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

Samankaltaiset tiedostot
Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy Tutki funktion f(x) = x 2 + x 2 jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.

Funktion suurin ja pienin arvo DERIVAATTA,

3 Derivoituvan funktion ominaisuuksia

z Im (z +1) 2 = 0. Mitkä muut kompleksitason pisteet toteuttavat tämän yhtälön? ( 1) 0 z ( 1) z ( 1) arg = arg(z 0) arg(z ( 1)), z ( 1) z ( 1)

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

Matematiikan tukikurssi

Taustatietoja ja perusteita

Ratkaisuehdotukset LH 3 / alkuvko 45

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

4 (x 1)(y 3) (y 3) (x 1)(y 3)3 5 3

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

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

Funktiojonot ja funktiotermiset sarjat Funktiojono ja funktioterminen sarja Pisteittäinen ja tasainen suppeneminen

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

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

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

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

Lisätehtäviä. Rationaalifunktio. x 2. a b ab. 6u x x x. kx x

PRELIMINÄÄRIKOE. Pitkä Matematiikka

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

Kuva 1: Tehtävä 1a. = 2π. 3 x3 1 )

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

Vastaus: 10. Kertausharjoituksia. 1. Lukujonot lim = lim n + = = n n. Vastaus: suppenee raja-arvona Vastaus:

Maksimit ja minimit 1/5 Sisältö ESITIEDOT: reaalifunktiot, derivaatta

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

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

Matematiikan pohjatietokurssi

Preliminäärikoe Tehtävät Pitkä matematiikka / 3

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

Anna jokaisen kohdan vastaus kolmen merkitsevän numeron tarkkuudella muodossa

Yleisiä integroimissääntöjä

= 2±i2 7. x 2 = 0, 1 x 2 = 0, 1+x 2 = 0.

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

peitteestä voidaan valita äärellinen osapeite). Äärellisen monen nollajoukon yhdiste on nollajoukko.

Vektorilaskenta, tentti

Valintakoe

Todista suoraan integraalin määritelmään perustuen tasointegraalin ominaisuus. λ f = λ f,

a(t) = v (t) = 3 2 t a(t) = 3 2 t < t 1 2 < 69 t 1 2 < 46 t < 46 2 = 2116 a(t) = v (t) = 50

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

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

1. Määritä funktion f : [ 1, 3], f (x)= x 3 3x, suurin ja pienin arvo.

Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

1 2 x2 + 1 dx. (2p) x + 2dx. Kummankin integraalin laskeminen oikein (vastaukset 12 ja 20 ) antaa erikseen (2p) (integraalifunktiot

Paikannuksen matematiikka MAT

5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

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

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

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

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

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

Usean muuttujan funktiot

Matematiikka B1 - TUDI

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

. Kun p = 1, jono suppenee raja-arvoon 1. Jos p = 2, jono hajaantuu. Jono suppenee siis lineaarisesti. Vastaavasti jonolle r k+1 = r k, suhde on r k+1

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 13: ti klo 13:00-15:30 ja to 1.4.

102 Käyrä. Piste ( 3,0 ) on käyrällä, jos ja vain jos sen koordinaatit. Siis piste ( 1, 2) Siis piste ( 3,0 ) ei ole käyrällä.

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia. 1. Tarkastellaan väitettä

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

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

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

5 OMINAISARVOT JA OMINAISVEKTORIT

2 Funktion derivaatta

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ Merkitään f(x) =x 3 x. Laske a) f( 2), b) f (3) ja c) YLIOPPILASTUTKINTO- LAUTAKUNTA

Differentiaalilaskenta 1.

A-osa. Ratkaise kaikki tämän osan tehtävät. Tehtävät arvostellaan pistein 0-6. Taulukkokirjaa saa käyttää apuna, laskinta ei.

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 5 / vko 48

Insinöörimatematiikka D

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

1. Etsi seuraavien funktioiden kriittiset pisteet ja tutki niiden laatu: (a.) f(x,y) = 20x 2 +10xy +5y 2 (b.) f(x,y) = 4x 2 2y 2 xy +x+2y +100

=p(x) + p(y), joten ehto (N1) on voimassa. Jos lisäksi λ on skalaari, niin

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

7. Tasaisen rajoituksen periaate

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

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

Esimerkki 19. Esimerkissä 16 miniminormiratkaisu on (ˆx 1, ˆx 2 ) = (1, 0).

Determinantti 1 / 30

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Matematiikan perusteet taloustieteilijöille II Harjoituksia kevät ja B = Olkoon A = a) A + B b) AB c) BA d) A 2 e) A T f) A T B g) 3A

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2017 Harjoitus 8, ratkaisuista

Kohdeyleisö: toisen vuoden teekkari

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

B-OSA. 1. Valitse oikea vaihtoehto. Vaihtoehdoista vain yksi on oikea.

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 7 to

Johdantoa INTEGRAALILASKENTA, MAA9

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Talousmatematiikan perusteet: Luento 6. Derivaatta ja derivaattafunktio Derivointisääntöjä Ääriarvot ja toinen derivaatta

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

Transkriptio:

DI matematiikan opettajaksi: Tädennskurssi, kevät Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle : ti 6 klo :-5: Kädään läpi: funktioita f : D f R n R m ja integrointia R n :ssä Oletetaan, että, R n ovat mielivaltaisia vektoreita ja f : R n R m on mielivaltainen funktio normi: = T (määr 5, s 8) Huom! kätämme kahta viivaa hden sijasta Schwarin epähtälö: T Yhtäsuuruus on voimassa mikäli toinen vektori on htä suuri kuin toinen vektori vakiolla kerrottuna (lemma 55, s 84) Kolmioepähtälöä: + + Yhtäsuuruus on voimassa mikäli toinen vektori on htä suuri kuin toinen vektori ei-negatiivisella vakiolla kerrottuna (lause 56, s 85) Raja-arvo: funktion f raja-arvo on a kun lähest vektoria, tätä merkitään lim f() = a, jos ε > δ > se jos D f < < δ niin f() a < ε (Määr 5, s ja s 79) Jatkuvuus: funktio f on jatkuva pisteessä jos ja vain jos lim f() = f( ) (määr 6, s 79) Derivoituvuus: Oletetaan, että funktio f on määritelt jossain pisteen mpäristössä Funktio f on derivoituva :ssa jos on olemassa vakiomatriisi f ( ) R m n (merkintä) se f( + h) = f( )+f ( )h+o(h), missä lim h o(h) h (lause 6, s 8) =, lisäksi vakiomatriisin voi laske osittaisderivaattojen avulla f ( ) = Ketjusääntö: lause 68, s 88 f ( ) f ( ) f ( ) f ( ) f ( ) n f ( ) n f m ( ) f m ( ) f m ( ) n (eräs) Talorin kehitelmä: Olkoon f : R n R kahdesti jatkuvasti osittaisderivoituva jossain pisteen mpäristössä Oletetaan, että mös + h kuuluu tähän mpäristöön Tällöin pisteitä ja + h hdistävällä janalla on piste ˆ se f( + h) = f( )+ f ( )h+ ht H(ˆ)h,

missä H(ˆ) on Hessen matriisi H(ˆ) = (Katso lause 548, s 5) n n n n n n Matriisin definiittiss: Smmetrinen matriisi A R n n on positiivisesti definiitti jos (merk A > ) T A > kaikilla R n \{} Smmetrinen matriisi A R n n on positiivisesti semidefiniitti jos (merk A ) T A kaikilla R n ja T A =, jollakin Vastaavat määritelmät negatiivisesti (semi)definiittisille matriisille Ääriarvot: Olkoon f : R n R kahdesti jatkuvasti osittaisderivoituva jossain pisteen mpäristössä ja olkoon f ( ) = T Tällöin on lokaali minimipiste, jos H( ) on positiivisesti definiitti on lokaali maksimipiste, jos H( ) on negatiivisesti definiitti ei ole lokaali ääriarvopiste, jos H( ) on indefiniitti (ps indefiniitillä matriisilla on sekä positiivisia, että negatiivisia ominaisarvoja) muissa tapauksissa (semidefiniittisissä tapauksissa) ääriarvon olemassaolo ja laatu jää avoimeksi (Katso s 54-55) Katsotaan mös hieman integrointia R n :ssä luku 7 Määritelmä 7, s 48 ja määritelmä 77, s 45 Ominaisuuksia s 456-458 Iteroitu integraali 7 Muuttujan vaihto lause 75, s 5 esim s 57 (pallokoordinaatisto) Tehtäviä: Tutki ovatko llä esitett eräs Talorin kehitelmä ja lauseessa 548, s 5 esitett kehitelmä samat, korjaa mahdolliset virheet Laske funktion f() = A, missä A R m n on vakiomatriisi, derivaatta kohdassa Laske funktion f() = T A, missä A R n n on smmetrinen vakiomatriisi, derivaatta kohdassa 4 Laske funktion f() =, derivaatta kohdassa [ 5 Laske funktion f = + ln( + +, derivaatta kohdassa ) 6 Todista, että positiivisesti definiittisen matriisin kaikki ominaisarvot ovat positiivisia

7 Osoita, että positiivisesti definiitti matriisi on kääntvä 8 Nätä, että kahden positiivisesti definiitin matriisin summa on positiivisesti definiitti 9 Olkoon f(,) = + 4 Laske funktion ääriarvokohdat ja tutki niiden laatu Olkoon suorakulmaisen särmiö hdestä ja samasta kärjestä alkavien kolmen särmän hteenlaskettu pituus l > Laske särmien pituudet siten, että särmiön tilavuus on mahdollisimman suuri Perustelu vastauksesi Laske paraabelien f() = + ja g() = + + 7 rajoittaman äärellisen alueen pinta-ala Laske pallon tilavuus Vastauksia: Ratkaisu tehtävään : Tutki ovatko llä esitett eräs Talorin kehitelmä ja lauseessa 548, s 5 esitett kehitelmä samat, korjaa mahdolliset virheet Lauseen 548 mukaan (olkoon k = ) f() = = k r= k! (d(r) r= k! (d(r) =! (d() maar 547 = f( )+ f)( )+ (k+ )! (d(k+) ˆ f)( ) f)( )+! (d() ˆ f)( ) f)( )+! (d() f)( )+! (d() ˆ f)( ) ) ( f( ) n d i ( )+ i ( n i= = f( )+ f ( )( )+ ( ) T H(ˆ)( ), i, j= j i d i d j ) ( ) missä ˆ on piste :n ja :n hdistävällä janalla Olkoon h = tällöin llä oleva tulee muotoon f( + h) = f( )+ f ( )h+ ht H(ˆ)h, joka on täsmälleen sama kuin aikaisemmin esitett eräs Talorin kehitelmä Ratkaisu tehtävään : Laske funktion f() = A, missä A R m n on vakiomatriisi, derivaatta kohdassa f( + h) = A( + h) = A + Ah = f( )+Ah+, koska lim h h = niin f ( ) = A

Ratkaisu tehtävään : Laske funktion f() = T A, missä A R n n on smmetrinen vakiomatriisi, derivaatta kohdassa h nätetään, että lim T Ah h h nollaa f( + h) = ( + h) T A( + h) = T A + T Ah+hT A + h T Ah = T A + T Ah+hT Ah = f( )+ T Ah+h T Ah, = Riittää osoittaa, että seuraava raja-arvo suppenee kohti h T Ah Schwar h Ah lim lim h h h h n lim Ah = lim (a h h T i h) i= Schwar joten f ( ) = T A n n lim ( a i h h ) = lim h a i =, i= h i= Ratkaisu tehtävään 4: Laske funktion f() =, derivaatta kohdassa Koska f() = g(h()), missä g() = ja h() = T Tiedetään, g ( ) = ja edellisen tehtävän perusteella tiedetään, että h ( ) = T I = T Joten ketjusäännön mukaan (lause 68, s 88) saadaan f ( ) = g (h( ))h ( ) = T T = T Ratkaisu tehtävään 5: Laske funktion f kohdassa Nt f = = [ + ln( + + ) [ ( + ) ( + ) ( + ) ( + ) + + + + + +,, derivaatta joten f = [

Ratkaisu tehtävään 6: Todista, että positiivisesti definiittisen matriisin kaikki ominaisarvot ovat positiivisia Olkoon matriisin A > mv ominaisarvo λ ja sitä vastaava ominaisvektori Nt A = λ T A = λ T,A> λ = T A T > Ratkaisu tehtävään 7: Osoita, että positiivisesti definiitti matriisi on kääntvä Nätetään, että htälörhmällä A = on vain triviaali ratkaisu = (kts lause 47, s 4 Lama) Tehdään vastaoletus eli oletetaan, että htälörhmällä A = on olemassa ratkaisu Koska ja A > niin mikä on ristiriita ( < ), joten väite on tosi < T A = T (A ) = T =, Ratkaisu tehtävään 8: Nätä, että kahden positiivisesti definiitin matriisin summa on positiivisesti definiitti Olkoon A > ja B > Selvästi summa A+B on smmetrinen Olkoon nt joten T (A+B) = T A+ T B >, koska summan molemmat termit ovat suurempia kuin nolla Ratkaisu tehtävään 9: Olkoon f(,) = + 4 Laske funktion ääriarvokohdat ja tutki niiden laatu kun f (,) = [ 4 4 = T, { = ja 4 4 = Joten derivaatta on nolla kohdissa {[ Lasketaan Hessen matriisi H(ˆ) = { [, = = tai = ± [, [ 4 Nt ([ ) [ ([ ) [ ([ ) [ H =,H = ja H =, 8 4 8 [ joten kohdat ovat lokaaleja maksimikohtia (koska Hessen matriisit ovat ± [ negatiivisesti definiittejä, ominaisarvot ovat ja 8) ja kohta ei ole ääriarvokohta koska Hessen matriisi on indefiniitti (ominaisarvot ovat ja 4) } ja

+ 4 4 6 8 5 5 Ratkaisu tehtävään : Olkoon suorakulmaisen särmiö hdestä ja samasta kärjestä alkavien kolmen särmän hteenlaskettu pituus l > Laske särmien pituudet siten, että särmiön tilavuus on mahdollisimman suuri Perustelu vastauksesi Olkoon >, > ja > särmiön kseessä olevat särmien pituudet Olkoon l > ko särmien hteenlaskettu pituus, nt = l Joten särmiön tilavuus on joten derivaatan nollakohdat ovat f(,) = (l ), f (,) = [ l l = T eli kun { l = ja l = >,> { l = ja l = llä olevat htälöt toteutuvat kun = l ja = l (l (l ) = = l ) Lasketaan Hessen matriisi ko pisteessä ([ H ) [ = l Ko matriisin ominaisarvot ovat ([ l det λ l ) l l λ = l l ) [ l H([ = l l l l ( l ) ( λ = l ) λ = ± l l eli ominaisarvot ovat l < ja l < siis matriisi on negatiivisesti definiitti [ l (smmetriss on selvä) ja kohta on funktion lokaalimaksimikohta Joten särmiön l tilavuus on mahdollisimman suuri kun särmiö on kuutio eli = = = l

( ) 4 5 4 4 5 Ratkaisu tehtävään : Laske paraabelien f() = + ja g() = + + 7 rajoittaman äärellisen alueen pinta-ala Ko alueen pinta-ala on Z (g() f())d = f() = g() + = + +7 = 8 = ± Z ( + 8 ) d = / ( ) + 8 = ( ) 8+6 8 6 = 64 Harmaan alueen pinta ala on n f() g() 8 6 4 4 6 Ratkaisu tehtävään : Laske pallon tilavuus R-säteinen pallo voidaan esittää joukkona T = { R R} Pallon tilavuus saadaan laskemalla integraali R T d

Integraali on huomattavasti helpompi laskea pallokoordinaateissa = pallokoordinaateista suorakulmaiseen koordinaatistoon on (esim) = g g det g r θ r θ r θ = = r cos(θ) cos() r sin(θ) cos() r sin() cos(θ) cos() r sin(θ) cos() r cos(θ) sin() sin(θ) cos() r cos(θ) cos() r sin(θ) sin() sin() r cos() r θ Kuvaus = sin()(r cos()sin())+rcos()(r cos() ) = r cos(), missä r R, π ja π < θ π, merkitään r S = θ R r R, π ja π < θ π Joten r cos() = r cos() Lauseen 75 perusteella, s 5 saadaan Z T Z d = r cos()d = = S Z π Z π π π Z π Z π Z R π π R cos()ddθ = Z π r cos()dr ddθ π R dθ = 4 πr Toinen tapa laskea pallon pinta-ala Koska pallo on pörähdssmmetrinen niin sen tilavuus voidaan laskea kaavalla Z R ) Z R ( π ( R d = π R ) d = π (R ) R = 4 R πr R