MVE035. Sammanfattning LV 1. Blom, Max. Engström, Anne. Cvetkovic Destouni, Sofia. Kåreklint, Jakob. Hee, Lilian.

Relevanta dokument
Tavelpresentation - Flervariabelanalys. 1E January 2017

Tavelpresentation. Gustav Hallberg Jesper Strömberg Anthon Odengard Nils Tornberg Fredrik Blomgren Alexander Engblom. Januari 2018

1. Gradient och riktningsderivata till funktioner av två variabler (2.7) 2. Gradient och riktningsderivata till funktioner av tre variabler (2.

Flervariabelanalys E2, Vecka 3 Ht08

Lektion 3. Partiella derivator, differentierbarhet och tangentplan till en yta, normalen i en punkt till en yta, kedjeregeln

SF1626 Flervariabelanalys

Repetitionsfrågor i Flervariabelanalys, Ht 2009

Differentialens geometriska betydelse

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

En normalvektor till g:s nivåyta i punkten ( 1, 1, f(1, 1) ) är gradienten. Lektion 6, Flervariabelanalys den 27 januari z x=y=1.

Flervariabelanalys E2, Vecka 2 Ht08

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

1. Vi skriver upp ekvationssystemet i matrisform och gausseliminerar tills vi når trappstegsform,

Envariabelanalys: Vera Koponen. Envariabelanalys, vt Uppsala Universitet. Vera Koponen Föreläsning 5-6

1. Bestäm definitionsmängden och värdemängden till funktionen f(x,y) = 1 2x 2 3y 2. Skissera definitionsmängden, nivålinjerna och grafen till f.

x +y +z = 2 2x +y = 3 y +2z = 1 x = 1 + t y = 1 2t z = t 3x 2 + 3y 2 y = 0 y = x2 y 2.

Några viktiga satser om deriverbara funktioner.

SF1625 Envariabelanalys

SF1646 Analys i flera variabler Tentamen 18 augusti 2011, Svar och lösningsförslag

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

MATEMATIK GU. LLMA60 MATEMATIK FÖR LÄRARE, GYMNASIET Analys, ht Block 5, översikt

Tentamen i Flervariabelanalys F/TM, MVE , kl

MA2001 Envariabelanalys

x ( f u 2y + f v 2x) xy = 24 och C = f

DERIVATA. = lim. x n 2 h h n. 2

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

ENDIMENSIONELL ANALYS B1 FÖRELÄSNING XV. Föreläsning XV. Mikael P. Sundqvist

= 0 vara en given ekvation där F ( x,

Läsanvisningar till kapitel 6 i Naturlig matematik. Avsnitt 6.6 ingår inte.

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Måndagen den 11 januari 2016

Antag att du går rakt norrut i ett bergslandskap. Ibland går du uppför, ibland nerför men hela tiden rakt mot norr. Vi kallar detta bäring 0.

Viktiga begrepp, satser och typiska problem i kursen MVE460, 2015.

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 14 19

= 0. Båda skärningsvinklarna är således π/2 (ortogonala riktningsvektorer).

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 7 juni 2016

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Torsdagen den 20 augusti 2015

1. Beräkna hastigheten, farten och accelerationen vid tiden t för en partikel vars rörelse beskrivs av r(t) = (2 sin t + cos t, 2 cos t sin t, 2t).

Teori för flervariabelsanalys

Repetition, Matematik 2 för lärare. Ï x + 2y - 3z = 1 Ô Ì 3x - y + 2z = a Ô Á. . Beräkna ABT. Beräkna (AB) T

av envariabelfunktionen g(t) och flervariabelfunktionen t = h(x, y) = x 2 + e y.)

Kursens Kortfrågor med Svar SF1602 Di. Int.

2 Funktioner från R n till R m, linjära, inversa och implicita funktioner

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Lördagen den 11 januari, 2014

SF1625 Envariabelanalys

Optimering, exempel. Funktionens enda stationära punkt är alltså origo. Den ligger också i det inre av mängden.

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf

LMA515 Matematik, del B Sammanställning av lärmål

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen Tisdagen den 12 januari 2016

För studenter i Flervariabelanalys Flervariabelanalys MA012B ATM-Matematik Mikael Forsberg

1 Att läsa matematik.

Tentamen SF1626, Analys i flera variabler, Svar och lösningsförslag. 2. en punkt på randkurvan förutom hörnen, eller

Linjära avbildningar. Låt R n vara mängden av alla vektorer med n komponenter, d.v.s. x 1 x 2. x = R n = x n

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 14 19

Optimering med bivillkor

Tentamen TMA044 Flervariabelanalys E2

Institutionen för Matematik, KTH Torbjörn Kolsrud

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Analys 360 En webbaserad analyskurs Analysens grunder. L Hôspitals regel. MatematikCentrum LTH

Mälardalens högskola Akademin för utbildning, kultur och kommunikation

1. För vilka värden på konstanterna a och b är de tre vektorerna (a,b,b), (b,a,b) och (b,b,a) linjärt beroende.

Lösningsförslag till tentamen Torsdag augusti 16, 2018 DEL A

R AKNE OVNING VECKA 2 David Heintz, 13 november 2002

Läsanvisningar till kapitel

Mer om kontinuitet. Kapitel K. K.1 Övre och undre gräns

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

har ekvation (2, 3, 4) (x 1, y 1, z 1) = 0, eller 2x + 3y + 4z = 9. b) Vi söker P 1 = F (1, 1, 1) + F (1, 1, 1) (x 1, y 1, z 1) = 2x + 3y + 4z.

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Flervariabelanalys: Teori

Fledimensionell Analys

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf

konstanterna a och b så att ekvationssystemet x 2y = 1 2x + ay = b

Viktigaste begrepp, satser och typiska problem från kursen ALA-A år 2013.

Figur 1: Postföretagets rektangulära låda, definitioner.

z = z 2. z = z 2 z /z 2 = 1 1 z = x + c z(x) = x + c = ln x + c + c 2 y(x) = ln y = 0 y(x) = c 2

Linjärisering, Jacobimatris och Newtons metod.

MAA7 Derivatan. 2. Funktionens egenskaper. 2.1 Repetition av grundbegerepp

x (t) = 2 1 u = Beräkna riktnings derivatan av f i punkten a i riktningen u, dvs.

TATA42: Föreläsning 7 Differentialekvationer av första ordningen och integralekvationer

SF1625 Envariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Tentamen TMA044 Flervariabelanalys E2

Meningslöst nonsens. December 14, 2014

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 8 13

Modul 1: Funktioner, Gränsvärde, Kontinuitet

Modul 1: Funktioner, Gränsvärde, Kontinuitet

LMA222a. Fredrik Lindgren. 17 februari 2014

Tentamen: Lösningsförslag

e x x + lnx 5x 3 4e x (0.4) x 0 e 2x 1 a) lim (0.3) b) lim ( 1 ) k. (0.3) c) lim 2. a) Lös ekvationen e x = 0.

MMA127 Differential och integralkalkyl II

Tillämpningar av integraler: Area, skivformeln för volymberäkning, båglängd, rotationsarea, integraler och summor

Flerdimensionell Analys, Sammanfattning

SF1669 Matematisk och numerisk analys II Lösningsförslag till tentamen DEL A. r cos t + (r cos t) 2 + (r sin t) 2) rdrdt.

SF1625 Envariabelanalys Tentamen Onsdagen den 5 juni, 2013

7 Extremvärden med bivillkor, obegränsade områden

Institutionen för matematik SF1626 Flervariabelanalys. Lösningsförslag till tentamen Måndagen den 5 juni 2017 DEL A

Y=konstant V 1. x=konstant. TANGENTPLAN OCH NORMALVEKTOR TILL YTAN z = f ( x, LINEARISERING NORMALVEKTOR (NORMALRIKTNING) TILL YTAN.

Lektion 2. Funktioner av två eller flera variabler variabler

1 Konvexa optimeringsproblem grundläggande egenskaper

Tentamen SF e Januari 2016

Transkript:

MVE035 Sammanfattning LV 1 Blom, Max Engström, Anne Cvetkovic Destouni, Sofia Kåreklint, Jakob Hee, Lilian Hansson, Johannes 11 mars 2017

1 Partiella derivator Nedan presenteras en definition av partiell deriverbarhet för en funktion av n variabler. Definition 1. Låt f : D R, D R n. Låt a = (a 1,..., a n ) D. Om gränsvärdet f(a + he j ) f(a) f(a 1,..., a j + h,..., a n ) f(a 1,..., a n ) lim = lim h 0 h h 0 h existerar säges f vara partiellt deriverbar med avseende på variabeln x j i punkten a. Detta gränsvärde kallas då den partiella derivatan till f med avseende på x j i punkten a. I definitionen ovan utgör vektorn e j en enhetsvektor längs x j -axeln och definitionsmängden D en så kallad domän, det vill säga en öppen och sammanhängande mängd. Det finns olika sätt att beteckna den partiella derivatan i en punkt a. Två exempel på vanligt förekommande beteckningar är x j (a) och f x j (a). Den partiella derivatan till en funktion med avseende på en variabel x j beräknas genom att man deriverar funktionen med avseende på x j och behandlar övriga variabler som konstanter. Själva deriveringen sker enligt samma regler som derivering av en funktion av en variabel. Värt att notera är att en funktion som är partiellt deriverbar i en punkt inte nödvändigtvis måste vara kontinuerlig i den punkten. Alltså är begreppet partiell deriverbarhet inte en direkt motsvarighet till deriverbarhet för en funktion av en variabel, eftersom deriverbarhet i detta fall också innebär att funktionen är kontinuerlig. Ett begrepp som däremot även tar hänsyn till kontinuitet hos en funktion är differentierbarhet, vilket beskrivs i nästa kapitel. 2 Differentierbarhet Definition 2. Låt f(x) vara definierad i D R n och a vara en inre punkt i D. Vi säger att f är differentierbar i a om det finns en vektor A och en funktion ρ s.a. f(a + h) f(a) = A h + h ρ(h) (1) där ρ är en funktion definierad i en omgivning av 0 och ρ(h) 0 då h 0 Om en funktion uppfyller definitionen för differentierbarhet så kommer vektorn A att vara gradienten till f vilket kan inses genom definitionen för partiella derivator. Från detta får vi följande sats. 1

Sats 1. Om f är differentierbar i a så existerar alla partiella derivator till f i a R n och ( A = (a),..., ) (a) (2) x 1 x n Då D R 2 kan vi från definitionen också få en formel för tangentplanet i en punkt (x 0, y 0, z 0 ). Bortser vi från feltermen och sätter z = f(x + h, y + k) och z 0 = f(x, y) så har vi z z 0 = x (x 0, y 0 )(x x 0 ) + y (x 0, y 0 )(y y 0 ) (3) Ur definitionen följer också att lim f(a + h) f(a) = 0 (4) h 0 alltså att alla differentierbara funktioner också är kontinuerliga funktioner. Definition 3. Vi säger att en funktion f : R n R är av klass C k om alla dess k:te partiella derivator existerar och är kontinuerliga. Vidare på kontinuitet och differentierbarhet har vi en sats. Sats 2. Om f C 1 = f är differentierbar Satsen visas med medelvärdessatsen när vi i två variabler lägger till och drar ifrån, vi får att f(a + h, b + k) f(a, b) = (f(a + h, b + k) f(a + h, b)) + (f(a + h, b) f(a, b)) (5) i ena parentesen ser vi x som fixt, och i andra y. Vi kan då tillämpa medelvärdessatsen i en variabel. 3 Gradient och riktningsderivata Definition 4. Givet f : R n R och f C 1 gäller att ( f =,..., ) x 1 x n (6) är gradienten till f. 2

En gradient till en funktion f, betecknad f, är en vektor utgående från en punkt på funktionsytan. Denna vektor pekar i den riktning i vilken f växer snabbast i punkten. Ur detta fås därmed även att f avtar snabbast i motsatt riktning. Gradienten för en funktion f kan beskrivas ur ett geometriskt perspektiv med hjälp av en nivåyta till funktionen. Vid val av en punkt (a, b, c) på nivåytan, kan ett tangentplan dras genom punkten. f(a, b, c) pekar då i samma riktning som normalen till tangentplanet med utgångspukt i (a, b, c), därmed vinkelrätt mot tangentplanet. Införs en tidsvariabel t, så att x = x(t) och y = y(t), kommer nivåkurvan f(x(t), y(t)) = C ha en derivata med avseende på t som är identiskt noll. Kedjeregeln ger f(x(t), y(t)) (x (t), y (t)) = 0 (7) t i parameterintervallet. För punkten (a, b) där t = t 0, fås f(a, b) (x (t 0 ), y (t 0 )) = 0 (8) där (x (t 0 ), y (t 0 )) är nivåkurvans tangentriktning i punkten (a, b). Om då ger definitionen för skalärprodukt att f(a, b) 0 (9) f(a, b) (x (t), y (t)). (10) Därmed är f vinkelrät mot tangentlinjen till f:s nivåkurva i punkten (a, b). Detta gäller i alla punkter tillhörande nivåkurvan. Definition 5. Givet en reellvärd funtktion f : R n R där f är differentierbar samt givet en enhetsvektor û R n och en punkt a R n är f(a + hû) f(a) (a) = lim u h 0 h funktionsderivatan i denna punkt a längs en rät linje från a parallell med û, också kallat riktningsderivatan till f i riktningen û. (11) Sats 3. Givna alla villkor som i ovan så är (a) = û f(a) (12) u Bevis. För att bevisa att detta är fallet ska vi använda definitionsformeln för differentierbarhet. Vi har, ty funktionen är givet differentierbar, att f(a + hû) f(a) = A 1 hu 1 +... + A n hu n + hû ϱ(h) (13) 3

där (1) û = (u 1, u 2,..., u n ) och û = 1 (2) A k är den partiella derivatan längs x k -axeln, (3) ϱ(hû) 0 då h 0 Notera nu att f x k, (k = 1, 2,..., n) i den givna punkten a A 1 hu 1 +... + A n hu n = (A 1, A 2,..., A n ) hû = ( x 1, x 2,..., x n ) hû = f(a) hû (14) Division med h i ekvation 13 ger tillsammans med denna notering 14 att f(a + hû) f(a) h = f(a) û ± ϱ(hû) (15) Alltså blir f(a + hû) fa) (a) = [def] = lim = f(a) û (16) u h 0 h Känt att skalärprodukten av f(a) och û också definieras som f(a) û cos(θ) om θ är vinkeln mellan û och f(a). Det vill säga riktingsderivatan kan också beräknas på följande sätt (a) = f(a) û cos(θ). (17) u och olikheten (a) = f(a) cos(θ) f(a) (18) u kan fastställas med likhet om och endast om θ = 0 det vill säga om och endast om û pekar i gradientens riktning. Vi ser att detta överrensstämmer med gradientens definition. 4 Kedjeregeln Från envariabelanalysen vet vi att sammansatta funktioner på formen f(x) = g(h(x)) kan deriveras med derivatan f (x) = g (h(x)) h (x). Kedjeregeln kan även generaliseras till att gälla i flera variabler, där följande gäller: 4

Sats 4. Låt f(x) = f(x 1,..., x n ) beteckna en differentierbar funktion av n variabler och antag att funktionerna g 1 (t),..., g n (t) är deriverbara i intervallet a < t < b på R. Då gäller att den sammansatta funktionen f(g(t)) också är deriverbar i a < t < b och d dt f(g(t)) = f x 1 (g(t)) g 1(t) +... + f x n (g(t)) g n(t), (19) där g(t) = (g 1 (t),..., g n (t)). I flervariabelanalysen förekommer även en mer allmän form av kedjeregeln. Denna regel används när även de inre funktionerna beror av flera variabler enligt f(g(t)) = f(g 1 (t 1,..., t q ),..., g n (t 1,..., t q )). (20) I ekvation (20) ovan gäller att t = (t 1,..., t q ) R q och g(t) = (g 1 (t),..., g n (t)) R n För ekvation (20) gäller att de partiella derivatorna med avseende på var och en av variablerna t j, j = 1,..., q beräknas enligt t j f(g(t)) = f g 1 (g(t)) g 1(t) +... + f g n (g(t)) g n(t). (21) 5 Partiella derivator av högre ordning Låt oss nu betrakta f : R n R. Vi vill studera partiella derivator av högre ordning, vilket i helhet innebär att en funktion har deriverats mer än en gång med avseende på en eller flera av dess variabler. Exempel på notation är j f x j, f xy (x, y) och 3 f x y z. Definition 6. Vi säger att en funktion f : R n R är av klass C k, eller att f C k om alla dess partiella derivator upp till ordning k existerar och är kontinuerliga. Vid upprepad derivering är det vanligt att derivera med avseende på olika variabler, och därmed - med hjälp av definition 6 - formulerar vi en sats om att de partiella deriveringoperatorerna kommuterar. Sats 5. Låt f : R k R och f C k, då gäller - där π(q) och ψ(q) är godtyckliga n-tupler av tal mellan 1 och k - att 5

n f n f =, x π(1)... x π(n) x ψ(1)... x ψ(n) 2 n k Bevis. Vi vill bevisa påståendet för fallet k = 2, f = f(x 1,..., x m ) Ansätt F (x) = f(a + h, b + h,..., c m ) f(x, b,..., c m ) och G(y) = f(a + h, y + h) f(a, y). Då både F och G är differentierbara, ty f är differentierbar enligt antagandet, använder vi Lagranges medelvärdesats. Vi kan utan inskränkning använda oss av x 1 = x och x 2 = y för beviset, ty de är godtyckligt valda av samtliga variabler. ξ (a, a + h) : hf (ξ) = F (a) (22) η (b, b + h) : hg (η) = G(b) (23) Vi ser att F (a) = G(b), vilket ger att F (ξ) = G (η). (24) F (ξ) = f x (ξ, b + h,..., c m ) f x (ξ, b,..., c m ) θ (b, b + h) : F (ξ) = hf yx (ξ, θ,..., c m ) (25) G (η) = f y (a + h, η,..., c m ) f y (a, η,..., c m ψ (a, a + h) : G (η) = hf xy (ψ, η,..., c m ) (26) Likheten i (24) ger oss f yx (ξ, θ,..., c m ) = f xy (ψ, η,..., c m ). (27) Låter vi nu h 0 ser vi att (ξ, θ) (a, b), (ψ, η) (a, b), vilket bevisar fallet k = 2. Vi ser också att med hjälp av induktion kan samma metod tillämpas för att ge ett fullständigt bevis för satsen. 6