Curs 14 Funcţii implicite. Facultatea de Hidrotehnică Universitatea Tehnică "Gh. Asachi"

Σχετικά έγγραφα
Curs 10 Funcţii reale de mai multe variabile reale. Limite şi continuitate.

5. FUNCŢII IMPLICITE. EXTREME CONDIŢIONATE.

V.7. Condiţii necesare de optimalitate cazul funcţiilor diferenţiabile

Curs 4 Serii de numere reale

(a) se numeşte derivata parţială a funcţiei f în raport cu variabila x i în punctul a.

SEMINAR 14. Funcţii de mai multe variabile (continuare) ( = 1 z(x,y) x = 0. x = f. x + f. y = f. = x. = 1 y. y = x ( y = = 0

Integrala nedefinită (primitive)

Puncte de extrem pentru funcţii reale de mai multe variabile reale.

Metode iterative pentru probleme neliniare - contractii

a n (ζ z 0 ) n. n=1 se numeste partea principala iar seria a n (z z 0 ) n se numeste partea

III. Serii absolut convergente. Serii semiconvergente. ii) semiconvergentă dacă este convergentă iar seria modulelor divergentă.

Sisteme diferenţiale liniare de ordinul 1

Concurs MATE-INFO UBB, 1 aprilie 2017 Proba scrisă la MATEMATICĂ

Curs 1 Şiruri de numere reale

Seminariile Capitolul X. Integrale Curbilinii: Serii Laurent şi Teorema Reziduurilor

Planul determinat de normală şi un punct Ecuaţia generală Plane paralele Unghi diedru Planul determinat de 3 puncte necoliniare

J F (ρ, ϕ, θ) = cos ϕ ρ sin ϕ 0. Teoremă (a diferenţiabilităţii compuse) (legea lanţului) Fie F : D deschis

Curs 2 Şiruri de numere reale

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor X) functia f 1

DISTANŢA DINTRE DOUĂ DREPTE NECOPLANARE

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor

CURS VII-IX. Capitolul IV: Funcţii derivabile. Derivate şi diferenţiale. 1 Derivata unei funcţii. Interpretarea geometrică.

f(x) = l 0. Atunci f are local semnul lui l, adică, U 0 V(x 0 ) astfel încât sgnf(x) = sgnl, x U 0 D\{x 0 }. < f(x) < l +

Definiţia generală Cazul 1. Elipsa şi hiperbola Cercul Cazul 2. Parabola Reprezentari parametrice ale conicelor Tangente la conice

Capitolul 4. Integrale improprii Integrale cu limite de integrare infinite

SEMINAR TRANSFORMAREA FOURIER. 1. Probleme

Cursul Măsuri reale. D.Rusu, Teoria măsurii şi integrala Lebesgue 15

Asupra unei inegalităţi date la barajul OBMJ 2006

CONCURS DE ADMITERE, 17 iulie 2017 Proba scrisă la MATEMATICĂ

z a + c 0 + c 1 (z a)

Siruri de numere reale

Conice. Lect. dr. Constantin-Cosmin Todea. U.T. Cluj-Napoca

APLICAŢII ALE CALCULULUI DIFERENŢIAL. Material pentru uzul studenţilor de la FACULTATEA DE

Functii Breviar teoretic 8 ianuarie ianuarie 2011

Sisteme de ecuaţii diferenţiale

SERII NUMERICE. Definiţia 3.1. Fie (a n ) n n0 (n 0 IN) un şir de numere reale şi (s n ) n n0

Toate subiectele sunt obligatorii. Timpul de lucru efectiv este de 3 ore. Se acordă din oficiu 10 puncte. SUBIECTUL I.

Conice - Câteva proprietǎţi elementare

R R, f ( x) = x 7x+ 6. Determinați distanța dintre punctele de. B=, unde x și y sunt numere reale.

Fie I R un interval deschis, G R n, n 1, un domeniu şi f : I G R n. Forma generala a unei ecuaţii diferenţiale de ordinul întâi este: = f(x, y).

Orice izometrie f : (X, d 1 ) (Y, d 2 ) este un homeomorfism. (Y = f(x)).

Profesor Blaga Mirela-Gabriela DREAPTA

EDITURA PARALELA 45 MATEMATICĂ DE EXCELENŢĂ. Clasa a X-a Ediţia a II-a, revizuită. pentru concursuri, olimpiade şi centre de excelenţă

Analiza în curent continuu a schemelor electronice Eugenie Posdărăscu - DCE SEM 1 electronica.geniu.ro

Metode de interpolare bazate pe diferenţe divizate

Ecuaţia generală Probleme de tangenţă Sfera prin 4 puncte necoplanare. Elipsoidul Hiperboloizi Paraboloizi Conul Cilindrul. 1 Sfera.

( ) ( ) ( ) Funcţii diferenţiabile. cos x cos x 2. Fie D R o mulţime deschisă f : D R şi x0 D. Funcţia f este

Ecuatii trigonometrice

Criptosisteme cu cheie publică III

Lucian Maticiuc CURS I II. 1 Matrice şi determinanţi. Sisteme de ecuaţii liniare. 1.1 Matrice şi determinanţi

Seminar Algebra. det(a λi 3 ) = 0

ELEMENTE DE GEOMETRIA COMPUTAŢIONALĂ A CURBELOR Interpolare cu ajutorul funcţiilor polinomiale

riptografie şi Securitate

Capitolul 7 DERIVATE. DIFERENŢIALE

2 Transformări liniare între spaţii finit dimensionale

5.5. REZOLVAREA CIRCUITELOR CU TRANZISTOARE BIPOLARE

T R A I A N ( ) Trigonometrie. \ kπ; k. este periodică (perioada principală T * =π ), impară, nemărginită.

COLEGIUL NATIONAL CONSTANTIN CARABELLA TARGOVISTE. CONCURSUL JUDETEAN DE MATEMATICA CEZAR IVANESCU Editia a VI-a 26 februarie 2005.

INTERPOLARE. y i L i (x). L(x) = i=0

Ion CRĂCIUN CAPITOLE DE MATEMATICI SPECIALE EDITURA PIM

1Ecuaţii diferenţiale

2.1 Sfera. (EGS) ecuaţie care poartă denumirea de ecuaţia generală asferei. (EGS) reprezintă osferă cu centrul în punctul. 2 + p 2

BARAJ DE JUNIORI,,Euclid Cipru, 28 mai 2012 (barajul 3)

Concurs MATE-INFO UBB, 25 martie 2018 Proba scrisă la MATEMATICĂ

Funcţii Ciudate. Beniamin Bogoşel

Principiul Inductiei Matematice.

Ecuatii exponentiale. Ecuatia ce contine variabila necunoscuta la exponentul puterii se numeste ecuatie exponentiala. a x = b, (1)

Lectia VI Structura de spatiu an E 3. Dreapta si planul ca subspatii ane

Integrale cu parametru

8 Intervale de încredere

Lucrare. Varianta aprilie I 1 Definiţi noţiunile de număr prim şi număr ireductibil. Soluţie. Vezi Curs 6 Definiţiile 1 şi 2. sau p b.

Laborator 6. Integrarea ecuaţiilor diferenţiale

Fişier template preliminar

Seminariile Capitolul IX. Integrale curbilinii

Capitolul 3. Serii Fourier. a unei funcţii periodice de perioadă Dezvoltarea în serie Fourier

a) (3p) Sa se calculeze XY A. b) (4p) Sa se calculeze determinantul si rangul matricei A. c) (3p) Sa se calculeze A.

TEMA 9: FUNCȚII DE MAI MULTE VARIABILE. Obiective:

1. Sisteme de ecuaţii liniare Definiţia 1.1. Fie K un corp comutativ. 1) Prin sistem de m ecuaţii liniare cu n necunoscute X 1,...

TEMA 7: INTEGRALE NEDEFINITE. Obiective:

Criterii de comutativitate a grupurilor

Laborator 11. Mulţimi Julia. Temă

Asupra unei metode pentru calculul unor integrale definite din functii trigonometrice

Analiza matematică, clasa a XI-a probleme rezolvate Rolul derivatei întâi

VII.2. PROBLEME REZOLVATE

O generalizare a unei probleme de algebră dată la Olimpiada de Matematică, faza judeţeană, 2013

Tranzistoare bipolare şi cu efect de câmp

CURS XI XII SINTEZĂ. 1 Algebra vectorială a vectorilor liberi

CAPITOLUL 8 CURBE ÎN PLAN ŞI ÎN SPAŢIU Curbe în plan

Seminar 5 Analiza stabilității sistemelor liniare

6 n=1. cos 2n. 6 n=1. n=1. este CONV (fiind seria armonică pentru α = 6 > 1), rezultă

CURS 11: ALGEBRĂ Spaţii liniare euclidiene. Produs scalar real. Spaţiu euclidian. Produs scalar complex. Spaţiu unitar. Noţiunea de normă.

SEMINAR TRANSFORMAREA LAPLACE. 1. Probleme. ω2 s s 2, Re s > 0; (4) sin ωt σ(t) ω. (s λ) 2, Re s > Re λ. (6)

Examen AG. Student:... Grupa:... ianuarie 2011

CONCURSUL INTERJUDEȚEAN DE MATEMATICĂ TRAIAN LALESCU, 1998 Clasa a V-a

Seminariile 1 2 Capitolul I. Integrale improprii

1.3 Baza a unui spaţiu vectorial. Dimensiune

SEMINARUL 3. Cap. II Serii de numere reale. asociat seriei. (3n 5)(3n 2) + 1. (3n 2)(3n+1) (3n 2) (3n + 1) = a

Probleme pentru clasa a XI-a

avem V ç,, unde D = b 4ac este discriminantul ecuaţiei de gradul al doilea ax 2 + bx +

* K. toate K. circuitului. portile. Considerând această sumă pentru toate rezistoarele 2. = sl I K I K. toate rez. Pentru o bobină: U * toate I K K 1

Transcript:

Curs 14 Funcţii implicite Facultatea de Hidrotehnică Universitatea Tehnică "Gh. Asachi" Iaşi 2014

Fie F : D R 2 R o funcţie de două variabile şi fie ecuaţia F (x, y) = 0. (1) Problemă În ce condiţii ecuaţia (1) poate fi rezolvată în raport cu y, adică există o funcţie y : A R R astfel încât (x, y (x)) D, x A, şi F (x, y (x)) = 0, x A? Definiţie Funcţia y = y (x) definită de ecuaţia (1) se numeşte funcţie definită implicit sau funcţie implicită.

Problemă În cazul în care ecuaţia (1) defineşte funcţia implicită y = y (x), să stabilim proprietăţi ale acestei funcţii fără a efectua explicitarea, proprietăţi deduse din studiul direct al funcţiei F. Dacă funcţia implicită este o funcţie derivabilă, cum găsim derivata funcţiei y fără să o explicităm?

Exemplu Fie ecuaţia x 3 + y 3 = 6xy. Să presupunem că ecuaţia determină y = y(x) funcţie implicită derivabilă. Derivăm în raport cu x ambii membri ai ecuaţiei şi obţinem de unde 3x 2 + 3y 2 (x) y (x) = 6y (x) + 6xy (x), y (x) = 2y (x) x 2 y 2 (x) 2x. Deci, pentru a găsi derivata lui y nu am avut nevoie să rezolvăm ecuaţia, adică să-l găsim pe y în funcţie de x, ci, derivând ambii membri ai ecuaţiei în funcţie de x, din ecuaţia rezultată l-am determinat pe y.

Presupunem acum că ecuaţia (1) defineşte implicit o funcţie y = y(x), adică F (x, y (x)) = 0, x A şi această funcţie y este derivabilă pe A. Presupunem că F este diferenţiabilă. Atunci: adică Dacă y 0, atunci x x + y y = 0, x + y y = 0. y = x. y

Teorema funcţiilor implicite Fie D R 2 o mulţime deschisă, funcţia F : D R şi punctul (a, b) D. Dacă sunt îndeplinite condiţiile: (i) F (a, b) = 0, (ii) F C 1 (D), (iii) (a, b) 0, y atunci există o vecinătate U a punctului a în R, o vecinătate V a punctului b în R şi o unică funcţie y : U V astfel încât: I. F (x, y (x)) = 0, x U, II. y este diferenţiabilă pe U, III. y (a) = b.

Deci, în ipotezele teoremei, ecuaţia (1) defineşte funcţia y ca funcţie de x, local, în jurul punctului a şi această funcţie y este derivabilă. În plus, derivata funcţiei implicite y se calculează după formula: (x, y (x)) y (x) = x, x U 1, (2) y (x, y (x)) { unde U 1 = x U; } (x, y (x)) 0. y

Exerciţiu Arătaţi că ecuaţia x 5 + y 5 + xy = 3 defineşte într-o vecinătate a punctului (1, 1) R 2 o funcţie implicită y = y (x) derivabilă. Să se calculeze y (1). Soluţie. Considerăm funcţia F : R 2 R definită prin F (x, y) = x 5 + y 5 + xy 3. Observăm că funcţia F este continuă pe R 2 şi F (1, 1) = 0. Obţinem x (x, y) = 5x 4 + y, y (x, y) = 5y 4 + x, pentru orice (x, y) R 2, deci funcţiile x, y sunt continue

pe R 2. Prin urmare, F C 1 ( R 2). În plus, y (1, 1) = 6 0. Conform Teoremei funcţiilor implicite, există U şi V vecinătăţi ale punctului 1 şi o unică funcţie y : U V derivabilă pe U astfel încât y (1) = 1 şi F (x, y (x)) = 0, x U. Să calculăm în continuare y (1). Folosind formula (2) obţinem (x, y (x)) y (x) = x 5x 4 + y (x) = y (x, y (x)) 5y 4 (x) + x, x U 1, deci y (1) = 1.

Exerciţiu Arătaţi că ecuaţia y sin x + x 3 + y 3 = 1 defineşte într-o vecinătate a punctului (0, 1) R 2 o funcţie implicită y = y (x) derivabilă. Să se calculeze y (0). Soluţie. Considerăm funcţia F : R 2 R definită prin Avem F (x, y) = y sin x + x 3 + y 3 1. x (x, y) = y cos x + 3x 2, y (x, y) = sin x + 3y 2, pentru orice (x, y) R 2, deci F C 1 ( R 2).

În punctul (a, b) = (0, 1) avem F (0, 1) = 0 şi y (0, 1) = 3 0. Conform Teoremei funcţiilor implicite, există U vecinătate a lui 0, V vecinătate a lui 1 şi o unică funcţie y : U V derivabilă pe U astfel încât y (0) = 1 şi F (x, y (x)) = 0, pentru orice x U. În plus, (x, y (x)) y (x) = x = y (x, y (x)) y (x) cos x + 3x 2 sin x + 3y 2 (x), x U 1, rezultă că y (0) = 1 3.

Observaţie În ipoteze similare celor din teorema anterioară, o ecuaţie în care apar mai mult de două variabile, F (x 1, x 2,..., x n, y) = 0, poate defini o funcţie implicită de mai multe variabile y = y (x 1, x 2,..., x n ).

Presupunem acum că z = z (x, y) este o funcţie dată implicit de ecuaţia F (x, y, z) = 0, unde F : D R 2 R R. Înseamnă că F (x, y, z (x, y)) = 0, pentru orice (x, y) din domeniul de definiţie al funcţiei z. Dacă F şi z sunt diferenţiabile, atunci derivăm ecuaţia F (x, y, z (x, y)) = 0 în raport cu x şi obţinem Cum x x = 1 şi y x x x x + y y x + x = 0. = 0, rezultă că x + x = 0.

Dacă (x, y) 0, atunci x (x, y, z) (x, y) = x. (3) (x, y, z) Similar, derivând ecuaţia F (x, y, z (x, y)) = 0 în raport cu y obţinem (x, y, z) y (x, y) =. (4) y (x, y, z)

Exerciţiu Arătaţi că ecuaţia x 2 + 2y 2 + 3z 2 + xy z 9 = 0 determină în mod unic într-o vecinătate a punctului (1, 2, 1) o funcţie implicită z = z (x, y) şi să se găsească x, y în punctul (1, 2). Soluţie. Considerăm funcţia F : R 2 R R, F (x, y, z) = x 2 + 2y 2 + 3z 2 + xy z 9. Calculăm derivatele parţiale de ordinul întâi ale funcţiei F. Avem: x = 2x + y, y = 4y + x, = 6z 1.

Prin urmare, funcţiile F, x, y, sunt continue pe R2, deci F C 1 ( R 2). În punctul (1, 2, 1) avem F (1, 2, 1) = 0 şi (1, 2, 1) = 5 0. Atunci există U R 2 vecinătate pentru (1, 2), V R vecinătate pentru 1 şi o unică funcţie z : U V, z = z (x, y), diferenţiabilă pe U, astfel încât z (1, 2) = 1 şi F (x, y, z (x, y)) = 0, (x, y) U. Aplicând formula (3) obţinem x (x, y, z) (x, y) = x 2x + y = (x, y, z) 6z (x, y) 1,

deci (1, 2) = 0. x Aplicând formula (4) obţinem deci y (x, y, z) y 4y + x (x, y) = = (x, y, z) 6z (x, y) 1, y (1, 2) = 7 5.

Exerciţiu Să se arate că funcţia z = z (x, y) definită implicit de ecuaţia Φ (x az, y bz) = 0, a, b R fixaţi, Φ C 1 (D), D R 2, verifică relaţia a (x, y) + b (x, y) = 1. x y Soluţie. Notăm F (x, y, z) = Φ (x az, y bz) şi u = x az, v = y bz. Astfel avem Φ (u (x, y), v (x, y)) = 0. Calculăm derivatele parţiale de ordinul întâi ale funcţiei z = z (x, y), definită implicit de ecuaţia F (x, y, z) = 0, cu ajutorul formulelor (3) şi (4).

Determinăm mai întâi derivatele parţiale ale funcţiei F folosind regula de derivare a unei funcţii compuse. Avem: x y (x, y, z) = Φ u u x + Φ v v x = Φ u, (x, y, z) = Φ u u y + Φ v v y = Φ v, (x, y, z) = Φ u u + Φ v v = a Φ u b Φ v.

Atunci, şi (x, y) = x (x, y) = y Φ u a Φ u + b Φ v Φ v a Φ u + b Φ. v Se obţine uşor că a (x, y) + b (x, y) = 1. x y

Exerciţiu Să se calculeze derivatele parţiale de ordinul al doilea ale funcţiei z = z (x, y) definită implicit de ecuaţia x 2 + y 2 + z 2 = e z. Soluţie. Derivând ecuaţia în raport cu x obţinem de unde rezultă că 2x + 2z (x, y) (x, y) = ez(x,y) (x, y), x x 2x (x, y) = x e z(x,y) 2z (x, y).

Derivând ecuaţia dată în raport cu y obţinem de unde rezultă că 2y + 2z (x, y) (x, y) = ez(x,y) (x, y), y y 2y (x, y) = y e z(x,y) 2z (x, y).

Atunci, 2 z (x, y) = x 2 x ( ) ( (x, y) = x 2x e z(x,y) 2z (x, y) 2 ( e z(x,y) 2z (x, y) ) ( ) 2x ez(x,y) (x, y) 2 (x, y) x x = ( e z(x,y) 2z (x, y) ) 2 = 2 ( e z(x,y) 2z (x, y) ) 2 4x 2 ( e z(x,y) 2 ) ( e z(x,y) 2z (x, y) ). 3 Similar se găsesc şi celelalte derivate parţiale de ordinul al doilea. ) x

Putem întâlni funcţii definite implicit de un sistem de ecuaţii de tipul F 1 (x 1, x 2,..., x n, y 1, y 2,..., y m ) = 0 F 2 (x 1, x 2,..., x n, y 1, y 2,..., y m ) = 0 (5). F m (x 1, x 2,..., x n, y 1, y 2,..., y m ) = 0, unde F i : D R n R m R, i = 1,..., m. Vom considera x 1, x 2,..., x n variabile independente, iar y 1, y 2,..., y n depind de x 1, x 2,..., x n. În această situaţie spunem că funcţiile y i = y i (x 1, x 2,..., x n ), i = 1,..., m, sunt funcţii implicite definite de sistemul (5).

Determinantul D (F 1, F 2,..., F m ) D (y 1, y 2,..., y m ) = 1 y 1 1 y 2.... m y 1 m y 2 1 y m m y m se numeşte determinantul funcţional sau iacobianul funcţiilor F 1, F 2,..., F m în raport cu variabilele y 1, y 2,..., y m.

Observaţie Existenţa unei soluţii locale a sistemului (5) este asigurată de îndeplinirea următoarelor condiţii: (i) F 1, F 2,..., F m C 1 (D) ; (ii) într-un punct (a, b) D să avem F i (a, b) = 0, i = 1,..., m; (iii) D (F 1, F 2,..., F m ) D (y 1, y 2,..., y m ) (a, b) 0. În plus, funcţiile y i = y i (x 1, x 2,..., x n ) sunt diferenţiabile pe domeniul lor de definiţie (o vecinătate a punctului a).

Exerciţiu Arătaţi că sistemul { x + y + z = 1 x 2 + y 2 + z 2 = 3 defineşte într-o vecinătate a punctului (1, 1, 1) funcţiile implicite y = y (x) şi z = z (x). Calculaţi y şi z în punctul 1. Soluţie. Considerăm funcţiile F 1, F 2 : R R 2 R, F 1 (x, y, z) = x + y + z 1, F 2 (x, y, z) = x 2 + y 2 + z 2 3. Evident, F 1, F 2 C 1 ( R 3), fiind funcţii polinomiale.

În punctul (a, b) = (1, 1, 1) avem F 1 (1, 1, 1) = 0 şi F 2 (1, 1, 1) = 0. Calculăm determinantul funcţional: D (F 1, F 2 ) 1 y (x, y, z) = (x, y, z) 1 (x, y, z) D (y, z) 2 y (x, y, z) 2 (x, y, z) = 1 1 2y 2z = 2 (z y). Prin urmare, valoarea determinantului funcţional în punctul (1, 1, 1) este D (F 1, F 2 ) D (y, z) (1, 1, 1) = 4 0.

Atunci, există U vecinătate pentru 1, V vecinătate pentru (1, 1) şi perechea de funcţii (y, z) : U V, y = y (x), z = z (x), cu y (1) = 1, z (1) = 1. Funcţiile y şi z sunt derivabile şi verifică sistemul { x + y (x) + z (x) 1 = 0 x 2 + y 2 (x) + z 2 (x) 3 = 0. Pentru a calcula y şi z derivăm ambele ecuaţii ale acestui sistem.

Obţinem { 1 + y (x) + z (x) = 0 2x + 2y (x) y (x) + 2z (x) z (x) = 0 sau { y (x) + z (x) = 1 2y (x) y (x) + 2z (x) z (x) = 2x.

Rezolvând sistemul, obţinem: 1 1 y 2x 2z (x) (x) = 1 1 2y (x) 2z (x) 1 1 z 2y (x) 2x (x) = 1 1 2y (x) 2z (x) Deci, = x z (x) z (x) y (x), = y (x) x z (x) y (x). y (1) = 1 z (1) z (1) y (1) = 1 şi z (1) = y (1) 1 z (1) y (1) = 0.