= + + = 4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

Samankaltaiset tiedostot
4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

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

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

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

Matematiikka B1 - TUDI

= ( F dx F dy F dz).

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

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

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitusviikkoon 5 /

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

763105P JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 1 Ratkaisut 5 Kevät 2016

kaikki ( r, θ )-avaruuden pisteet (0, θ ) - oli θ

Pintaintegraali. i j k cos(θ) sin(θ) 1. = r cos(θ)i r sin(θ)j + rk, r sin(θ) r cos(θ) 0 joten

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

f x da, kun A on tason origokeskinen yksikköympyrä, jonka kehällä funktion f arvot saadaan lausekkeesta f (x, y) = 2x 3y 2.

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

Gaussin lause eli divergenssilause 1

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

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

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

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

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

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

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

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 10: Moninkertaisten integraalien sovelluksia

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

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

(d) f (x,y,z) = x2 y. (d)

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

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

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

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

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

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

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

Esim. Liikkuvan kappaleen radiusvektori. on ajan funktio, missä komponentit x, y ja z riippuvat yhdestä muuttujasta, ajasta t.

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

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

Mat Matematiikan peruskurssi K2

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 11: Taso- ja tilavuusintegraalien sovellutuksia

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi. Toinen välikoe

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

Mat Matematiikan peruskurssi C2

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2

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

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

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

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

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

Vektorilaskenta, tentti

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

F x y z. F voidaan ymmärtää kahden vektorin. Divergenssi. Vektorikentän F( x, y, z ) divergenssi määritellään

Sisältö Sisältö 14.Useamman muuttujan funktioiden integrointi

Esim. Nopeus v, v, kiihtyvyys a ja a kun paikka on r = sin t i + cos t j + k Nopeus on nyt. v = dr dt = ṙ = dx(t) Vauhti puolestaan on.

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

Laskuharjoitus 2A ( ) Aihepiiri: Raja-arvot etc. Adams & Essex, 8th Edition, Chapter 12. z = f(x, 0) = x2 a z = f(0, y) = 02 a 2 + y2

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

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

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

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

Luennoitsija: Jukka Maalampi Luennot: , ma 9-10 ja ke Luentoja ei ole viikoilla 15 (pääsiäisviikko).

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

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 1: Moniulotteiset integraalit

Funktion derivoituvuus pisteessä

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Laskuharjoitus 7 /

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

Derivaatta: funktion approksimaatio lineaarikuvauksella.

(ks. kuva) ja sen jälkeen x:n ja y:n suhteen yli xy-tasossa olevan alueen projektion G:

b) Määritä/Laske (ei tarvitse tehdä määritelmän kautta). (2p)

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 1: Moniulotteiset integraalit

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

Differentiaalimuodot

Mat Matematiikan peruskurssi S2

Matematiikan tukikurssi

edition). Luennot seuraavat tätä kirjaa, mutta eivät orjallisesti.

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

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

Luento 5: Käyräviivainen liike. Käyräviivainen liike Heittoliike Ympyräliike Kulmamuuttujat θ, ω ja α Yhdistetty liike

TASON YHTÄLÖT. Tason esitystapoja ovat: vektoriyhtälö, parametriesitys (2 parametria), normaalimuotoinen yhtälö ja koordinaattiyhtälö.

BM20A0300, Matematiikka KoTiB1

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

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

Transkriptio:

30 VEKTORIANALYYSI Lento 4 4. Derivointi seammassa lottvdessa Osittaisderivaatta. Kerrataan alksi osittaisderivaatan käsite. Fnktio f= f( r) = f( xyz,, ) on kolmen mttjan fnktio, jonka arvo yleensä mtt, kn mikä tahansa mttjista mtt. Osittaisderivaatta kvaa sitä, miten yhden mttjan mttaminen vaikttaa fnktioon, kn mt mttjat pysyvät mttmattomina: A 1.3 f f( x+ hyz,, ) f( xyz,, ) = lim, x h 0 h f f( xy, + hz, ) f( xyz,, ) = lim, y h 0 h f f( xyz,, + h) f( xyz,, ) = lim. z h 0 h Näille käytetään sein merkintää f = x f, f = y f, f =z. x y z (Adamsin merkintä f x= f1 jne. on sikäli hono, että sen saattaa sekoittaa vektorin komponenttiin.) Esimerkki: Lasketaan skalaarikentän osittaisderivaatat. f( xyz,, ) = xy + xy+ y 3 4 4 = + + = 3 3 4 3 x f 3xy 4 xy, y f= xy x+4 y, z f 0.

31 Esimerkki: Ketjsääntö pätee myös osittaisderivointiin. Olkoon f= f( gxy (, )), missä f( g) = sin g ja gxy (, ) = xy. Toisin sanoen, f= sin( xy). Osittaisderivaatat ovat df ( g) g( x, y) x f g x y = = g xy = xy x y dg x ( (, )) (cos )( ) cos( ), df ( g) g( x, y) y f gxy = = g x = x xy dg y ( (, )) (cos )( ) cos( ). Gradientti f A 16.1 Skalaarikentälle f= f( xyz,, ) voidaan määritellä derivaatta, joka kvaa sen mttmista, kn piste (x,y,z) mtt. Tätä ktstaan gradientiksi ja määritellään (,, ) f f f xyz = i+ j+ f k. x y z Gradientti f on siis vektori, jonka komponentteina ovat fnktion f osittaisderivaatat eli f = ( f, f, f). x y z Symboli eli nabla tarkoittaa derivaattaoperaattoria i = + j+ k. x y z Josks gradientista käytetään myös merkintää f = grad f. Jotkt lisäävät nablan päälle nolen, ettei sen vektorilonne nohtisi, siis f.

3 Kaksilotteisessa tapaksessa (( xy-taso), ) gradientti on i = +. j x y Esimerkki: Fnktion f ( x, y, z) = xy + z gradientti on ( ) ( ) f = xy + z i + xy + z j + ( xy + z) k x y z = yi+ xj + k. Gradientti f on vektori. Mikä merkitys sen snnalla on? Origosta lähtevä polisora S määrittää jonkin ( xyz,, ) -avarden snnan. Olkoon dr = dx i+ dy j + dz k tähän sntaan osoittava paikkavektorin mtos. Silloin ( ) f f f f dr i j k = + + dx i+ dy j + dz k x y z f f f = dx + dy + dz x y z = df = f : n kokonaisdifferentiaali. Tämä tlos eli

33 df = f dr kertoo, että fnktio f kasvaa nopeiten gradienttinsa snnassa. Silloin nimittäin f dr = f dr cos θ = f dr. Kn piste r= ( xyz,, ) liikk avardessa niin, että sen mtos dr on aina kohtisorassa gradienttia f vastaan, fnktion f arvo ei mt eli df = 0. Piste piirtää avarteen pinnan, jossa f( xyz,, ) = vakio, niin sanotn tasa-arvopinnan (kaksilotteisessa tapaksessa tasa-arvokäyrän). Gradientti f on tasa-arvopinnan normaali, joten normaalin sntainen yksikkövektori n on f n = ±. f ------------------------------------------------------------ Matemaattinen välisoitto: Yhden mttjan fnktiota f( x ) sanotaan differentioitvaksi pisteessä x, jos on olemassa lk f '( x ) ja fnktio g( dx ) siten, että f ( x + dx) f ( x) = f '( x) dx + g( dx), missä g( dx) dx 0, kn dx 0. Useamman mttjan fnktion f= f( xyz,, ) tapaksessa f on differentioitva pisteessä r, jos osittaisderivaatat

34 f, f, f ovat olemassa ja on olemassa fnktio x y z g( dr ) siten, että f ( r + dr ) f ( r ) = f ( r ) dr + g( dr ), missä g( dr ) dr 0, kn dr 0. ------------------------------------------------------------- Esimerkki (Adamsista): Lasketaan fnktion f( xy, ) x y = + gradientti pisteessä (1,). f xy = i + j x + y x y = i ( x + y ) + j ( x + y ) x y = xi+ yj, (, ) ( ) joten f(1, ) = i+ 4 j. Pisteessä (1,) f (1, ) = 5, joten vektori f(1, ) = i+ 4 j on fnktion f tasa-arvokäyrän f( xy, ) = 5 normaali pisteessä (1,). Tasa-arvokäyrä on 5 -säteinen ympyrä. Esimerkki: R-säteisen pallon yhtälö on Merkitään x + y + z = R. f xyz x y z (,, ) = + +.

35 Tämän gradientti on f = ( x + y + z ) i + ( x + y + z ) j x y + ( x + y + z ) k z = xi+ yj + zk =. r Pinnan yksikkönormaali lospäin pisteessä r on f r n = = r f r eli paikkavektorin sntainen yksikkövektori. Pallon pinta on tasa-arvopinta. Siellä f = R = vakio, ja gradientti f on kohtisorassa pintaa vastaan. Tangenttitason yhtälö. Olkoon f( xyz,, ) jokin fnktio ja f( xyz,, ) = vakio eräs sen määrittelemä pinta. Olkoon r0 = ( x0, y0, z0) jokin piste tällä pinnalla. Etsitään gradienttia hyväksi käyttäen tähän pisteeseen piirretyn pinnan tangenttitason yhtälö. Gradientti f( x0, y0, z0) on pinnan normaalin sntainen vektori, joten kaikki tangenttitasossa olevat vektorit r r 0 ovat kohtisorassa sitä vastaan: f( r ) ( r r ) = 0. 0 0

36 Tämä on tangenttitason yhtälö (saadaan lasketta tästä). Esimerkki: Olkoon f ( x, y, z) = 3 xy + z. Johdetaan pisteeseen r 0 = (1,1,1) piirretyn tangenttitason yhtälö. Pinta on f( xyz,, ) = 3 1 1+ 1 = 4. Gradientti on f ( x, y, z) = 3yi+ 3xj + zk, joten f( r 0) ( r r0) = (3i + 3 j+ k) ( ( x 1) i + ( y 1) j+ ( z 1) k) = 3( x 1) + 3( y 1) + ( z 1) = 3x+ 3y+ z 8. Tangettitason yhtälö on siten 3x+ 3y+ z = 8. Snnatt derivaatta. Josks on tarpeen tietää, miten fnktion f( xyz,, ) arvot mttvat, kn siirrytään pisteestä r jonkin tietyn vektorin sntaan. Tällöin dr = dr = dr, A 1.7 missä û on :n sntainen yksikkövektori. Merkitään dr d. Fnktion kokonaisdifferentiaaliksi pisteessä r saamme df = f dr = f ( d ). Tästä seraa df d = f = cos θ f, jossa θ on gradientin f ja vektorin û

37 välinen klma. Tämä on fnktion f snnatt derivaatta sntaan û 0. Snnatta derivaattaa merkitään sein myös D f = f. Koska cosθ on välillä -1 +1, ovat snnatn derivaatan arvot välillä f D f f. Snnatlla derivaatalla on srin positiivinen arvo gradientin snnassa ja srin negatiivinen arvo vastakkaisessa snnassa. Kn f, snnatt derivaatta on nolla. Snnatt derivaatta koordinaattiakselin snnassa on sama kin osittaisderivaatta, esimerkiksi snnassa û = i Df i = i f f f f i + j+ k =. x y z x x Esimerkki: Lasketaan fnktion f( xy, ) = snnatt 1 + y derivaatta vektorin = i+ j sntaan pisteessä (1,1). Ensin pitää laskea f:n gradientti: x x f = i + j f i j x y = + 1+ y 1+ y 4xy = i +. j 1 + y (1 + y ) Snnatt derivaatta on x y

38 i+ j 411 D (1,1) ( f = f = i + j) 1 + 1 1+ 1 (1+ 1 ) 1 1 = = 0. Voimme päätellä tästä, että vektori on pisteessä (1,1) fnktion tasa-arvopinnan f = 1 (fnktion arvo pisteessä (1,1) on 1) sntainen. Esimerkki: Lasketaan fnktion 3 f ( x, y, z) = x z + y z xyz snnatt derivaatta sntaan = ( 1, 0,3). fnktio kasvaa voimakkaimmin ja pienenee voimakkaimmin pisteessä (1,1,1)? Lasketaan ensin f:n gradientti: Mihin sntaan 3 f ( x, y, z) = ( i x + j y + k z)( x z + y z xyz) 3 = ( xz yz) i + (3 y z xz) j + ( x + y z xy) k Snnatt derivaatta on

39 Df ( xyz,, ) = f ( 1) i+ 0 j+ 3 k = [ ( xz yz) i ( 1) + 0 + 3 3 + (3 y z xz) j + ( x + y z xy) k = 1 3 xz yz + y z xz + 10 10 x + y z xy = ( 1 3 3 )(3x + 6y z 3xy xz + yz). 10 3 ( )( ) 0 (3 ) ( )( ) ] On tärkeää mistaa, että snnatn derivaatan lasekkeessa sntavektori on yksikkövektori. Tässä esimerkissä snta oli annett vektorilla, joka ei ole yksikkövektori. Se piti normittaa yksikkövektoriksi eli jakaa pitdellaan. Fnktio kasvaa voimakkaimmin gradientin sntaan ja pienenee voimakkaimmin tätä vastakkaiseen sntaan. Pisteessä (1,1,1) gradientti on f(1,1,1) = i+ j+ k eli fnktio kasvaa voimakkaimmin vektorin = i+ j+ k sntaan ja pienenee voimakkaimmin vektorin v = i j k sntaan.

40 Tarkastellaan lopksi snnatn derivaatan geometrista merkitystä kvan avlla. Kvassa pystyakseli kvaa fnktion f( xy, ) arvoja. Kvaan on piirretty eräs fnktion tasa-arvopinta (vihreä). ( xy-tasoon, ) on piirretty soran (pnainen) modossa snta, johon snnatt derivaatta haltaan laskea. Tämän soran katta klkevan pystysoran tason ja pinnan leikkas on em. tasossa oleva käyrä (keltainen). Fnktion f( xysnnatt, ) derivaatta ( xytason pisteessä A on, ) vastaavaan kohtaan em. käyrälle piirretyn tangentin (sininen) klmakerroin. Se siis kertoo, miten jyrkkä pinta siinä kohtaa on annettn sntaan edettäessä.