Korkeamman kertaluvut derivaatat

Samankaltaiset tiedostot
1. Yhtälöiden ratkaisemisesta Olkoon f välillä [a, b] jatkuva funktio, jolle f(a) f(b) < 0. Bolzanon lauseen [A1]

Riemannin integraalista

TEHTÄVÄ 1. Olkoon (f n ) jono jatkuvia funktioita f n : [a, b] R, joka suppenee välillä [a, b] tasaisesti kohti funktiota f : [a, b] R.

x k 1 Riemannin summien käyttö integraalin approksimointiin ei ole erityisen tehokasta; jatkuvasti derivoituvalle funktiolle f virhe b

Riemannin integraali

Kuvausta f sanotaan tällöin isomorfismiksi.

II.1. Suppeneminen., kun x > 0. Tavallinen lasku

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 9. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 9 () Numeeriset menetelmät / 29

Määritelmä Olkoon C R m yksinkertainen kaari ja γ : [a, b] R m sen yksinkertainen parametriesitys, joka on paloittain C 1 -polku.

3 Integraali ja derivaatta

5 Epäoleellinen integraali

1. Derivaatan Testi. Jos funktio f on jatkuva avoimella välillä ]a, b[ ja x 0 ]a, b[ on kriit. tai singul. piste niin. { f (x) > 0, x ]a, x 0 [

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT Funktiojonot 1

Johdatusta variaatiolaskentaan

Säännöllisten operaattoreiden täydentäviä muistiinpanoja

Vektoriarvoisten funktioiden analyysiä

Kertausta ja täydennystä

7 Funktiosarjoista. 7.1 Funktiosarjojen suppeneminen

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

Käydään läpi: ääriarvo tarkastelua, L Hospital, integraalia ja sarjoja.

5 Riemann-integraali ANALYYSI B, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Ala- ja yläintegraali

2.4 Pienimmän neliösumman menetelmä

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 8: Integraalifunktio ja epäoleellinen integraali

Matematiikan tukikurssi

Analyysin perusteet kauppatieteilijöille P

Analyysi 2. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Kevät Anna sellainen välillä ] 2, 2[ jatkuva ja rajoitettu funktio f, että

Numeerinen integrointi

Lebesguen integraali - Rieszin määritelmä

OSA 1: POLYNOMILASKENNAN KERTAUSTA, BINOMIN LASKUSÄÄNTÖJÄ JA YHTÄLÖNRATKAISUA

Integraalilaskentaa. 1. Mihin integraalilaskentaa tarvitaan? MÄNTÄN LUKIO

Matematiikan peruskurssi. Seppo Hassi

Matemaattiset menetelmät I. Seppo Hassi

Sisältö. Integraali 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 20

6 Integraalilaskentaa

Numeerinen integrointi.

2 Riemann-integraali. 2.1 Porrasfunktion integraali. Aloitetaan integraalin täsmällinen määrittely tutkimalla porrasfunktion integraalia.

Lebesguen integraali

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 8: Integraalifunktio ja epäoleellinen integraali

ANALYYSI I, kevät 2009

ANALYYSI I, kevät 2009

ANALYYSI I, kevät 2009

Matematiikan tukikurssi

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

i 2 n 3 ( (n 1)a (i + 1) 3 = 1 +

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 7: Integraali ja analyysin peruslause

a = x 0 < x 1 < x 2 < < x n = b f(x) dx = I. lim f(x k ) x k=1

Pertti Koivisto. Analyysi B

Riemannin integraalista

Sarjat ja integraalit

Analyyttiset funktiot ja integrointiteorian alkeita

Sinilause ja kosinilause

Kertymäfunktio. Kertymäfunktio. Kertymäfunktio: Mitä opimme? 2/2. Kertymäfunktio: Mitä opimme? 1/2. Kertymäfunktio: Esitiedot

MS-A010{2,3,4,5} (SCI,ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 7: Integraali ja analyysin peruslause

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

Analyysi B. Derivaatta ja integraali. Pertti Koivisto

sin θ θ θ r 2 sin 2 θ φ 2 = 0.

Laskennan mallit (syksy 2010) 1. kurssikoe, ratkaisuja

1. Käyrän kierrosluvusta Kompleksianalyysin tärkeimpiä tuloksia on pari Cauchyn lause ja Cauchyn integraalikaava. f(z)

Suorat, käyrät ja kaarevuus

TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu -tutkielma. Harri Lehtinen. Kongruenssista

Ville Turunen: Mat Matematiikan peruskurssi P1 3. välikokeen alueen teoriatiivistelmä 2007

Painopiste. josta edelleen. x i m i. (1) m L A TEX 1 ( ) x 1... x k µ x k+1... x n. m 1 g... m n g. Kuva 1. i=1. i=k+1. i=1

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2017 Harjoitus 6, ratkaisuista. 1. Onko jokin demojen 5 tehtävän 3 relaatioista

Reaalinen lukualue. Millainen on luku, jossa on päättymätön ja jaksoton desimaalikehitelmä?

ANALYYSI 3. Tero Kilpeläinen

Analyysi III S

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 6 / vko 13

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

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

11. MÄÄRÄTTY INTEGRAALI JA TILAVUUS

Ristitulo ja skalaarikolmitulo

2.6 SÄÄNNÖLLISET LAUSEKKEET Automaattimalleista poikkeava tapa kuvata yksinkertaisia kieliä. Olkoot A ja B aakkoston Σ kieliä. Perusoperaatioita:

Matematiikan perusteet taloustieteilijöille P

Ratkaisu: Ensimmäinen suunta. Olkoon f : R n R m jatkuva eli kaikilla ε > 0 on olemassa sellainen δ > 0, että. kun x a < δ. Nyt kaikilla j = 1,...

Pythagoraan lause. Pythagoras Samoslainen. Pythagoraan lause

Mika Hirvensalo. Insinöörimatematiikka B 2014

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 9: Integroimismenetelmät

Variaatiolaskentaa ja sen sovelluksia

5.4 Ellipsi ja hyperbeli (ei kuulu kurssivaatimuksiin, lisätietoa)

VEKTOREILLA LASKEMINEN

Paraabelikin on sellainen pistejoukko, joka määritellään urakäsitteen avulla. Paraabelin jokainen piste toteuttaa erään etäisyysehdon.

Laskennan mallit (syksy 2007) Harjoitus 5, ratkaisuja

Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin

Polynomien laskutoimitukset

Olkoon. M = (Q, Σ, δ, q 0, F)

Pertti Koivisto. Analyysi C

TIEA241 Automaatit ja kieliopit, syksy Antti-Juhani Kaijanaho. 22. syyskuuta 2016

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

Greenin ja Stokesin lauseet

Olkoon. äärellinen automaatti. Laajennetaan M:n siirtymäfunktio yksittäisistä syötemerkeistä merkkijonoihin: jos q Q, x Σ, merkitään

MS-A010{2,3,4,5} (SCI,ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 9: Integroimismenetelmät

ANALYYSI II A Matemaattisten tieteiden laitos Luentomoniste työn alla: viimeksi muutettu

4 Taso- ja avaruuskäyrät

Sisältö. Funktiojonot ja -sarjat 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 15

Mikrotalousteoria 2, 2008, osa III

lim + 3 = lim = lim (1p.) (3p.) b) Lausekkeen täytyy supistua (x-2):lla, joten osoittajan nollakohta on 2.

1.3 Toispuoleiset ja epäoleelliset raja-arvot

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

4. Reaalifunktioiden määrätty integraali

Viikon aiheet. Pinta-ala

Transkriptio:

LUKU 4 Korkemmn kertluvut derivtt Derivtn määritelmän mukn differentioituv kuvust f : U F voidn pproksimoid ffiinill kuvuksell, f(x + u f(x + Df(xu. Jos f on khdesti differentioituv, voidn derivtt pproksimoid vstvll tvll. Siis f(x + u + v f(x + v + Df(x + vu f(x + Df(xv + ( Df(x + D 2 f(xv u = f(x + Df(xv + Df(xu + ( D 2 f(xv u. Kun toinen derivtt määäritellään derivtn derivttn, on tässä Df(x: E F on jtkuv linerikuvus, Df : U L(E; F differentioituv j D 2 f(x: E L(E; F on jtkuv linerikuvus, t.s. D 2 f(x L(E; L(E; F. Siis D 2 f(xv L(E; F j (D 2 f(xvu F. Kosk edellisessä kvss kikki muu on prin (u, v suhteen symmetristä, on otksuttviss, että myös toinen derivtt on symmetrinen, t.s. (D 2 f(xvu = (D 2 f(xuv kikille u, v E. Toinen derivtt ei kuitenkn määritelmänsä puolest tule olemn symmetrinen esiintyvien muuttujien u j v suhteen, joten trkstelln tämänkltisten kuvusten luonnett luksi yleisesti. 4.1. Bilinerikuvukset [4, IV, 1], [1, 1.1.8 9], [3, V.5, V.7], [15, Ch. V, 3], [5, 2.2.9] Prit (E,, (F,,... ovt (vin normivruuksi, ellei toisin minit. Plutetn mieleen: Kuvus B : E F G bilinerinen, jos kikille x E j y F kuvukset E G, u B(u, y j F G, v B(x, v ovt linerisi. Vstvll tvll määritellään n-linerinen kuvus B : E 1 E n G. Kikkien jtkuvien bilinerikuvusten E F G joukko merkitään L(E, F ; G. Vstvsti, jtkuvien n-lineristen kuvusten E 1 E n G joukko merkitään L(E 1,..., E n ; G. Lisäksi merkitään L 2 (E; G := L(E, E; G j L n (E; G = L(E,..., E; G. }{{} n 1 Viimeksi muutettu 16.2.211. 23

4.1. BILINEAARIKUVAUKSET 24 Osoitetn seurvksi, että normivruudet L(E, F ; G j L(E; L(F ; G ovt luonnollisell tvll isometrisesti isomorfiset. 2 Erityisesti siis L 2 (E; G j L(E; L(E; G ovt isometrisesti isomorfiset. Määritellään luksi kuvus L(E, F ; G L(E; L(F ; G. Jokiselle B L(E, F ; G j x E olkoon B x : F G, B x (y := B(x, y. Tällöin B x L(F ; G j B x (y = B(x, y B x y, joten B x B x. Lisäksi B : E L(F ; G, x Bx, on linerinen j Bx = B x B x, joten B L(E; L(F ; G. Kosk B = sup{ B(x, y x 1, y 1} = sup{ B x x 1} = B, on kuvus B B, L(E, F ; G L(E; L(F ; G, isometri. Kuvus B B on tällöin injektio. Kuvus B B on myös surjektio, sillä jos A L(E; L(F ; G, niin kuvukselle B : E F G, on B L(E, F ; G j Bx = B x = A(x. Siis B(x, y := (A(x(y, (4.1 L(E, F ; G = L(E; L(F ; G, B B, B(x, y = ( Bx(y. Jtkoss vruudet L(E, F ; G j L(E; L(F ; G usein smistetn tämän isometrisen isomorfismin B B mukisesti. Vstvll tvll vruudet L(E 1,..., E n ; G j L(E 1 ;... L(E n ; G ovt isometrisesti isomorfiset. Erikoistpus: L 2 (E; R = L(E, E; R = L(E; L(E; R = L(E; E Huom, että Hilbertin vruuden H duli L(H; R = H voidn smist isometrisesti vruuden H knss: H f H, f (x := ( x, jolloin f H = H (Fréchet n j Rieszin luse. Tämä smistus ei kuitenkn ole luonnollinen; se riippuu vruuden H sisätulon vlinnst. 3 Erikoistpuksen erikoistpus: Jokinen bilinerimuoto B : R n R n R voidn esittää mtriisiin (b j,k n j,k=1 vull: n B(x, y = b j,k x j y k, j,k=1 missä b j,k = B(e j, e k. Jos setetn b(x := n j,k=1 b j,k x j e k, niin b L(R n ; R n j B(x, y = (b(x y. Edellä ollut kuvus B : R n (R n on nyt ( B(x(y = (b(x y, t.s. B(x = (b(x. 2 Normivruudet (E, E j (F, F ovt isomorfiset, jos on olemss jtkuv linerinen bijektio A: E F, jolle myös käänteiskuvus on jtkuv. Normivruuksien E j F isomorfisuutt merkitään jtkoss E = F. Isomorfismi A: E F on isometri, jos Ax F = x E kikille x E. 3 Oikestn Hilbertin vruudelle on in nnettu tietty sisätulo. Trkoitus on sno, että jos Hilbertin vruuden sisätulo muutetn niin, että vstvt normit ovt ekvivlenttej, niin tällöin myös isomorfismi H = H muuttuu.

4.2. KORKEAMMAN KERTALUVUN DERIVAATAT 25 4.2. Korkemmn kertluvun derivtt [4, XIII, 5], [1, Ch. 1, 5.1], [3, VIII.12], [15, Ch. V, 3, 8], [5, 2.4.14] Määritelmä 4.1. Olkoon U E voin j f : U F differentioituv kuvus. Jos kuvus Df : U L(E; F on differentioituv pistessä x U, niin f on kksi kert differentioituv pisteessä x U (ti kuvuksell f on toinen derivtt pisteessä x U. Kuvuksen f toist derivtt pisteessä x U merkitään D 2 f(x. Toinen derivtt pisteessä x U on siis jtkuv linerikuvus D 2 f(x : E L(E; F, t.s. kikille u E on D 2 f(x u jtkuv linerikuvus E F. Edellisen mukn linerikuvus D 2 f(x : E L(E; F voidn smist bilinerikuvuksen E E F knss settmll ( D 2 f(x u (v =: D 2 f(x (u, v. Kuvus f : U F on kksi kert jtkuvsti differentioituv, jos f on kksi kert differentioituv jokisess pisteessä x U j kuvus D 2 f : U L(E; L(E; F on jtkuv. Euklidisten vruuksien tilnteess, E = R n, F = R m, derivtt Df voidn smist mtriisirvoisen kuvuksen ( D j f k k,j knss. Luseen 2.11 nojll kuvus Df on differentioituv pisteessä x, jos j vin jos jokinen koordinttifunktio D j f k on differentioituv pisteessä x. Lemm 4.2. Olkoot U E voin j f : U F jtkuvsti differentioituv kuvus. Olkoot u E j g : U F, g(x := Df(xu. Jos kuvuksell f on toinen derivtt pisteessä x U, niin g on differentioituv pisteessä x j Dg(xv = D 2 f(x(v, u kikille v E. Todistus. Olkoon L: L(E; F F, L(A := Au. Tällöin L on jtkuv linerikuvus j g(x = L(Df(x. Siis Dg(x = DL(Df(x D(Df(x = L D 2 f(x, t.s. Dg(xv = L(D 2 f(xv = (D 2 f(xv(u = D 2 f(x(v, u. Huomutus 4.3. Jos E on äärellisulotteinen, niin edellisen luseen tulos voidn kääntää: Jos g u : U F, g u (x := Df(xu, differentioituv pisteessä x kikille u E, niin kuvuksell f on toinen derivtt D 2 f(x pisteessä x U. Jos E ei ole äärellisulotteinen, ei tämä käänteinen tulos päde. Vstesimerkiksi käy seurv: Olkoon c kikist noll kohti suppenevist relilukujonoist x = (x k k=1 muodostuv Bnchin vruus (lskutoimitukset komponenteittin, normin x = sup k x k. Olkoot g k : R R, g k (t := t/(1 + k t, f k (t := t g k(s ds j f : c c, f(x := ( f k (x k. Tällöin f on jtkuvsti differentioituv, kikille u c k=1 kuvus x Df(xu on differentioituv pisteessä x =, mutt Df ei ole differentioituv pisteessä x =. Vrt. [3, luku VIII: 12, HT 7; 9, HT 2; 6, HT 3; 4, HT 4 5]. cos(k t, kelvnnee k 2 Kuvus f : c c, f(x := ( f k (x k, missä f k=1 k(t := 1 myös. (Kuvus h: c c, h(x := ( h k (x k, missä h k=1 k(t := 1 sin(k t, ei ole k differentioituv missään. [9, luku VII, Beispiel 24.4]

4.2. KORKEAMMAN KERTALUVUN DERIVAATAT 26 Luse 4.4 (L. Euler, H. A. Schwrz; helppo 4. Olkoot F Bnchin vruus, U E voin j f : U F kksi kert jtkuvsti differentioituv kuvus. Tällöin toinen derivtt on symmetrinen, D 2 f(x(u, v = D 2 f(x(v, u kikille x U, u, v E. Todistus. Kiinnitetään x U, u, v E. Olkoon ϕ F = L(F ; R. Määritellään g : B 2 (; r R, g(s, t := ϕ(f(x + s u + t v, missä r > vlitn niin pieneksi, että x + s u + t v U kikille (s, t B 2 (; r. Kuvus B 2 (; r U, (s, t x+s u+t v U, on C 2 -kuvus, smoin ϕ: E R. Siis g on C 2 -funktio. Kosk D 1 g(s, t = ϕ(df(x + s u + t vu, D 2 g(s, t = ϕ(df(x + s u + t vv, D 2 D 1 g(s, t = ϕ(d 2 f(x + s u + t v(v, u, D 1 D 2 g(s, t = ϕ(d 2 f(x + s u + t v(u, v, sdn kurssill Differentililskent 1 todistetust luseest [DL1, Luse 7.3] ϕ(d 2 f(x(u, v = D 1 D 2 g(, = D 2 D 1 g(, = ϕ(d 2 f(x(v, u. Kosk ϕ F on mielivltinen, seur väite Hhnin j Bnchin luseest. Ilmn Hhnin j Bnchin lusett j kurssin Differentililskent 1 vuj (mutt nlyysin peruslusett käyttäen; [4, XIII, 5]: Luse 4.5 (Euler, Schwrz. Olkoot F Bnchin vruus, U E voin j f : U F kksi kert jtkuvsti differentioituv kuvus. Tällöin toinen derivtt on symmetrinen, D 2 f(x(u, v = D 2 f(x(v, u kikille x U j kikille u, v E. Todistus. Olkoon u < r/2 j v < r/2, missä r > vlitn niin, että B(x; r U. Olkoon g(z := f(z + u f(z, z B(x; r/2. Tällöin nlyysin perusluseen nojll x (u, v := f(x + u + v f(x + v f(x + u + f(x = g(x + v g(x = = Dg(x + t vv dt = ( D 2 f(x + s u + t vu ds v dt. (Df(x + u + t v Df(x + t vv dt 4 Krl Hermnn Amndus Schwrz (1843 1921; Schwrz tunnetn premmin Cuchyn, Bunjkovskin j Schwrzin epäyhtälöstä, sekä monist kompleksinlyysin Schwrzin... -nimisistä tuloksist. Tulos löytyy myös, tosin vrsin heuristisin perusteluin, Eulerin kirjst Institutiones clculi differentilis, 1755.

Tässä 4.2. KORKEAMMAN KERTALUVUN DERIVAATAT 27 Olkoon ψ(u, v := D 2 f(x + u + v D 2 f(x. Tällöin (käyttäen smistust (4.1 ( x (u, v = (ψ(s u, t v + D 2 f(xu ds v dt ( = ( ψ(s u, t v(u, v ds dt ψ(s u, t v(u, v ds dt + D 2 f(x(u, v. sup s,t 1 ψ(s u, t v u v. Kun vstv lsku tehdään lähtemällä esityksestä x (u, v = h(x + u h(x, missä h(z := f(z + v f(z, sdn ( x (u, v = ψ(s u, t v(v, u dt ds + D 2 f(x(v, u, missä integrlile sdn sm ylärj kuin edellä. Edellä erotukselle x (u, v stujen kvojen vull sdn R(u, v := D 2 f(x(u, v D 2 f(x(v, u ( = ψ(s u, t v(v, u dt ds ( ψ(s u, t v(u, v ds dt Tässä R: E E F on jtkuv bilinerikuvus, j kosk kuvuksen f toinen derivtt on jtkuv pisteessä x, on R(u, v u v, kun (u, v (,. Väite seur nyt seurvst lemmst. Lemm 4.6. Olkoon R: E E F on jtkuv bilinerikuvus. Jos R(u, v u v, kun (u, v (,, niin R =. Todistus. Olkoon Q(u, v := R(u,v. Kiinnitetään u j v. Tällöin riittävän pienelle s R u v on s 2 R(u, v = R(s u, s v = Q(s u, s v s u s v = s 2 Q(s u, s v u v. Jkmll puolittin luvull s 2 j ntmll s, sdn väite. Huom, että lemmn tulos on bilinerikuvuksille vstv kuin linerikuvuksille olisi: Jos L: E F on jtkuv linerikuvus, jolle on voimss Lu/ u, kun u, niin L =. [1, Ch. 1, 5.1], [3, VIII.12], [15, Ch. V, Thm. 8.2]: Luse 4.7 (Euler, Schwrz; oike. Olkoon U E voin, x U j f : U F pisteessä x kksi kert differentioituv kuvus. Tällöin toinen derivtt D 2 f(x on symmetrinen, D 2 f(x (u, v = D 2 f(x (v, u kikille u, v E.

4.2. KORKEAMMAN KERTALUVUN DERIVAATAT 28 Todistus. Olkoot r > siten, että B(; 2r U, j (u, v := f(x + u + v f(x + u f(x + v + f(x, kun u r j v r. Osoitetn, että josskin origon ympäristössä B(; r B(; r on voimss (4.2 (u, v (D 2 f(x vu ε u (2 u + 3 v. Tässä (u, v on symmetrinen muuttujien u j v suhteen, joten vihtmll edellisessä u j v keskenään, sdn (D 2 f(x vu (D 2 f(x uv ε u (2 u + 3 v + ε v (2 v + 3 u 2 ε ( u + v 2. Väite seur nyt edellisestä lemmst 4.6. Epäyhtälön (4.2 todistus: Kosk toinen derivtt D 2 f(x on olemss, on jokiselle ε > olemss r (, 2r siten, että Df(x + w Df(x D 2 f(x w ε w, kun w 2r. Erityisesti, kun u r j v r, on (4.3 (4.4 Df(x + u + v Df(x D 2 f(x (u + v ε u + v Df(x + u Df(x D 2 f(x (u ε u. Jokiselle v B(; r olkoon g v : B(; r F, Kuvuksen g v derivtlle on g v (u := f(x + u + v f(x + u. Dg v (u = Df(x + u + v Df(x + u = (Df(x + u + v Df(x (Df(x + u Df(x. Erityisesti Dg v ( = Df(x + v Df(x. Epäyhtälön (4.4 nojll on Dg v ( D 2 f(x v ε v. Vstvsti epäyhtälöiden (4.3 j (4.4 nojll sdn (4.5 Dg v (u D 2 f(x v = (Df(x + u + v Df(x D 2 f(x (u + v (Df(x + u Df(x D 2 f(x u ε u + v + ε u. Kosk g v (u g v ( = (u, v, sdn välirvoepäyhtälön (seurus 3.11 vull (u, v (D 2 f(x vu = (g v (u g v ( Dg v (u + (Dg v (u (D 2 f(x vu sup z J,u Dg v (z Dg v ( u + Dg v ( D 2 f(x v u. Tässä epäyhtälöiden (4.5 j (4.4 nojll kikille z J,u sdn Dg v (z Dg v ( Dg v (z D 2 f(x v + D 2 f(x v Dg v ( ε z + v + ε z + ε v ε (2 u + 2 v. j

4.2. KORKEAMMAN KERTALUVUN DERIVAATAT 29 Siis (u, v (D 2 f(x vu ε (2 u + 2 v u + ε v u. Tämä on hluttu epäyhtälö (4.2. Olkoon U E voin j f : U F kksi kert differentioituv kuvus. Tällöin toinen derivtt D 2 f(x on symmetrinen, joten derivtlle ω := Df : U L(E; F on voimss (ks. lemm 4.2 (Dω(xuv = D 2 f(x(v, u = D 2 f(x(u, v = (Dω(xvu kikille x U, u, v E. Primitiiviongelm: Kun on nnettun kuvus ω : U L(E; F, millä ehdoll on olemss kuvus f : U F siten, että ω = Df? Jos ω on differentioituv, on edellisen perusteell siis välttämättä (4.6 (Dω(xuv = (Dω(xvu kikille x U, u, v E. 4.2.1. Differentilimuodoist. Kun lue U on riittävän yksinkertinen (esimerkiksi tähtimäinen 5 j ω on differentioituv, niin tällöin ehto (4.6 on myös riittävä ( klssinen todistus: ks. esim. [9, 24.3]. Ongelm on erikoistpus yleisemmästä differentilimuotoihin liittyvästä ongelmst. Differentilinen 1-muoto on kuvus ω : U L(E; F j differentilinen 2-muoto on kuvus η : U L 2 (E; F siten, että η(x(u, v = η(x(v, u kikille x U, u, v E. Tämä ilmistn myös snomll, että η(x on lternoiv bilinerikuvus kikille x U. Yleisemmin, differentilinen n-muoto on kuvus η : U L n (E; F siten, että η(x on lternoiv n-linerikuvus kikille x U. Tämä trkoitt, että η(x(v 1,..., v i,..., v j,..., v n = η(x(v 1,..., v j,..., v i,..., v n kikille v 1,..., v n E j kikille indekseille i, j {1,..., n}, i j. Merkitään lternoiven n-linerikuvusten joukko A n (E; F. Joukko A n (E; F on vruuden L n (E; F suljettu livruus, joten A n (E; F on Bnchin vruus, silloin kun F on. Siis differentilinen n-muoto on kuvus η : U A n (E; F. Differentiliselle n-muodolle η : U A n (E; F määritellään ulkoinen derivtt dη settmll n (dη(x(v,..., v j,..., v n := ( 1 j (Dη(xv j (v,..., ˆv j,..., v n j= kikille v,..., v n E. Tässä ˆv j trkoitt, että kyseinen termi jätetään pois. Huom, että Dη(x on jtkuv linerikuvus E A n (E; F, joten (v,..., v j,..., v n (Dη(xv j (v,..., ˆv j,..., v n on jtkuv (n + 1-linerikuvus. On helppo osoitt, että dη(x on lternoiv, joten differentilisen n-muodon ulkoinen derivtt on differentilinen (n + 1-muoto, dη : U A n+1 (E; F. (Huom, että kuvuksen η(x lternoivuudest seur, että (v 1,..., v n (Dη(xu(v 1,..., v n on lternoiv jokiselle u E. 5 Alue U E on tähtimäinen, jos on olemss p U siten, että jokiselle x U jn J p,x U.

4.3. TAYLORIN POLYNOMIT 3 Erityisesti, funktiolle f : U F (=differentiliselle -muodolle j differentiliselle 1-muodolle ω : U L(E; F on (df(x(v = Df(xv, (dω(x(u, v = (Dω(xuv (Dω(xvu. Siis ehto (4.6 on yhtäpitävä ehdon dω = knss. Snotn, että differentilinen n-muoto η : U A n (E; F on suljettu, jos dη =, j η on ekskti, jos on olemss differentilinen (n 1-muoto ω : U A n 1 (E; F siten, että η = dω. Voidn osoitt, että in d(dω =, t.s. ekskti muoto on in suljettu. (Tämä on itse siss seurust toisen derivtn symmetrisyydestä; hiemn lskemist tosin trvitn. Primitiiviongelm hiemn yleisempi ongelm on: milloin suljettu muoto on ekskti? Yksinkertisen myönteisen vstuksen kysymykseen nt Poincrén lemm: Jos F on Bnchin vruus, U E on tähtimäinen j η on lueess U suljettu differentilinen n-muoto, niin tällöin η on ekskti. Tpus n = 1 on melko helppo. Oletetn yksinkertisuuden vuoksi, että U on tähtimäinen origon suhteen. Olkoon ω lueess U suljettu (jtkuvsti differentioituv differentilinen 1-muoto. Asetetn f(x := ω(t xx dt. Huom: differentilinen 1-muoto on kuvus ω : U L(E; F, joten ω(t xx F kikille x U j t [, 1]. Suorviivisell lskull (prmetrist riippuvn integrlin derivointi; todistetn myöhemmin luseen 6.2 sdn Df(xu = ( t (Dω(t xux + ω(t xu dt. Kosk ω on suljettu, on (Dω(xuv (Dω(xvu = kikille x U, u, v E. Siis Df(xu = = ( t (Dω(t xxu + ω(t xu dt = 1 (t ω(t xu = ω(xu, d(t ω(t x u dt dt joten Df = df = ω. Poincrén lemm: [14, Ch. V, 4], [2, Ch. 1, 2.12 13], [5, Supplement 6.4A] 4.3. Tylorin polynomit [4, XIII, 6], [14, Ch. I, 4], [1, Ch. 1, 5.5 5.6], [3, VIII.14], [8, Ch. I, 3.2], [15, Ch. V, 9], [5, 2.4.15] Tässä esitettävät Tylorin kvn/luseen vektorirvoiset versiot lienevät peräisin Grvesilt [1]. Prit (E,, (F,,... ovt Bnchin vruuksi, ellei toisin minit.

n kert jtkuvsti derivoi- Luse 4.8 (Tylorin kv I. Olkoon f : [, b] F tuv kuvus. Tällöin 4.3. TAYLORIN POLYNOMIT 31 f(b = f( + f ((b + 1 f ((b 2 + + 1 f (n 1 ((b n 1 + R 2! (n 1! n, missä jäännöstermi R n on R n = b 1 f (n (t(b t n 1 dt. (n 1! Todistus. Todistetn väite induktioll luvun n suhteen. Tpuksess n = 1 on Anlyysin perusluseen nojll R 1 = b f (t dt = f(b f(. Olkoon nyt n = 2. Osittisintegroinnill (u(t := f (t j v(t := (b t sdn b b f(b f( = f (t dt = u(t v (t dt = b b f (t( (b t + f (t(b t dt. Tylorin kv tpuksess n = 2 seur tästä. Yleinen tpus: Oletetn, että väite pätee, kun oiken puolen summss on k termiä sekä jäännöstermi R k = b 1 f (k (t(b t k 1 dt. (k 1! Osittisintegrointikvn mukn (u(t := f (k (t j v(t := (b tk on k! R k = b Induktio-oletuksen mukn on u(t v (t dt = 1 k! f (k ((b k + b 1 f (k+1 (t(b t k dt. k! f(b = f( + f ((b + 1 f ((b 2 + + 1 f (k 1 ((b n 1 + R 2! (k 1! k. Sijoittmll tähän R k edellisestä kvst j järjestämällä termit uudestn, sdn Tylorin kv tpuksess k + 1. Kurssill Anlyysi 3 käytetty menetelmä Tylorin kvn todistmiseksi (ks. [A3, luse 2.3] ei ole erityisen hyvä, kosk se perustuu relirvoisen funktion välirvoluseeseen, joten tämä menetelmä ei yleisty vektorirvoisille kuvuksille. Kuten edeltä ilmenee integrlijäännösterminen muoto sen sijn voidn todist kivuttomsti vektorirvoisillekin kuvuksille, j siitä on helppo joht edellä minittu kurssin Anlyysi 3 lusett vstv tulos; vrt. jäljempänä olevn seurukseen 4.11. Seurvss Tylorin luseess funktion derivoituvuusvtimust on lievennetty huomttvsti; tulos seur nätisti välirvoepäyhtälöstä 3.2. [8, Ch. I, 3.2]: Luse 4.9 (Tylorin luse I. Olkoot (F, normivruus j f : [, b] F kuvus, joll pisteessä c [, b] on derivtt f (n (c. Tällöin f(x = f(c + f (c(x c + 1 2! f (c(x c 2 + + 1 n! f (n (c(x c n + R n (x, missä jäännöstermille R n (x on R n (x, kun x c. (x c n

Todistus. Derivtn määritemän nojll 4.3. TAYLORIN POLYNOMIT 32 f(x f(c f (c(x c x c Tpuksess n = 1 väite on siis tosi. Asetetn, kun x c. F (x := f(x f(c f (c(x c 1 2! f (c(x c 2 1 n! f (n (c(x c n. Tällöin F = R n j F (x = f (x f (c f (c(x c 1 (n 1! f (n (c(x c n 1 on derivtn f stett n 1 olev Tylorin polynomi vstv jäännöstemi. Oletetn, että väite pitää pikkns funktiolle f j kertluvulle n 1. Tällöin jokiselle ε > on olemss δ > siten, että vstvlle jäännöstermille F (x pätee F (x ε x c n 1, kun x c δ. Kun sovelletn lusett 3.2 kuvukseen F j funktioon g(x := { ε x n c n, kun x > c, j ε x n c n, kun x < c, sdn F (x ε n x c n, kun x c δ. Vektorimuuttujn kuvuksille sdn: Luse 4.1 (Tylorin kv II. Olkoot U E voin j f : U F n kert jtkuvsti differentioituv kuvus. Olkoot x, y U siten, että J x,y U. Tällöin f(y = f(x+df(x(y x+ 1 2! D2 f(x(y x (2 + + 1 (n 1! Dn 1 f(x(y x (n 1 +R n, missä jäännöstermi R n on R n = (1 t n 1 (n 1! j (y x (k := (y x,..., y x (k kpl. D n f((1 t x + t y(y x (n dt Todistus. Sovelletn lusett 4.8 välillä [, 1] määriteltyyn kuvukseen t f((1 t x + t y. Seurus 4.11 (Tylorin luse II. Edellisen luseen oletuksin j merkinnöin: f(y = f(x + Df(x(y x + 1 2! D2 f(x(y x (2 + + 1 n! Dn f(x(y x (n + R n (y, missä jäännöstermille R n (y on voimss R n (y, kun y x. y x n

Todistus. Kosk R n (y = (1 t n 1 (n 1! (1 t n 1 (n 1! 4.3. TAYLORIN POLYNOMIT 33 dt = 1 n!, sdn ( D n f((1 t x + t y D n f(x (y x (n dt. Siis R n (y 1 y x (1 t n 1 n (n 1! D n f((1 t x + t y D n f(x dt. Väite seur derivtn D n f jtkuvuudest. Huomutus 4.12. Anlogin vuoksi kuvust E F, h D k f(xh (k, kutsutn muuttujn h polynomiksi. Trkemmin: Homogeeninen, stett k olev polynomi on kuvus E F, h Bh (k = B(h,..., h, missä B L }{{} k (E; F ; stett k kpl noll olev homogeeninen polynomi on vkio. Kuvus p: E F on enintään stett n olev polynomi, jos on olemss homogeeniset, stett k olevt polynomit B k, k n, siten, että p(h = B + B 1 h + B 2 h (2 +... B n h (n. Homogeenisen, stett k olevn polynomin B k h (k = B(h,..., h esityksessä käytetty k-linerinen kuvus B k L k (E; F voidn olett muuttujiensä symmetriseksi kuvukseksi, B k (h σ(1,..., h σ(k = B k (h 1,..., h k kikille h 1,..., h k E j kikille permuttioille σ : {1,..., k} {1,..., k}. Vstvnlinen yksikäsitteisyysominisuus kuin euklidisen vruuden kuvuksille [DL2, Luse 2.6] pätee myös Bnchin vruuden tpuksess: Olkoot U E voin j f : U F n kert jtkuvsti differentioituv kuvus. Olkoot x U j r > siten, että B(x; r U. Oletetn, että on olemss enintään stett n olev polynomi p siten, että kikille y B(x; r on voimss kehitelmä missä jäännöstermille ϱ(y on Tällöin f(y = p(y + ϱ(y, ϱ(y, kun y x. y x n p(y = f(x + Df(x(y x + 1 2! D2 f(x(y x (2 + + 1 n! Dn f(x(y x (n. Huom, että kun B k : E F on homogeeninen, stett k olev polynomi j x E, niin y B k (y+x on muuttujn y suhteen enintään stett k olev polynomi. Polynomi p(y voidn siis esittää muodoss p(y = B + B 1 (y x + B 2 (y x (2 +... B n (y x (n, missä B k, k n, ovt homogeenisi, stett k olevi polynomej. Polynomeist: [1, Ch. 1, 6 7], [5, 2.2B]. Huomutus 4.13. Tylorin luse 4.11 voidn kääntää seurvsti ([5, Thm. 2.4.15; Supplement 2.4B]: Merkitään kikkien jtkuvien, symmetristen n-linerikuvusten joukko L n,s (E; F. Oletetn, että on olemss (i voin joukko Ũ E E, (ii jtkuvt kuvukset ϕ j : U L j,s (E; F, 1 j n, j (iii jtkuv kuvus R n : Ũ L n,s(e; F

4.3. TAYLORIN POLYNOMIT 34 siten, että joukoll Ũ on ominisuudet U {} Ũ, x + th U, kun (x, h Ũ j t [, 1], j jos (x, h Ũ, niin x U, j kuvuksille ϕ j j R n on voimss f(x + h = f(x + ϕ 1 (xh + 1 2! ϕ 2(xh (2 + + 1 n! ϕ n(xh (n + R n (x, hh (n, missä jäännöstermille R n (x, h on voimss R n (x, h, kun h. Tällöin f on n kert jtkuvsti differentioituv, j ϕ j (x = D j f(x j R n (x, h = (1 t n 1 (n 1! ( D n f((1 t x + t h D n f(x dt.