2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

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

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

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

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

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

12. Hessen matriisi. Ääriarvoteoriaa

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

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

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

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

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

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

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

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

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

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

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

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

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Matematiikka B1 - TUDI

BM20A0300, Matematiikka KoTiB1

Matematiikan tukikurssi

Matriisit ja optimointi kauppatieteilijöille P

Matriisit ja optimointi kauppatieteilijöille P

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

Jouni Sampo. 5. helmikuuta 2014

Talousmatematiikan perusteet: Luento 15. Rajoitettu optimointi Lagrangen menetelmä Lagrangen kerroin ja varjohinta

Tilavuus puolestaan voidaan esittää funktiona V : (0, ) (0, ) R,

Taustatietoja ja perusteita

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Laskuharjoitus 4 / vko 40

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

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo Ratkaisut ja pisteytysohjeet

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo 10-13

Luento 12: Duaalitehtävä. Tarkennuksia Lagrangen kertoimen tulkintaan. Hajautettu optimointi.

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

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

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

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

Ratkaisuehdotus 2. kurssikokeeseen

Ratkaisuehdotus 2. kurssikoe

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Talousmatematiikan perusteet: Luento 14. Rajoitettu optimointi Lagrangen menetelmä: yksi yhtälörajoitus Lagrangen menetelmä: monta yhtälörajoitusta

Derivaatta: funktion approksimaatio lineaarikuvauksella.

Matematiikan tukikurssi

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

Piiri K 1 K 2 K 3 K 4 R R

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

Matemaattinen Analyysi / kertaus

Mikäli funktio on koko ajan kasvava/vähenevä jollain välillä, on se tällä välillä monotoninen.

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

Luento 12: Duaalitehtävä. Tarkennuksia Lagrangen kertoimen tulkintaan. Hajautettu optimointi.

Luento 9: Newtonin iteraation sovellus: optimointiongelma

Vektorilaskenta, tentti

Matematiikan tukikurssi

Injektio (1/3) Funktio f on injektio, joss. f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f )

Selvästi. F (a) F (y) < r x d aina, kun a y < δ. Kolmioepäyhtälön nojalla x F (y) x F (a) + F (a) F (y) < d + r x d = r x

Kertaus. x x x. K1. a) b) x 5 x 6 = x 5 6 = x 1 = 1 x, x 0. K2. a) a a a a, a > 0

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

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

A-osio. Ilman laskinta. MAOL-taulukkokirja saa olla käytössä. Maksimissaan yksi tunti aikaa. Laske kaikki tehtävät:

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

VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

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

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Vektorianalyysi I MAT Luennoitsija: Ritva Hurri-Syrjänen Luentoajat: ti: 14:15-16:00, to: 12:15-14:00 Helsingin yliopisto 21.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

1 Rajoittamaton optimointi

3.1 Väliarvolause. Funktion kasvaminen ja väheneminen

MAA7 Kurssikoe Jussi Tyni Tee B-osion konseptiin pisteytysruudukko! Kaikkiin tehtäviin välivaiheet näkyviin! Laske huolellisesti!

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

Funktion suurin ja pienin arvo DERIVAATTA,

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

b 1. b m ) + ( 2b Ax) + (b b)

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

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

Matematiikkaa kauppatieteilijöille

k-kantaisen eksponenttifunktion ominaisuuksia

Reaalilukuvälit, leikkaus ja unioni (1/2)

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

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

Luento 11: Rajoitusehdot. Ulkopistemenetelmät

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

min x x2 2 x 1 + x 2 1 = 0 (1) 2x1 1, h = f = 4x 2 2x1 + v = 0 4x 2 + v = 0 min x x3 2 x1 = ± v/3 = ±a x 2 = ± v/3 = ±a, a > 0 0 6x 2

MATEMATIIKAN ALKEET II (YE19B), SYKSY 2011

Matematiikan taito 9, RATKAISUT. , jolloin. . Vast. ]0,2] arvot.

Harjoitus 7: vastausvihjeet

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

Funktion. Käänteisfunktio. Testi 3. Kauhava Aiheet. Funktio ja funktion kuvaaja. Funktion kasvaminen ja väheneminen.

. 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

Optimaalisuusehdot. Yleinen minimointitehtävä (NLP): min f(x) kun g i (x) 0 h j (x) = 0

Linkkejä kurssi2 / Etälukio (edu.) kurssi8 / Etälukio (edu.) (Suurinta osaa tämän linkin takana olevasta materiaalista pohdimme vasta huomenna!

Derivaatat lasketaan komponenteittain, esimerkiksi E 1 E 2

Äänekosken lukio Mab4 Matemaattinen analyysi S2016

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

1.1. YHDISTETTY FUNKTIO

Transkriptio:

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia 2.1 Ääriarvot Yhden muuttujan funktiolla f(x) on lokaali maksimiarvo (lokaali minimiarvo) pisteessä a, jos f(x) f(a) (f(x) f(a)) kaikilla x:n arvoilla riittävän lähellä a:ta. Jos epäyhtälö pätee kaikilla x:n arvoilla, f:llä on absoluuttinen maksimi (minimi) pisteessä a. Ääriarvoja voi esiintyä 1. kriittisissä pisteissä, joissa f (x) = 0 2. singulaaripisteissä, joissa f (x) ei ole olemassa 3. f:n määrittelyalueen päätepisteissä. 1

Vastaavasti kahden muuttujan funktiolla on lokaali maksimi tai suhteellinen maksimi määrittelyalueensa pisteessä (a, b), jos f(x, y) f(a, b) kaikilla (x, y), jotka ovat riittävän lähellä (a, b):tä. Jos epäyhtälö pätee kaikilla (x, y) f:n määrittelyalueessa, f:llä on globaali maksimi (absoluuttinen maksimi) pisteessä (a, b), vastaavasti lokaali ja globaali minimi. Välttämättömät ehdot ääriarvojen olemassaololle: Funktiolla f(x, y) voi olla lokaali tai globaali ääriarvo pisteessä (a, b) vain, jos (a, b) on 1. f:n kriittinen piste, ts. piste, jossa f(a, b) = 0 2. f:n singulaarinen piste, ts. piste, jossa f(a, b) ei ole olemassa 3. f:n määrittelyalueen reunapiste. Nämä ehdot pätevät myös useamman muuttujan funktioille. 2

Joukko R n on rajoitettu, jos se sisältyy kokonaisuudessaan palloon x 2 1 + x 2 2 + + x 2 n R 2, missä säde R on äärellinen. Riittävät ehdot ääriarvojen olemassaololle: Jos f on jatkuva n:n muuttujan funktio, jonka määrittelyalue on suljettu ja rajoitettu joukko R n :ssä, niin f:n arvojoukko on rajoitettu joukko reaalilukuja ja sen määrittelyalueessa on pisteitä, joissa f saa absoluuttisia maksimi ja minimiarvoja. Esim. Funktiolla f(x, y) = x 2 + y 2 on kriittinen piste pisteessä (0, 0), koska f = 2xi + 2yj ja f:n molemmat komponentit häviävät pisteessä (0, 0). Koska f(x, y) > 0 = f(0, 0), jos (x, y) (0, 0), f:llä on ko. pisteessä absoluuttinen minimi. Funktion f sisäpuolisessa määrittelyjoukossa oleva kriittinen piste on satulapiste, jos f:llä ei ole ko. pisteessä maksimi eikä minimiarvoa. 3

Kriittisten pisteiden luokittelu: Tarkastellaan erotusta f = f(a + h, b + k) f(a, b), (1) missä h ja k ovat pieniä ja (a, b) on kriittinen piste. Jos erotus on aina ei negatiivinen (ei positiivinen), niin f:llä on minimi (maksimi) pisteessä (a, b). Jos erotus on negatiivinen joillakin (h, k) mielivaltaisen lähellä (0, 0):aa ja positiivinen joillain toisilla, f:llä on satulapiste pisteessä (a, b). Esim. Etsi ja luokittele funktion f(x, y) = 2x 3 6xy + 3y 2 kriittiset pisteet. Tämän menetelmän perusteella voidaan kehittää toisen derivaatan testi (second derivative test) kriittisten pisteiden luokitteluun. 4

Toisen derivaatan testi: Olkoon (a, b) funktion f(x, y) kriittinen piste f:n määrittelyalueen sisällä. Oletetaan, että f:n toiset osittaisderivaatat ovat jatkuvia(a, b):n läheisyydessä ja niillä on arvot A = f 11 (a, b), B = f 12 (a, b) = f 21 (a, b), C = f 22 (a, b) (2) 1. Jos B 2 < AC ja A > 0, niin f:llä on lokaali minimi pisteessä (a, b) 2. Jos B 2 < AC ja A < 0, niin f:llä on lokaali maksimi pisteessä (a, b) 3. Jos B 2 > AC, niin f:llä on satulapiste pisteessä (a, b) 4. Jos B 2 = AC, ei testi anna informaatiota. Esim. etsi ja luokittele funktion f(x, y) = xye (x2 +y 2 )/2 (3) kriittiset pisteet. Onko f:llä absoluuttista maksimia tai minimiä? 5

Jos u = ui + vj on yksikkövektori, f(x, y):n toinen suunnattu derivaatta pisteessä (a, b) vektorin u suuntaan on D 2 uf(a, b) = u (u f)(a, b) = Au 2 + 2Buv + Cv 2, (4) missä A, B ja C ovat u:sta ja f:n toisista osittaisderivaatoista riippuvia vakioita. Lauseke Q(u, v) = Au 2 + 2Buv + Cv 2 (5) on muuttujien u ja v neliömuoto. Neliömuoto on positiividefiniitti (negatiividefiniitti), jos Q(u, v) > 0 (Q(u, v) < 0) kaikilla nollasta poikkeavilla vektoreilla u. Neliömuotoa voidaan käyttää kriittisten pisteiden luokitteluun, myös useamman muuttujan funktioiden tapauksessa. 6

Funktiolle f(x, y, z), jolla on jatkuvat toiset osittaisderivaatat, toinen suunnattu derivaatta pisteessä (a, b, c) yksikkövektorin u = ui + vj + wk suuntaan on neliömuoto Q(u, v, w) = D u f(a, b, c) = Au 2 +Bv 2 +Cw 2 +2Duv+2Euw+2Fvw, (6) missä A = f 11 (a, b, c), B = f 22 (a, b, c), C = f 33 (a, b, c), D = f 12 (a, b, c), E = f 13 (a, b, c), F = f 23 (a, b, c) (7) Funktiolla f on lokaali minimi, lokaali maksimi tai satulapiste kriittisessä pisteessä (a, b, c), jos Q(u, v, w) on positiividefiniitti, negatiividefiniitti tai jos sillä on positiivisia arvoja joillain vektoreilla u ja negatiivisia joillain toisilla. 7

2.2 Rajoitetuissa alueissa määriteltyjen funktioiden ääriarvot Jos jatkuvan funktion määrittelyalue on suljettu ja rajoitettu, sillä on absoluuttisia ääriarvoja. Tällöin on tarkasteltava myös reunapisteitä kriittisten ja singulaaripisteiden löytämiseksi. Esim. Etsi funktion f(x, y) = 2xy minimi ja maksimiarvot suljetussa kiekossa x 2 + y 2 4. Funktion ainoa kriittinen piste on (0, 0). Tämä piste on satulapiste. Reunakäyrällä x 2 + y 2 = 4 on kuitenkin kaksi pistettä, joissa funktiolla on maksimi ja kaksi pistettä, joissa sillä on minimi. Lineaarisen funktion minimien ja maksimien etsimistä lineaaristen rajoitteiden läsnäollessa kutsutaan lineaariseksi ohjelmoinniksi. 8

2.3 Lagrangen kertoimet Sidotussa (constrained) ääriarvotehtävässä optimoitavan funktion muuttujat voivat riippua toisistaan rajoiteyhtälöiden tai epäyhtälöiden kautta. Esimerkkejä: Maksimoi funktio f(x, y) ehdolla g(x, y) = C Minimoi funktio f(x, y, z, w) ehdoilla g(x, y, z, w) = C 1 ja h(x, y, z, w) = C 2 Maksimoi funktio f(x, y, z) ehdolla g(x, y, z) C Rajoitteet voivat siis olla yhtälömuotoisia (kaksi ensimmäistä tapausta) tai epäyhtälöitä (viimeinen tapaus). Rajoiteyhtälöiden ratkaisu on usein vaikeaa tai mahdotonta. Tällöin voidaan käyttää Lagrangen menetelmää. 9

Oletetaan, että 1. Funktiolla f ja g on jatkuvat ensimmäiset derivaatat lähellä pistettä P 0 = (x 0, y 0 ) käyrällä C, jonka yhtälö on g(x, y) = 0 2. Kun rajoitutaan käyrällä C oleviin pisteisiin, funktiolla f(x, y) on lokaali maksimi tai minimiarvo P 0 :ssa 3. P 0 ei ole C:n päätepiste 4. f(p 0 ) 0 Tällöin on olemassa luku λ 0 siten, että (x 0, y 0, λ 0 ) on Lagrangen funktion kriittinen piste. L(x, y, λ) = f(x, y) + λg(x, y) (8) Lukuja λ kutsutaan Lagrangen kertoimiksi. 10

Ääriarvoja voi esiintyä Lagrangen funktion kriittisessä pisteessä Pisteessä, joissa g = 0 Pisteessä, jossa f tai g ei ole olemassa Rajoitejoukon päätepisteessä Kolmiulotteinen ongelma, jossa on etsittävä funktion f(x, y, z) ääriarvot ehdoilla g(x, y, z) = 0 ja h(x, y, z) = 0, voidaan ratkaista käyttäen Lagrangen funktiota L(x, y, z, λ, µ) = f(x, y, z) + λg(x, y, z) + µh(x, y, z). (9) Vastaavasti menetelmä pätee myös n:n muuttujan funktiolle. 11