Mat Matematiikan peruskurssi C2

Samankaltaiset tiedostot
MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

BM20A0300, Matematiikka KoTiB1

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Matematiikka B1 - TUDI

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

Talousmatematiikan perusteet: Luento 13. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot ja vektorit Ääriarvon laadun tarkastelu

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

a) on lokaali käänteisfunktio, b) ei ole. Piirrä näiden pisteiden ympäristöön asetetun neliöruudukon kuva. VASTAUS:

Matematiikan tukikurssi

Talousmatematiikan perusteet: Luento 14. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot Ääriarvon laadun tarkastelu

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 3: Osittaisderivaatta

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

Vektorilaskenta, tentti

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) MS-A0207 Hakula/Vuojamo Kurssitentti, 12.2, 2018, arvosteluperusteet

3. Useamman muuttujan funktioiden differentiaalilaskentaa Olkoon A R n. Kuvaus f : A R on n:n muuttujan reaalifunktio. Se kuvaa

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

f(x 1, x 2 ) = x x 1 k 1 k 2 k 1, k 2 x 2 1, 0 1 f(1, 1)h 1 = h = h 2 1, 1 12 f(1, 1)h 1 h 2

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

1 Rajoittamaton optimointi

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Esimerkkejä ym., osa I

Matemaattinen Analyysi / kertaus

Tutki, onko seuraavilla kahden reaalimuuttujan reaaliarvoisilla funktioilla raja-arvoa origossa: x 2 + y 2, d) y 2. x + y, c) x 3

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

12. Hessen matriisi. Ääriarvoteoriaa

Pisteessä (1,2,0) osittaisderivaatoilla on arvot 4,1 ja 1. Täten f(1, 2, 0) = 4i + j + k. b) Mihin suuntaan pallo lähtee vierimään kohdasta

Matematiikan tukikurssi. Toinen välikoe

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 3: Vektorikentät

, on säännöllinen 2-ulotteinen pinta. Määrää T x0 pisteessä x 0 = (0, 1, 1).

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

3.4 Käänteiskuvauslause ja implisiittifunktiolause

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Esimerkkejä ym., osa I

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Demonstraatioharjoitus 1, pe 17.1

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

Taustatietoja ja perusteita

Matematiikan tukikurssi

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 TFM Laskuharjoitus 2L

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä?

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

Gaussin lause eli divergenssilause 1

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto ja esimerkkejä ym., osa I

A = (a 2x) 2. f (x) = 12x 2 8ax + a 2 = 0 x = 8a ± 64a 2 48a x = a 6 tai x = a 2.

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto ja esimerkkejä ym., osa I

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

Insinöörimatematiikka D

763101P FYSIIKAN MATEMATIIKKAA Seppo Alanko Oulun yliopisto Fysiikan laitos Syksy 2012

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

3.3 Funktion raja-arvo

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto ja esimerkkejä ym., osa I

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

f(x, y) = x 2 y 2 f(0, t) = t 2 < 0 < t 2 = f(t, 0) kaikilla t 0.

Mat Matematiikan peruskurssi K2

VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

Tampereen yliopisto Informaatiotieteiden yksikkö

a) Mikä on integraalifunktio ja miten derivaatta liittyy siihen? Anna esimerkki = 16 3 =

x = (1 t)x 1 + tx 2 x 1 x 2

4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

Kompleksianalyysi, viikko 4

Transkriptio:

Mat-1.110 Matematiikan peruskurssi C Petri Latvala 18. helmikuuta 007 Sisältö 1 Useamman muuttujan funktiot ja niiden differentiaalilasku 1.1 Useamman muuttujan funktion jatkuvuus ja derivoituvuus... 1. Osittaisderivaatta........................... 3 1.3 Tangenttitaso ja normaali...................... 4 1.4 Korkeamman kertaluvun osittaisderivaatat............. 7 1.4.1 D Laplacen yhtälö..................... 8 1.5 Derivoinnin ketjusääntö....................... 10 1.6 Differentiaalit ja linearisointi.................... 1 1.7 Gradientti............................... 14 1.8 Implisiittiset funktiot ja niiden derivointi............. 19 1.8.1 Implisiittifunktiolause.................... 1 Useamman muuttujan funktioiden ääriarvot, optimointi 3 3 Jotain 30 4 Sarjat ja potenssisarjat 33 5 Differentiaaliyhtälöt 33 6 Algebraa 33 1

1 Useamman muuttujan funktiot ja niiden differentiaalilasku Esimerkki A = l k, A = A(l, k) V = A h, V = V (l, k, h) 3 Esimerkki z = f(x, y) = 1 x y Jos x 0 ja y 0 niin tämä määrittelee -simpleksin: 1.1 Useamman muuttujan funktion jatkuvuus ja derivoituvuus f(x, y) saa yksikäsitteisen arvon jokaisessa määrittelyalueen D R pisteessä (x, y) D. f = f(x, y) on jatkuva määrittelyalueensa pisteessä P = (a, b) jos kun lim f(x, y) = f(a, b) (x,y) (a,b) (x, y) D. (1) Huom: Jos D on avoin, niin raja toimii aina pienessä (a, b)-keskisessä kiekossa. Jos määrittelyalue on avoin, niin kaava 1 toimii kun (x, y) (a, b) mitä tahansa polkua pitkin (a, b):n pienessä ympäristössä. Ekvivalentisti lim f(x, y) = f(a, b) (x,y) (a,b) jos ɛ > 0 on olemassa δ > 0 siten, että (x a) + (y b) < δ f(x, y) f(a, b) < ɛ.

Esimerkki f(x, y) = xy x + y (a, b) (0, 0), kaikissa näissä f on jatkuva. Jatkuvuus origossa? Jos x = 0 ja y 0 niin ja siten f(0, y) = 0 y 0 + y = 0 Jos y = 0 ja x 0 niin ja lim f(0, y) = 0. y 0 f(x, 0) = x 0 x + 0 = 0 Jos y = x niin joten lim f(x, 0) = 0. x 0 f(x, x) = x x x + x = 1 Siis f ei ole jatkuva origossa. lim f(x, x) = 1. x 0 1. Osittaisderivaatta Kahden muuttujan funktion f(x, y) (jonka on oltava jatkuva) osittaisderivaatat määritellään: f(x + x, y) f(x, y) lim = f x 0 x x tai f x(tai f 1 ) 3

f(x, y + y) f(x, y) lim = f y 0 y y tai f y(tai f ) Esimerkki z = f(x, y) = x y f x = lim (x + x) y x + y x 0 x x + x x + ( x) x = lim x 0 x = lim (x + x) = x x 0 f y = = y 1.3 Tangenttitaso ja normaali Oletetaan, että on olemassa z = f(x, y) f x ja f y P = x i + y j + z k Tangenttivektorit pisteessä P käyrille P = (a, b, f(a, b)) L x : T x = i + f x (a, b) k Adams 10.3: L y : T y = j + f y (a, b) k 4

u, v R 3 Ristitulon u v ominaisuuksia: 1. ( u v) u = ( u v) v = 0. u u = u v sin α i j k u v = u 1 u u 3 v 1 v v 3 Normaalivektori pinnalle z = f(x, y) pisteessä P on n = T x T i j k y = 1 0 f x (a, b) 0 1 f y (a, b) = f x (a, b) i + f y (a, b) j k Tangenttitaso tästä edelleen vaatimalla: [ (x a) i + (y b) j + (z f(a, b)) ] k n = 0 f x (a, b)(x a) + f y (a, b)(y b) (z f(a, b)) = 0 z = x y Mikä on P :n etäisyys tästä satulapinnasta? Olkoon etsitty piste Q = (x, y, z). P Q on oltava pinnan normaali. P Q = (x 3) i + y j + z k 5

Ylläolevan nojalla normaalivektori on n = f x i + f y j k = x i y j k Sitten vaaditaan, että P Q = t n, t 0. Tämä koordinaateittain: x 3 = xt y = yt z = t y = 0 () t = 1 (3) Tulos : Jos y = 0 niin x = 3 1 t ja z = t ja pinnalla z = x y pätee t = ( 3 ) 1 t eli välttämättä t < 0. t = 1 on ratkaisu. Siten mahdollinen lähin piste on (1, 0, 1). Sen etäisyys P :stä on (3 1) + 1 = 5. Tulos 3: Jos t = 1 niin ja x 3 = x x = 3 z = 1 6

joten y = x z = (3 Siis toinen mahdollinen ratkaisu on piste Koska 17 < 5 niin ( 3 3 ) ( ) 7 + + ) 1 7 = ( 3, ) 7, 1, jonka etäisyys P :stä on ( ) 1 17 = ( 3, ) 7, 1 on piste, joka antaa pienemmän etäisyyden. 1.4 Korkeamman kertaluvun osittaisderivaatat f x = x ( ) f x seka/ristiderivaatta. f(x, y,...) f y x = y ( ) f x Esimerkki f(x, y) = x 3 y 4 f x = x f x = 3x y 4 ( ) f = x x (3x y 4 ) = 3y 4 x x = 6xy 4 3 f x 3 =... = 6y4 7

4 f x 4 = 0 ja niin edelleen. f y = 4x3 y 3 f x y = x ( ) f y = x (4x3 y 3 ) = 1x y 3 Myös: y x = y ( ) f = x y (3x y 4 ) = 1x y 3 Lause 1.4.1 Olkoon n, m 0 ja n, m N ja n + m = k. Silloin 4 f x n y m = 4 f y m x n jos nämä ja kaikki alempaa astetta olevat osittaisderivaatat ovat jatkuvia. 1.4.1 D Laplacen yhtälö v x + v y = 0 Osittaisdifferentiaaliyhtälö,. kertaluvun (. asteen). Huom! Entä 1D eli v = 0, u = u(x) x d v dx = 0 d dx ( ) dv = 0 dx 8

Jos w = dv dx c ja d vakioita. niin w on vakio = c dv = e u(x) = cx + d dx Esimerkki u(x, y) = e kx cos(ky) on (L):n eräs ratkaisu. v x = kekx cos(ky), v y = kekx sin(ky), v x = k e kx cos(ky) v y = k e kx cos(ky) (Toteuttaa (L):n) Harmoninen funktio on funktio, joka toteuttaa Laplacen yhtälön jossain ulottuvuudessa. Laplacen yhtälön ratkaisut ovat harmonisia funktioita. Yhtälö on 1D aaltoyhtälö. u = u(x, t), t on aika. v t = c v x Jos f ja g ovat kahdesti derivoituvia yhden muuttujan funktioita, niin silloin on aina aaltoyhtälön ratkaisu. u(x, t) = f(x ct) + g(x + ct) v t = t f(x ct) + g(x + ct) t = f (x ct) ( c) + g (x + ct) c 9

= cf (x ct) + cg (x + ct) v t = +c f (x ct) + c g (x + ct) v x = f(x ct) + g(x + ct) x x = f (x ct) 1 + g (x + ct) 1 = f (x ct) + g (x + ct) 1.5 Derivoinnin ketjusääntö Yhden muuttujan tapauksessa: v x = = f (x ct) + g (x + ct) y = f(x), x = g(t) y(t) = f(g(t)) Olkoon d dt y(t) = f (g(t)) g (t) z = f(x, y) ja x = x(t), y = y(t), kaikki derivoituvia dz dt = lim f (x(t + n), y(t + n) f(x(t), y(t))) n 0 h f (x(t + n), y(t + n)) f (x(t), y(t + n)) f (x(t), y(t + n)) f (x(t), y(t)) = lim + lim n 0 n n 0 n 10

Siis nyt ketjusääntö saa muodon = f x (x(t), y(t)) x (t) + f y (x(t), y(t)) y (t) dz dt = f x x + f y y Jos z = f(x, y) ja x = x(s, t) ja y = y(s, t) niin ketjusääntö saa muodon z s = f (x(s, t), y(s, t)) s = f x (x(s, t), y(s, t)) x s + f y (x(s, t), y(s, t)) y s = f x x s + f y y s z t = f x x t + f y y t Esimerkki Ilman lämpötila riippuu 3D-koordinaateista (x, y, z) ja ajasta t, siis T (x, y, z, t). Olkoon lämpömittari ilmapallossa, joka liikkuu rataa (t, t, t t ) = (x(t), y(t), z(t)), t [0, 1]. Laske lämpötilan muutosvauhti hetkellä t. T = T (t) kun ollaan pallon radalla. Siis muutosvauhti on On annettu dt dt = T x dx dt + T y dy dt + T z dz dt + T t T (x, y, z, t) = xy (1 + t) 1 + z dt dt = T x dx dt + T y dy dt + T dz z dt + T t = = = + = = + = = + = = y x 1+z (1 + t) 1 + 1+z (1 + t) + xy (1+z) (1 + t) 1 t+ xy 1+z = = = + = = + = = + = = 4 1 + + 4 1 + 11

Esimerkki Väite: Jos f(x, y) on harmoninen, niin silloin f(x y, xy) on harmoninen (eli toteuttaa Laplacen yhtälön). z = f(u, v) z x = f v v x + f v v x = f u x + f v y = xf u + yf v z x = x (xf v + yf u ) = f v + x f v x + y f v x Miettikää. = f u + x (f uv x + f uv y) + y (f vu x + f vu y) 1.6 Differentiaalit ja linearisointi Jos z = f(x 1,..., x n ):n ensimmäisen asteen osittaisderivaatat ovat olemassa niin määritellään sen differentiaali. dz = f x 1 dx 1 + f x dx + + f x n dx n ( dz = f ) df dx = x dx dx Yhden muuttujan muuttujan funktiolle linearisointi: f(x) f(a) + f (a)(x a) Approksimaatio pätee kun x a on pieni. f(x) = f(a) + f (a)(x a) + o(x a) jossa o(t) on termi, jolle o(t) t 0 kun t 0. Kahden muuttujan funktiolle linearisointi: f(x, n) f(a, b) + f x (a, b)(x a) + f y (a, b)(y b) f:n tangenttitaso (a, b):ssä 1

Yleinen tapaus eli f(x 1,..., x n ):lle voidaan lukea differentiaalin kaavasta: dz = df = f x 1 dx 1 + f x dx + + f x n dx n df = f(x 1,..., x n ) f(x 1,..., x }{{ n) f (x } x 1,..., x n) (x 1 x 1 }{{ 1) } f Jos f : R n R m f = (t 1,..., t m ) T = t 1. t m x 1 + jotainkaavaatähänensaanutselvää i = 1,..., m on olemassa ensimmäiset osittaisderivaatat jokaisen x j jotain jotain j = 1... n suhteen. Transformaation f Jacobin matriisi lasketaan seuraavasti: f 1 x 1 Df =. f m x 1 f 1 x n. f m x n } {{ } n saraketta m riviä Edellä olevan nojalla määritellään f:n differentiaali: f (x x 1,..., x n) (x x f ) + + (x x 1, n x ja tästä edelleen linearisointi: df = Df(x 1,..., x n)dx f(x 1,..., x n n) = f(x 1,..., x n) + Df(x 1,..., x n)(x x ) Esimerkki { x = v cos θ y = v sin θ n = m = f 1 (v, θ) = v cos θ 13

f (v, θ) = v sin θ f = ( f1 f ) Jacobin matriisi: Df = ( f1 v f v f 1 θ f θ ) ( ) cos θ v sin θ = sin θ c cos θ Tästä determinantti on cos θ sin θ v sin θ v cos θ = v dxdy = vdxdθ 1.7 Gradientti Gradientti funktiolle f = f(x 1,..., x n ), jonka ensimmäiset osittaisderivaatat ovat olemassa, on f x 1 e 1 + f x e + + f x n e n jossa e i = (0, 0,..., 0, 1, 0,..., 0) eli i:nnes harmoninen kantavektori. Siis jos n = niin taas on ja n = 3: f x i + f y j f x i + f y j + f z k Siis i = e 1, j = e, k = e 3, kun ollaan R :ssa tai R 3 :ssa. f eli nabla f. Formaalisti: 14

= i x + j y + k z eli kyseessä on osittaisdifferentiaalioperaattori. f = i f x + j f y + k f z Lause 1.7.1 Olkoon z = f(x, y), jolla olkoon ensimmäiset osittaisderivaatat. f(x, y) = c, vakio on f:n tasa-arvokäyrä. Olkoon piste (a, b) tällä käyrällä. f(a, b) on edellämainitun tasa-arvokäyrän normaalivektori (a, b):ssä. Todistus Olkoon v(t) = x(t) i + y(t) j tasa-arvokäyrän parametrisointi, jolle pätee x(0) = a, y(0) = b. Silloin kaikille riittävän pienille t:n arvoille pätee, että f(x(t), y(t)) = f(a, b) = c. Ketjusäännön avulla tästä saadaan t = 0:n arvolla tämä on f x x (t) + f y y (t) = 0 ( ) f(a, b) x (0) i + y (0) j = 0 Mutta x (0) i + y (0) j on tasa-arvokäyrän tangenttivektori (a, b):ssä, joten yo. yhtälö antaa f(a, b):n ja tangentin kohtisuoruuden nojalla tuloksen, että f(a, b) on käyrän normaali (a, b):ssä. Esimerkki f(x, y) = x + y f(x, y) = c, c > 0 on ympyrä. (c = 0 niin f = c on origo eli piste ja jos c < 0 ei tasa-arvokäyrää ei ole) f = f x i + f y j = x i + y j 15

( ) = x i + y j joka on säteen suuntainen ja siten ympyrän tangenttia vastaan kohtisuorassa. Gradietti on erikoistapaus suunnatusta derivaatasta. D formulointi. Olkoon u = u i+v j yksikkövektori. f(x, y) derivaatta suuntaan u pisteessä (a, b) on D u f(a, b) = lim h 0 + f(a + hu, b + hv) f(a, b) h (4) Toisaalta ketjusäännön nojalla tälle saadaan D u f(a, b) = d dt f (x(t), y(t)) t=0 = d dt f(a + tu, b + tv) t=0 = f x (a + tu, b + tv) t=0 u + f y (a + tu, b + tv) t=0 v = f x (a, b)u + f y (a, b)v ( ) f x (a, b) i + f y (a, b) j (u i + v j) = u = f(a, b) u Huomioita edellisestä D u f(a, b) = f(a, b) u cos ( f, u) = f(a, b) cos ( f, u) 1. f(x, y) kasvaa pisteessä (a, b) nopeiten gradientin suuntaan ja kasvuvauhti on f(a, b) 16

. f(x, y) vähenee pisteessä (a, b) nopeiten suuntaan f(a, b) (ja vähenemisvauhti on f(a, b) ) 3. Muutosvauhti on nolla, kun u f(a, b) Kaava 4 yleistyy n:ään ulottuvuuteen aivan suoraan. Esimerkiksi 3D: u = u i + v j + w k D u f(a, b, c) = lim h 0 + f(a + hu, b + hv, c + hw) f(a, b, c) h Esimerkki Vuoren rinne ja siihen liittyvä kaava: h(x, y) = x, y kilometreinä. Ollaan pisteessä (3, ). 0000 3 + x + y 1. Miten vesi virtaa pisteessä (3, ), suunta ja vauhti? h(x, y) = i ( x 0000 3 + x + y ) + j ( y 0000 ( ) = (3 + x + y ) x i + 4y j h(3, ) = 0000 ( ) (3 + 9 + 8) 6 i + 8 j 0 = 100 ( ) 3 i + 4 j 0000 3 + x + y ) = 300 i 400 j Siis suunta on 3 i 4 j:n suunta ja vauhti h(3, ) = 500. Nämä ovat siis arvoja vaakatasossa, joka kulkee pisteen (3,, h(3, )) kautta. 17

. Mikä on huipulla laskevan puron, joka kulkee pisteen (3, ) kautta yhtälö (x, y)-tasossa? Olkoon d r = dx i + dy j etsityn käyrän tangentti. Sen on oltava gradientin suuntainen. Gradientti taas on edellisen kohdan nojalla vektorin (x i + y j) suuntainen. Siten on vaadittava ratkaisulle r: dx x = dy y Integroimalla kumpikin puoli saadaan dx dy x = y ln x = 1 ln y + C Tästä edelleen ottamalla eksponenttifunktio saadaan e ln x = e 1 ln y+c = e 1 ln y e C x = C y 1 = C y x = (C ) y y = 1 (C ) x = 1 (C ) 9 1 (C ) = 9 y = 9 x Pinnan z = f(x, y) voi määritellä myös funktion g(x, y, z) = f(x, y) z tasaarvopintana: g(x, y, z) = 0. g on tämän pinnan normaalivektori. Toisaalta g = g x i + g y j + g z k 18

= f x i + f y j k joka on pinnan normaalivektori (lauseke johdettu edellisellä viikolla). Esimerkki Etsi pintojen z = x y ja xyz + 30 = 0 leikkauskäyrän tangentti pisteessä P = ( 3,, I II 5). Etsitään ensin pintojen normaalivektorit: I: P :ssä: 6 i 4 j k = n 1. II: (x y z) = x i y j k (xyz + 30) = yz i + xz j + xy k P :ssä: 10 i 15 j 6 k = n. Tangenttivektori saadaan ristitulona n 1 n : i j k n 1 n = 6 4 1 10 15 6 = 9 i 46 j + 130 k 1.8 Implisiittiset funktiot ja niiden derivointi e f(x) = x, x R y 5 + axy 4 + by 3 + cy + dy + e = 0 y = y(x) Perustilanne F (x, y) = 0, niin milloin ja miten tästä ratkaistaan y = y(x) siten, että F (x, y(x)) = 0 jollekin x I R. Derivoimalla F (x, y(x)) implisiittisesti saadaan 19

F x (x, y(x)) + F y (x, y(x))y (x) = 0 joten joka on olemassa jos F y (x, y(x)) 0. y (x) = F x(x, y(x)) F y (x, y(x)) F y (x, y(x)) = 0 on ehto sille, että F (x, y(x)) = 0:lla on pystysuora tangentti. Esimerkki F (x, y, z) = x + y + z 1 Tasa-arvopinta F (x, y, z) = 0 on yksikköpallon pinta. Olkoon z = z(x, y). Silloin derivoimalla F (x, y, z(x, y)) = 0 saadaan x:n suhteen: y:n suhteen: F x (x, y, z(x, y)) + F z (x, y, z(x, y))z x = 0 F y (x, y, z(x, y)) + F z (x, y, z(x, y))z y = 0 z x = F x(x, y, z(x, y)) F z (x, y, z(x, y)), z y = F y(x, y, z(x, y)) F z (x, y, z(x, y)) Näiden olemassaoloehto on siis F z (x, y, z(x, y)) 0 F z on tasa-arvopinnan gradientin k-komponentti. Jos se häviää, on pinnalla pystysuora tangenttitaso, siis tämä ei ehdon mukaan käy. z = ± 1 x y f : R n R n g : R n R n 0

( ) z(x) = g f(x), x R n y = f ( x) z = g ( y) z 1 = z 1 y 1 + z 1 y + + z 1 y ( n z1 =, z 1,..., z ) ( 1 y1, y,..., y ) n x 1 y 1 x 1 y x 1 y n x 1 y 1 y y n x 1 x 1 x 1 z 1 x 1. z n x 1 z 1 x n. z n x n = z 1 y 1. z n y 1 z 1 y n. z n y n y 1 x 1. y n x 1 y 1 x n. y n x n Jos f on 1 1 (injektio eli jos x 1 x niin f( x 1 ) f( x )) ja g on sen käänteisfunktio jolloin g( f( x)) = x niin äskeinen yksinkertaistuu muotoon eli g:n ja f:n Jacobin matriisit. I = D g ( y) D f ( x) Jos A ja B ovat neliömatriiseja niin det(ab) = det(a) det(b). 1 = Adamsin merkintä: det (D g ( x)) det(d f( x)) Jacobin determinantti g:lle Jacobin determinantti f:lle (g 1,..., g n ) (y 1,..., y n ) (f 1,..., f n ) (x 1,..., x n ) 1.8.1 Implisiittifunktiolause Olkoon P 0 = (a 1,..., a m, b 1,..., b n ) ratkaisu yhtälösysteemille F (1) (x 1... x m, y 1... y n ) = 0. F (n) (x 1... x m, y 1... y n ) = 0 1

Eli n yhtälöä, n + m yhteistä muuttujaa, x 1... x m vapaita muuttujia. Jos jokaisella F (i) :llä on jatkuvat ensimmäiset osittaisderivaatat jokaisen x j ja x k suhteen P 0 :n ympäristössä ja lisäksi (F (1)... F (n) ) (y 1... y n ) = P0 F (1) y 1. F (n) y 1 F (1) y n. F (n) y n P 0 0 niin on olemassa b i (x 1... x m )i = 1... n siten, että (x 1... x m, b i (x 1... x m )... b n (x 1... x m )) on ratkaisu P 0 :n ympäristössä. Esimerkki Ratkaistaan (xy) T : { F (x, y, s, t) = a1 x + b 1 y + c 1 s + d 1 t + e 1 = 0 G(x, y, s, t) = a x + b y + c s + d t + e = 0 ( ) a1 b 1 b =A jos A 1 on olemassa! ( ) x y ( ) c1 d + 1 c d =C Jacobin determinantti tälle systeemille: ( ) ( ) s e1 + = t e ( ( ( ( )) x = A y) 1 s e1 c t) e ( ) 0 0 (F, G) (x, y) = F x G x F y G y = a 1 b 1 a b = det(a) 0 Esimerkki Osoita, että systeemi { xy + xzu + yv = 3 x 3 yz + xv u v = ratkeaa pisteen P = (1, 1, 1, 1, 1) ympäristössä eli on olemassa u(x, y, z) ja v(x, y, z) tässä ympäristössä. Implisiittifunktiolauseen ehto on nyt

(F, G) (u, v) = F u G u F v G v xz yv uv x u v = x z xzu v + 4yuv 3 joka saa P 0 :ssa arvon + 4 = 4 0 eli lause on voimassa. Useamman muuttujan funktioiden ääriarvot, optimointi 1D y = f(x) lokaalit ääriarvot äärellisellä välillä I R ovat pisteissä 1. joissa f (x) = 0. f:n erikoispisteissä eli kun f (x) ei ole olemassa 3. I:n päätepisteissä Yleistys D-tapaukseen eli kun z = f(x, y): Lause.0.1 Funktion f(x, y) ääriarvot ovat pisteissä (a, b), joissa pätee: 1. (a, b) on kriittinen piste f(a, b) = 0. f(a, b) ei ole olemassa eli f:llä on erikoispiste (a, b):ssä 3. (a, b) on f:n määrittelyalueen reunalla Todistus Jos (a, b) on määrittelualueen sisäpiste, eikä erikoispiste, niin f(a, b) on olemassa. Jos (a, b) ei ole kriittinen piste, niin f(a, b) 0. Mutta silloin f:llä on nollavektorista eroava suunnattu derivaatta suuntaan ± f(a, b) eikä f:llä siten voi olla ääriarvoa. Todistus yleistyy f(x 1... x n ):lle! Lause.0. Jos f on jatkuva funktio suljetussa ja rajoitetussa R n :n alueessa, niin sille on globaali maksimi ja minimi. Esimerkki Olkoon z = x + y alueessa x + y 1. Lauseen.0. suljettu ja rajoitettu mukaan sillä on olemassa maksimi ja minimi. Maksimi = 1, reunalla. Minimi = 0, origossa erikoispiste. 3

Jos otetaankin minimoitavaksi/maksimoitavaksi z = f(x, y) = x + y samassa alueessa x + y 1, on maksimi = 1, reunalla ja minimi = 0, origossa, joka ei ole f:lle erikoispiste. f = x i + y j Siis origo on nyt kriittinen piste. f(0, 0) = 0 i + 0 j = 0 Uusi variaatio: z = g(x, y) = x y, x + y 1 g = x i y j, g(0, 0) = 0 Origo on kriittinen piste. Ei ole maksimi eikä minimi! y = x 3 Pisteessä x = 0 on f (x) = 0 mutta piste ei ole minimi eikä maksimi vaan tangentti lävistää käyrän. Kyseessä on käyrän käännepiste (inflexion point). Jos f (x) = 0 ja f (x) > 0 on piste lokaali minimi. Jos taas f (x) < 0 niin piste on lokaali maksimi. Useamman muuttujan funktioille toisen derivaatan korvaa Hessin matriisi f(x, y):lle: H(x, y) = ( fxx (x, y) ) f xy (x, y) f yx (x, y) f yy (x, y) 1. Jos H(x, y) on positiividefiniitti, niin (x, y) siten, että f(x, y) = 0 on lokaali minimi.. Jos H(x, y) on negatiividefiniitti, niin (x, y) siten, että f(x, y) = 0 on lokaali maksimi. 3. Jos H(x, y) on ei-definiitti, niin (x, y) siten, että f(x, y) = 0 on satulapiste. 4. Jos H(x, y) on jotain muuta, pisteelle (x, y) ei ole luokittelua. Matriisi A n n on positiividefiniitti jos x T 1 n A n n x n 1 > 0 x 0 4

Jos on A = ( ) a11 a 1 a 1 a x = ( x 1 x ) T Nyt siis n =. x T Ax = ( ) ( ) ( ) a x 1 x 11 a 1 x1 = ( ) ( ) a x a 1 a x 1 x 11 x 1 a 1 x = a a 1 x 1 a x 11 x 1+a 1 x 1 x +a 1 x 1 x +a x A on negatiividefiniitti jos x T Ax < 0 x 0 Adams 10.6 Lause 8 (s. 579) on toinen karakterisointi positiividefiniitille: Määritelmä.0.1 a 11 a ii D i =.. a i1 a ii Jos D i > 0 i = 1,..., n niin silloin A on positiividefiniitti. Jos D i > 0 parillisille i ja D i < 0 parittomille i, niin A on negatiividefiniitti. Jos det(a) = D n 0, mutta edellä oleva (?) ei piste, niin A on ei-definiitti. Esimerkki z = x + y = f(x, y) f x = x f y = y H(x, y) = ( ) fxx f xy = f yx f yy ( ) 0 0 D 1 = > 0, D = 0 0 = = 4 > 0 5

H on positiividefiniitti Koska f(0, 0) = x i + y j = 0 (x,y)=(0,0) eli (0, 0) on kriittinen piste, niin se on minimi. g x = x Nyt H(x, y) = g y = y ( ) ( ) gxx g xy 0 = g yx g yy 0 D 1 = > 0, D = 0 0 = ( ) = 4 < 0 ei-definiitti origo on satulapiste. A n n on definiitti jos x T Ax, x 0 on yhdenmerkkinen, eli saa vain + tai vain merkikseen. A on semidefiniitti, jos x T Ax, x 0 on nolla tai yhdenmerkkinen. (Siis tai x T Ax 0 x ) negatiivisemidefiniitti Esimerkiksi positiividefiniitti on aina positiivisemidefiniitti. A on ei-definiitti, jos x T Ax saa sekä positiivisia että negatiivisia arvoja. x T Ax 0 x positiivisemidefiniitti Sormiharjoitus x T B x = x T n n 1 ( B + B T ) } {{} Symmetrinen matriisi! x 6

Siis neliömuodossa ( x T Ax A voidaan aina valita symmetriseksi matriisiksi korvaamalla se ) 1 A + A T. Lause.0.3 Jos A on symmetrinen matriisi, silloin se on positiividefiniitti jos ja vain jos kaikki sen ominaisarvot ovat positiivisia. Lause.0.4 Symmetrisen matriisin ominaisarvot ovat reaaliset ja ominaisvektorit ortogonaaliset. Jos A on symmetrinen, niin pätee diagonalisointi: jossa U 1 AU = U T AU = Λ λ 1 0 =... 0 λ n.. U = y 1. y..... y n. on ortogonaalinen matriisi, jolloin U 1 = U T. Siten x T Ax = x T U ΛU T x = w T Λ w = λ 1 w1 + λ w + + λ n wn =w T diagonaali! U T AU = Λ A = ( U T ) 1 ΛU 1 = ( U 1) 1 ΛU 1 = UΛU T Jos 7

x = (x 1,..., x i =x i, 0,..., 0), x R n niin silloin x T i A i x i = x T Ax Siis jos A on positiividefiniitti, niin A i on myös i = 1,..., n. Sama pätee negatiividefiniittiyteen. Esimerkki Minkä muotoinen suorakulmainen laatikko minimoi seinäpintaalan annetulle tilavuudelle? (Kanneton laatikko) Tilavuus: Seinä- ja pohjapinta-ala V = xyz A = xy + xz + yz z = V xy Sijoitetaan pinta-alaan: A(x, y) = xy + V x + V y Kriittiset pisteet: A = ( y V ) ( i x + x V ) j y = 0 eli vaaditaan: yx = V xy = V yx = xy yx(x y) = 0 Siis joko 8

yx = 0 tai x = y Ensimmäisestä saadaan x = 0 y = 0 Ei mahdollisia ratkaisuja! Sijoitetaan toinen tapaus aiempaan: x 3 = V x = 3 V y = 3 V = 1 3 V 1 3 ja z = V xy = V (V ) 3 = V 1 3 3 = 1 3 V 1 3 = x Jos V = 1 niin silloin x = y = 3 (> 1) z = 3 Lasketaan Hessin matriisi ja sen definiittisyys. Siis ( ) ( Axx A 4V ) H(x, y) = xy = x 1 3 4V A yx A yy 1 y 3 D 1 = 4V x 3 > 0 D = det (H(x, y)) = 4V x 3 4V y 3 1 = 16V x 3 y 3 1 9

( ja edelleen kriittisessä pisteessä 3 V, 3 V, 3 ) V D 1 > 0 ja D = 16V V V 1 = 4 1 = 3 > 0 Hessin matriisi kriittisessä pisteessä on positiividefiniitti kriittinen piste on minimi. A = 3 3 4, 76 Uudelleen aiempi esimerkki, otetaan ehto x 1. Edelleen minimoidaan A(x, y), valitaan V = 1. ( Nyt kriittinen piste 3, 3, 3 ) ei ole ehdon sallimassa alueessa, joten se ei anna ratkaisua tälle variaatiolle. A ei ole olemassa eli ollaan erikoispisteessä jos x = 0 tai y = 0. Näissä tilavuus on 0. Siis ratkaisun on oltava alueen x 1 reunalla eli kun x = 1. Tällöin A = A(1, y) = y + + y da dy = 1 y = 0 y = ± Negatiivinen ratkaisu ei kelpaa, joten ratkaisuksi jää y =. d A dy = 4y 3 > 0 minimi A = + 4, 88 3 Jotain x = r cos θ = ρ sin φ cos θ y = r sin θ = ρ sin φ sin θ z = ρ cos φ φ [0, π] θ [0, π) ρ 0 30

da = rdrdθ dv = rdrdθdz dv = ρ sin φdφdθdρ Johdettuna Jacobin determinanttina näistä viimeisin: (x, y, z) (ρ, φ, θ) = x ρ y ρ z ρ x φ y φ z φ x θ y θ z θ sin φ cos θ ρ cos φ cos θ ρ sin φ sin θ = sin φ sin θ ρ cos φ sin θ ρ sin φ cos θ..................................... cos φ ρ sin φ 0 = cos φ ρ cos φ cos θ ρ cos φ sin θ ρ sin φ sin θ ρ sin φ cos θ + ρ sin φ sin φ cos θ sin φ sin θ ρ sin φ sin θ ρ sin φ cos θ = cos φ ( ρ sin φ cos φ cos θ + ρ sin φ cos φ sin θ ) +ρ sin θ ( ρ sin φ cos θ + ρ sin φ sin θ ) = cos θρ sin φ cos φ + ρ sin φ sin φ = ρ sin φ Esimerkki Olkoon H a-säteinen umpipuolipallo, jonka tiheys on k(a ρ) jossa ρ on etäisyys keskipisteestä. Laske kappaleen massa ja painopisteen paikka. tiheys = k(a ρ) k > 0 massa = tiheys tilavuus dm = t(ρ)dv Siirrytään pallokoordinaatteihin: M = dm = k(a ρ)dv H H 31

= π 0 = k(a ρ)ρ sin φdφdθdρ H { π π = πk sin φdφ 0 } {{ } =1 0 [ a ] } sin φ k(a ρ)ρ dρ dφ dθ 0 a (a ρ)ρ dρ = = 5 6 πka4 0 / a 0 aρ 5 3 ρ4 4 Painopiste on symmetrian nojalla z-akselilla, pisteessä (0, 0, z 0 ). = k π 0 z 0 = 1 m H { π 0 H zk(a ρ)dv ρ cos φk(a ρ)ρ sin φdρdφdθ [ a ] } sin φ cos φ ρ 3 (a ρ)dρ dφ dθ 0 π 0 sin φ cos φdφ = 1 π 0 sin φdφ ( sin φ = sin φ cos φ ) eli 1 sin φ = sin φ cos φ π / = 1 4 0 cos φ = 1 4 ( ( 1) + 1) = 1 a = πk 1 ρ 3 (a ρ)dρ 0 = 3a5 10 = 3πk 10 a5 joten z 0 = 1 m 3πk 10 a5 = 3πka5 6 10 5πka 4 = 9 5 a 3

Esimerkki I = (x + y )dv R Pallokoordinaateissa Onnistuuko? π 0 { π [ a sin φ π 6 ρ sin φρ dρ a sin φ [ π ] a = 4π sin 3 φ ρ 4 dρ dφ a π sin φ = 4πa5 5 π π 6 ] dφ ( 3 sin 3 φ 1 ) sin 3 dφ φ } dθ 4 Sarjat ja potenssisarjat 5 Differentiaaliyhtälöt 6 Algebraa 33