEOMETRIJA

Matematika 1. Jaka Cimprič

Vektorski prostori s skalarnim produktom

3.1 Reševanje nelinearnih sistemov

Kateri logični shemi imajo matematični izreki? Matematični izreki imajo logično zgradbo implikacije(a=>b) ali zgradbo ekvivalence(a b)

Podobnost matrik. Matematika II (FKKT Kemijsko inženirstvo) Diagonalizacija matrik

Lastne vrednosti in lastni vektorji

IspitivaƬe funkcija: 1. Oblast definisanosti funkcije (ili domen funkcije) D f

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Matematika 4 Pisni izpit 22. junij Navodila

Izpit sestavlja 4-5 vprašanj. Vsako ima več podvprašanj.

Računski del izpita pri predmetu MATEMATIKA I

Matematika. BF Lesarstvo. Zapiski ob predavanjih v šolskem letu 2009/2010

Univerza v Mariboru. Uporaba matematičnih metod v logistiki 1 Priročnik

PRIMER UPORABE FUNKCIJ 2. FUNKCIJE ENE SPREMENLJIVKE DEFINICIJA IN LASTNOSTI FUNKCIJE. Upogibni moment. M(X )=F A x qx2 2

Numerično reševanje. diferencialnih enačb II

Iterativno reševanje sistemov linearnih enačb. Numerične metode, sistemi linearnih enačb. Numerične metode FE, 2. december 2013

REˇSITVE. Naloga a. b. c. d Skupaj. FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Oddelek za matematiko Verjetnost 2. kolokvij 23.

1 Fibonaccijeva stevila

PONOVITEV SNOVI ZA 4. TEST

Matematika. Funkcije in enačbe

13. Jacobijeva metoda za računanje singularnega razcepa

cot x ni def. 3 1 KOTNE FUNKCIJE POLJUBNO VELIKEGA KOTA (A) Merske enote stopinja [ ] radian [rad] 1. Izrazi kot v radianih.

Funkcije dviju varjabli (zadaci za vježbu)

Veleučilište u Rijeci Stručni studij sigurnosti na radu Akad. god. 2011/2012. Matematika. Monotonost i ekstremi. Katica Jurasić. Rijeka, 2011.

D f, Z f. Lastnosti. Linearna funkcija. Definicija Linearna funkcija f : je definirana s predpisom f(x) = kx+n; k,

Obvestila. Matematično programiranje z aplikacijami. Pregled predmeta Matematično programiranje z aplikacijami. Vaje: Nadaljujemo z začinjeno pizzo.

Kotne in krožne funkcije

Booleova algebra. Izjave in Booleove spremenljivke

Kvadratne forme. Poglavje XI. 1 Definicija in osnovne lastnosti

Dodatna poglavja iz linearne algebre za 1. letnik finančne matematike na FMF. Primož Moravec

Matematika 1. Gabrijel Tomšič Bojan Orel Neža Mramor Kosta

Osnove kompleksne analize MARKO SLAPAR

Množico vseh funkcijskih vrednosti, ki jih pri tem dobimo, imenujemo zaloga vrednosti funkcije f. Oznaka: Z f

1.4 Tangenta i normala

Odvode odvisnih spremenljivk po neodvisni spremenljivki bomo označevali s piko: Sistem navadnih diferencialnih enačb prvega reda ima obliko:

Verjetnost 2. Oktober Verjetnost 2 Šesto poglavje. Obratna pot do markovskih verig. Od diskretnega časa proti zveznemu. Stabilnost in eksplozije

VAJE IZ MATEMATIKE za študente farmacije. Martin Raič s sodelavci

Analiza I. (študijsko gradivo) Matija Cencelj

radni nerecenzirani materijal za predavanja R(f) = {f(x) x D}

Reševanje sistema linearnih

Navadne diferencialne enačbe

Matrike. Poglavje II. Matrika je pravokotna tabela realnih števil. Na primer: , , , 0 1

Dragi polinom, kje so tvoje ničle?

ZBIRKA REŠENIH NALOG IZ MATEMATIKE I

10. poglavje. Kode za overjanje

Transcript:

Funkcije več realnih spremenljivk Osnovne definicije Limita in zveznost funkcije več spremenljivk Parcialni odvodi funkcije več spremenljivk Gradient in odvod funkcije več spremenljivk v dani smeri Parcialni odvodi višjih redov Lokalna linearizacija in totalni diferencial fukcije Verižno pravilo Jacobijeva matrika in posplošitev verižnega pravila Lokalni ekstremi funkcij več spremenljivk Globalni ekstremi funkcij več spremenljivk Vezani ekstremi V prostoru n-teric R n = {x = (x 1, x 2,..., x n ); x i R, i = 1,..., n} definiramo skalarni produkt in razdaljo < (x 1,..., x n ), (y 1,..., y n ) > := d(x, y) = x y = < x y, x y > = n x i y i i=1 n (x i y i ) 2. i=1

Naj bo a R n in ε > 0. Množico imenujemo ε-okolica točke a. K ε (a) = {x R n ; d(x, a) < ε} Če je n = 1, je K ε (a) = (a ε, a + ε). Če je n = 2, je K ε (a 1, a 2 ) odprt krog s središčem v (a 1, a 2 ) in polmerom ε. Če je n = 3, je K ε (a 1, a 2, a 3 ) odprta krogla s središčem v (a 1, a 2, a 3 ) in polmerom ε. Točka a je notranja točka množice A R n, če obstaja okolica K ε (a), ki je vsa vsebovana v A. Množico vseh notranjih točk menujemo notranjost množice A. Točka a je zunanja točka množice A R n, če obstaja okolica K ε (a), ki je vsa vsebovana v R n \A. Točka a je robna točka množice A R n, če vsaka okolica K ε (a) seka A in R n \A. Množico vseh robnih točk imenujemo rob množice A. Množica A R n je odprta, če je vsaka njena točka notranja točka. Množica A R n je zaprta, če vsebuje vse svoje robne točke. Množica A R n je omejena, če obstaja tak R > 0, da je A K R (0).

Zaporedje točk (T k ) k N R n konvergira k točki T 0 če je lim k T k T 0 = 0. lim T k = T 0, k Trditev Zaporedje točk (T k (x k, y k )) k N R 2 konvergira k točki T 0 (x 0, y 0 ), natanko tedaj ko lim k x k = x 0 in lim k y k = y 0. Predpis f, ki vsaki točki x = (x 1, x 2,..., x n ) D R n priredi natanko določeno realno število f (x), imenujemo funkcija n spremenljivk. Če imamo podan samo predpis f (x) = f (x 1, x 2,..., x n ), imenujemo množico vseh točk v R n za katere lahko izračunamo vrednost naravno definicijsko območje funkcije f in ga označimo z D(f ). Graf funkcije f : D(f ) R n R je množica G(f ) = {(x 1, x 2,..., x n, f (x 1, x 2,..., x n )); (x 1, x 2,..., x n ) D(f )} Množico točk za katero je vrednost funkcije konstantna, f (x) = C, imenujemo nivojnica ali nivojska krivulja.

zhx,yl= zhx,yl=x2 +y2 4 - x2 - y2-2 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0-2 0 2-2 0 2 8 6 4 2 0 2 1-1 0 1 zhx,yl= -2 8 6 4 2 0 0 0-1 2-2 1 zhx,yl=x2 -y2 x2 + y2 2-2 0 2 1.0 0.5 0.0-0.5-1.0-1.0-0.5-0.5 0.0 0.0 0.5 0.5 1.0 1.0 Limita in zveznost funkcije vec spremenljivk S tevilo λ je limita funkcije f : D Rn R v toc ki a = (a1,..., an ), c e za vsak ε > 0 obstaja tak δ > 0, da velja: c e je 0 < kx ak < δ, potem je f (x) λ < ε. Oznaka: λ = lim f (x) x a Funkcija f : D Rn R je v toc ki a = (a1,..., an ) D zvezna, c e obstaja limita limx a f (x) in c e je limx a = f (a). Funkcija f je zvezna na obmoc ju 4 D, c e je zvezna v vsaki njegovi toc ki.

Prav tako kot za funkcije ene spremenjivke tudi za funkcije več spremenljivk velja, da je vsota, razlika, produkt, kvocient in kompozitum zveznih funkcij tudi zvezna funkcija. V nadaljevanju se bomo zaradi lažjega označevanja v večini definicij omejili na funkcije dveh spremenljivk, ki ju bomo označevali z x in y. Vse definicije in izreke se da enostavno posplošiti za funkcije več spremenljivk. Parcialni odvodi funkcije več spremenljivk Naj bo f definirana na neki okolici točke (a, b) R 2. Funkcija f je v točki (a, b) parcialno odvedljiva po spremenljivki x, če obstaja limita lim h 0 f (a + h, b) f (a, b). h Limito imenujemo parcialni odvod funkcije f v točki (a, b) po x in jo označimo z f x (a, b) ali f x(a, b). Torej f x (a, b) f f (a + h, b) f (a, b) x(a, b) := lim. h 0 h

Naj bo f definirana na neki okolici točke (a, b) R 2. Funkcija f je v točki (a, b) parcialno odvedljiva po spremenljivki y, če obstaja limita lim k 0 f (a, b + k) f (a, b). k Limito imenujemo parcialni odvod funkcije f v točki (a, b) po y in jo označimo z f (a, b) ali f y (a, b). Torej f (a, b) f f (a, b + k) f (a, b) y (a, b) := lim. k 0 k Funkcijo parcialno odvajamo po eni od spremenljivk tako, da obravnavamo druge spremenljivke kot bi bile konstante. Gradient in odvod funkcije več spremenljivk v dani smeri Če je f : D R n R parcialno odvedljiva po vseh spremenljivkah, imenujemo vektor (grad f )(x) f := ( f x 1 (x), f x 2 (x),..., f x n (x)) gradient funkcije f v točki x = (x 1,..., x n ) D. Naj bo f : D R n R, x = (x 1,..., x n ) D, s = (s 1,..., s n ) in s = 1. Če obstaja limita f (x + ts) f (x) ( s f )(x) := lim, t 0 t jo imenujemo odvod funkcije f v smeri s.

Trditev Naj bo f : D R n R zvezno parcialno odvedljiva po vseh spremenljivkah. Potem velja ( s f )(x) = < (grad f )(x), s >. Posledica ( s f )(x) je največji takrat, ko je s = (grad f )(x) (grad f )(x). Torej je grad f vektor, ki kaže v smeri najhitrejšega naraščanja funkcije f. Parcialni odvodi višjih redov Na odprti množici D R 2 definira preslikava (x, y) f x (x, y) funkcijo dveh spremenjivk, ki jo imenujemo parcialni odvod funkcije f po spremenljivki x. Prav tako definira preslikava (x, y) f (x, y) funkcijo dveh spremenjivk, ki jo imenujemo parcialni odvod funkcije f po spremenljivki y. Če obstajajo, lahko torej definiramo parcialne odvode drugega reda: 2 f x 2 := ( ) f 2 f x x x := ( ) f x 2 f 2 := ( f ) 2 f x := x ( ) f

Trditev Če za funkcijo f : D R 2 R, kjer je D odprta množica, obstajata mešana odvoda 2 f x, 2 f x in sta zvezni funkciji, potem sta enaka 2 f (x, y) = 2 x f (x, y). x Obstajajo primeri, ko oba mešana odvoda obstajata, a nista enaka. Analogno definiramo tudi odvode višjih redov. Lokalna linearizacija in totalni diferencial fukcije Izrek Naj za funkcijo f : D R 2 R, kjer je D odprta množica, obstajata parcialna odvoda f f x in, ki sta zvezna v točki (x, y). Potem obstajata taki funkciji ε 1 (h, k) in ε 2 (h, k), ki sta zvezni v točki (0, 0), da je ε 1 (0, 0) = ε 2 (0, 0) = 0, in velja enakost f (x+h, y+k) = f (x, y)+ f f (x, y) h+ x (x, y) k+ε 1(h, k) h+ε 2 (h, k) k za vsako točko (h, k), ki je dovolj blizu točke (0, 0). Zgornjo enakost imenujemo lokalna linearizacija funkcije f okrog točke (x, y). Izraz df = f f (x, y) h + (x, y) k x imenujemo totalni diferencial funkcije f v točki (x, y) pri prirastku (h, k).

Izrek (Posplošitev izreka o lokalni linearizaciji za funkcije več spremenljivk) Naj za funkcijo f : D R n R, kjer je D odprta množica, f obstajajo parcialni odvodi x i, ki so zvezni v točki x = (x 1,..., x n ). Potem obstajajo take funkcije ε i (h), h = (h 1,..., h n ), ki so zvezne v točki (0,..., 0), da je ε i (0) = 0, in velja enakost f (x + h) = f (x) + n i=1 f x i (x) h i + n ε i (h) h i i=1 za vsako točko h, ki je dovolj blizu točke 0 = (0,..., 0). Zgornjo enakost imenujemo lokalna linearizacija funkcije f okrog točke x. Verižno pravilo Izrek (Verižno pravilo za funkcijo dveh spremenljivk) Naj za funkcijo f : D R 2 R, kjer je D odprta množica, obstajata oba parcialna odvoda f f x in in naj bosta zvezni funkciji. Naj bosta funkciji x = u(t) in y = v(t) odvedljivi na intervalu (α, β) ter (u(t), v(t)) D za vsak t (α, β). Potem je funkcija g(t) = f (u(t), v(t)) odvedljiva na (α, β) in velja g (t) dg f (t) = dt x (u(t), v(t)) u (t) + f (u(t), v(t)) v (t)

Izrek (Posplošitev verižnega pravila za funkcije več spremenljivk) Naj za funkcijo f : D R n R, kjer je D odprta množica, f obstajajo vsi parcialni odvodi x i in naj bodo zvezne funkcije. Naj bodo funkcije x 1 = u 1 (t),..., x n = u n (t) odvedljive na intervalu (α, β) in naj bo (u 1 (t), u 2 (t),..., u n (t)) D za vsak t (α, β). Potem je funkcija g(t) = f (u 1 (t),..., u n (t)) odvedljiva na (α, β) in velja g (t) dg dt (t) = n i=1 f x i (u 1 (t),..., u n (t)) u i(t) Jacobijeva matrika in posplošitev verižnega pravila Naj bo D odprta podmnožica R n in f j : D R n R, j = 1,..., m, funkcije n realnih spremenljivk. Potem imenujemo funkcijo f = (f 1,..., f m ) : D R n R m vektorska funkcija. Vektorsko funkcijo f = (f 1,..., f j ) lahko lineariziramo okrog točke x, če lahko okrog točke x lineariziramo vsako funkcijo f j, j = 1,..., m. To pomeni, da funkcije f j zadoščajo pogojem iz izreka o lokalni linearizaciji.

Matriko dimenzije m n (Jac f)(x) = f 1 x 1 (x) f 2 x 1 (x). f m x 1 (x) f 1 x 2 (x) f 2 x 2 (x).... f m x 2 (x) f 1 x n (x) f 2 x n (x).... f m x n (x) imenujemo Jacobijeva matrika funkcije f=(f 1,..., f m ) v točki x. Trditev (Posplošitev verižnega pravila za vektorske funkcije) Naj bo f : A R n R m, g : B R m R k in f(a) B. Če lahko funkcijo f lokalno lineariziramo okrog točke a in funkcijo g okrog točke b = f (a), potem lahko funkcijo g f lokalno lineariziramo okrog točke a in (Jac (g f))(a) = (Jac g)(f(a)) (Jac f)(a). Naj bo f = (u, v) : D R 2 R 2, u = u(x, y) in v = v(x, y). Potem je Jacobijeva matrika funcije f enaka (Jac f)(x, y) = u u x (x, y) v v x (x, y) (x, y) (x, y)

Lokalni ekstremi funkcij več spremenljivk Naj bo D odprta podmnožica R n in f : D R n R. Funkcija f ima v točki a D lokalni maksimum ( lokalni minimum), če obstaja taka okolica K ε (a) točke a, da za vsak x K ε (a) velja f (x) f (a) (f (x) f (a)). Točko a D za katero velja (grad f )(a) = 0 imenujemo kritična ali stacionarna točka funkcije f. Trditev Naj bo D odprta podmnožica R n in f : D R n R. Če ima funkcija f ima v točli a D lokalni ekstrem in če je f parcialno odvedljiva po vseh svojih spremenljivkah, je a kritična točka funkcije f. Če je (grad f )(a) = 0, v točki a ni nujno lokalni ekstrem: f (x, y) = y 2 x 2 ima v a = (0, 0) sedlo.

Globalni ekstremi funkcij več spremenljivk Naj bo zaprta omejena podmnožica R n in f : R n R. Funkcija f ima v točli a D globalni maksimum ( globalni minimum), če velja f (x) f (a) (f (x) f (a)) za vsak x. Trditev Naj bo zaprta omejena podmnožica R n in f : R n R zvezna na. Potem funkcija f na doseže svoj globalni maksimum in svoj globalni minimum. Če je f tudi parcialno odvedljiva v notranjosti, potem ekstremne vrednosti doseže bodisi v notranjih stacionarne točke bodisi v robnih točkah območja. Vezani ekstremi Trditev (Metoda Lagrangeovih množiteljev) Naj bo D odprta podmnožica R n in funkcije f, g 1,... g m : D R naj bodo na D zvezno parcialno odvedljive po vseh spremenljivkah. Naj bo a D taka točka, da so vektorji (grad g k )(a), k = 1,... m, linearno neodvisni. Če obstaja taka okolica K ε (a), ε > 0, da je ali f (a) = max{f (x); x K ε (a), g 1 (x) =... = g m (x) = 0} f (a) = min{f (x); x K ε (a), g 1 (x) =... = g m (x) = 0}, potem obstajajo taki skalarji (Lagrangeovi množitelji) λ 1,... λ m, da je m grad(f + λ k g k )(a) = 0. k=1