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

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

2 dy dx 1. x = y2 e x2 2 1 y 2 dy = e x2 xdx. 2 y 1 1. = ex2 2 +C 2 1. y =

x (t) = 2t ja y (t) = 3t 2 x (t) + + y (t) Lasketaan pari käyrän arvoa ja hahmotellaan kuvaaja: A 2 A 1

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

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

π( f (x)) 2 dx π(x 2 + 1) 2 dx π(x 4 + 2x 2 + 1)dx ) = 1016π 15

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

y (0) = 0 y h (x) = C 1 e 2x +C 2 e x e10x e 3 e8x dx + e x 1 3 e9x dx = e 2x 1 3 e8x 1 8 = 1 24 e10x 1 27 e10x = e 10x e10x

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

3 = Lisäksi z(4, 9) = = 21, joten kysytty lineaarinen approksimaatio on. L(x,y) =

BM20A5810 Differentiaalilaskenta ja sovellukset Harjoitus 5, Syksy 2016

lnx x 1 = = lim x = = lim lim 10 = x x0

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

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

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

Fr ( ) Fxyz (,, ), täytyy integroida:

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

Derivointiesimerkkejä 2

Matematiikan tukikurssi

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

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

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

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

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

= + + = 4. Derivointi useammassa ulottuvuudessa

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

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

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

Matematiikka B1 - TUDI

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Harjoitus 4/ Syksy 2017

ja B = 2 1 a) A + B, b) AB, c) BA, d) A 2, e) A T, f) A T B, g) 3A (e)

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Matematiikan tukikurssi

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

Differentiaalilaskennan tehtäviä

ja B = 2 1 a) A + B, b) AB, c) BA, d) A 2, e) A T, f) A T B, g) 3A (e) A =

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

Sivu 1 / 8. A31C00100 Mikrotaloustieteen perusteet: matematiikan tukimoniste. Olli Kauppi

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

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

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

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

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

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

Matematiikan tukikurssi

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

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

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

mlvektori 1. Muista, että Jacobin matriisi koostuu vektori- tai skalaariarvoisen funktion F ensimmäisistä

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

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Ratkaisut viikko 3

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

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

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 4: Taso- ja avaruuskäyrät

= 9 = 3 2 = 2( ) = = 2

= ( F dx F dy F dz).

Vektoriarvoiset funktiot Vektoriarvoisen funktion jatkuvuus ja derivoituvuus

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

BM20A0300, Matematiikka KoTiB1

Lauseen erikoistapaus on ollut kevään 2001 ylioppilaskirjoitusten pitkän matematiikan kokeessa seuraavassa muodossa:

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

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

Differentiaaliyhtälöt I Ratkaisuehdotuksia, 2. harjoitus, kevät Etsi seuraavien yhtälöiden yleiset ratkaisut (Tässä = d

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

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

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

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

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

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

= ( 1) 2 u tt (x, t) = u tt (x, t)

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Luento 2: Liikkeen kuvausta

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

LASKIN ON SALLITTU ELLEI TOISIN MAINITTU! TARKISTA TEHTÄVÄT KOKEEN JÄLKEEN JA ANNA PISTEESI RUUTUUN!

Solmu 3/2001 Solmu 3/2001. Kevään 2001 ylioppilaskirjoitusten pitkän matematiikan kokeessa oli seuraava tehtävä:

5 Differentiaaliyhtälöryhmät

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

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

Funktion derivoituvuus pisteessä

Differentiaali- ja integraalilaskenta

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 8: Newtonin iteraatio. Taso- ja avaruusintegraalit

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitusviikkoon 5 /

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

Matematiikan tukikurssi

Transkriptio:

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 2, Kevät 2017 Tässä harjoituksessa ja tulevissakin merkitään punaisella tähdellä sellaisia tehtäviä joiden tyyppisten osaamattomuus tentissä/välikokeessa johtaa automaattisesti arvosanaan 0. Pääosin nämä "tähtitehtävät" ovat yksinkertaisemmasta päästä olevia mekaanisia tehtäviä. Tässä harjoituksessa niitä on ehkäpä harvinaisen paljon. Ja syytä on muistaa ettei pelkästään näiden osaaminen tähtitehtävien osaaminen välttämättä takaa kurssin läpäisyä. Päivityksiä: 1. Muodosta gradientit seuraaville funktioille. a f x,y 3x 2 + 5y b f x,y xe c f x,y,z e x+2y cos1 + z 2 x,y,z lnx + y + z a 6xi + 5j b e + 1i + x 2 e j c e x+2y cos1 + z 2 i + 2e x+2y cos1 + z 2 j + 2ze x+2y sin1 + z 2 k d + ylnx + y + z i + + xlnx + y + z j + k x + y + z x + y + z x + y + z 2. Muodosta gradientti funktiolle f. Mikä on gradientti pisteessä P? a f x,y 2x x y, P 3,1 b f x,y x sin, P 1, π 2 c f x,y x y 2 + z 2, P 2, 3,4 x,y,z x2 y z 3xz4, P 2,2,1 a 2x y 2x f x,y x y 2 2x i + x y 2 j, f 3,1 1 i + 2 3 j 2 b f x,y sin + cosi + x 2 cos j, f 1, π 2 i c y z f x,y,z i + j + k, f 2, 3,4 i + 3 y 2 + z 2 y 2 + z 2 5 j + 4 5 k

d 2 f x,y,z z 3z4 i + x 2 z j + x2 y + 12xz 5 z 2 k, f 2,2,1 5i + 4j 32k 3. a Kun t 0, laske ketjusäännöllä kun f x,y x 4 + sinyx ja yt 2t, xt t 3. b Kun s 2, laske ketjusäännöllä dz kun zt,u u2 t 4 ja us 9, ts s 4. c Laske ketjusäännöllä dg kun gx,y,z,t tx + 2y + z 3, xt t + 1, yt t 4 ja zt t 2. d Laske edellisen kohdan tapauksessa dg sijoittamalla ensin x, y ja z funktion g lausekkeeseen. a f x,y x 4 + sinyx xt 2t xt t 3 dx x + dy y 4x 3 + cosy3t 2 + cosy2 12x 3 t 2 + 3t 2 ycosyx + 2ycosyx Kun t 0 2ycosyx t0 b zt,u u 2 t 4 us 9 ts s 4 dz z + z u du 4u 2 t 3 4s 3 + 2ut 4 0 16u 2 t 3 s 3 Kun s 2 dz s2 16 8u 2 t 3 c gx,y,z,t tx + 2y + z 3 tx + 2yt + z 3 xt t + 1 yt t 4 zt t 2 dg g dx x + g dy y + g z dz + g t1 + 2t4t 3 + 3z 2 2t + x + 2y t + 8t 4 + 6z 2 t + x + 2y t + 8t 4 + 6t 5 +t + 1 + 2t 4 6t 5 + 10t 4 + 2t + 1 d gt tt + 1 + 2t 4 t + t 2 3 t 2 +t + 2t 5 +t 6 g t 2t + 1 + 10t 4 + 6t 5 Huomataan, ett% g t p% % tyy samaan muotoon, laskimme sen ketjus% % nn^ll% tai k% ytt% en suoraa sijoitusta. N% in toki pit% % ollakin.

4. Tarkastellaan pintaa z f x, y. Piirrä näkyville muutamia tämän pinnan tasa-arvokäyriä sellaisia käyriä, joilla f x,y c vakio. Laske f :n gradientti. Piirrä näkyviin gradienttivektori haluamaasi pisteeseen, joka kuuluu jollekin piirtämällesi tasa-arvokäyrälle. Mitä havaitaan? a z f x,y x + y + 2 b z f x,y x 2 + 4y 2 a c x + y + 2 y x + 2 c. Tasa-arvokäyrät ovat siis suoran y x suuntaisia suoria. f i+j. Mihin tahansa pisteeseen gradienttivektori piirretäänkin, pointti on selvä; se on kohtisuorassa tasa-arvokäyrien kanssa ja tämähän ei ole yllätys. b c x 2 + 4y 2. Tasa-arvokäyrät ovat sisäkkäisiä ellipsejä. Jos vaikkapa c 1, saamme ellipsin joka leikkaa x-akselin pisteissä x ±1, ja y-akselin pisteissä y ± 1 2. Kaikki ellipsit ovat siis saman muotoisia, mutta eri kokoisia. f 2x i + 8y j. Valitaan vaikkapa joku äsken mainituista pisteistä; jälleen kerran gradienttivektori on tasa-arvokäyrän kanssa kohtisuorassa. 5. a -tason suuntaisen pinnan lämpötila noudattaa funktiota f x,y x 2 + 2y 3. Pieni ötökkä kulkee pinnalla elliptistä rataa, joka voidaan ilmoittaa muodossa rt xti + ytj sinti + cos2tj. Ötökän havaitsema lämpötila ajanhetkellä t voidaan siis kirjoittaa muotoon f xt,yt. Mikä on ötökän havaitseman lämpötilan muutos ajanhetkellä t? Vinkki: ketjusääntö. b Laske funktion f x,y,z x+y x+z gradientti. Mikä on gradientin arvo pisteessä 1,2,3? a ˆf t f x r x + f y r y 2x x +6y 2 y 2sintcost+6cos 2 2t[ 2sin2t] 2sintcost 12cos 2 2tsin2t. b f x,y,z z y x+z 2 i + 1 x+z j x+y x+z 2 k f 1,2,3 1 16 i + 1 4 j 3 16 k 6. a Tunnemme funktiot f x,y,z x 2 + 3y 2 + 2z 2, xt,s t + s, yt,s t 2 + s 2, zt,s t s. Laske ketjusääntöä luentomonisteesta löytyviä ketjusäännön kaavoja käyttämällä ja. Huom: Esein merkitään kun tahdotaan korostaa että sijoitusten jälkeen funktio riippuu pohjimmiltaan kahdesta muuttujasta s ja t jotka ovat riippumattomia toisistaan. Näin tehdään myös luentomonisteessa. Tarkemmin sanoen, olemme käyttäneet merkinnän tulkintana " f :n muutosnopeus muuttujan t suhteen kun s pysyy vakiona". Jos s:n ja t:n välillä on mahdollisesti tuntematon kytkentä, käytännön kannalta relevantti informaatio muutosnopeuksista on usein, ei. Jos kytkentää muuttujien välillä ei ole niin, ja tälläiseen tilanteeseen tottuneena merkintää tulee helposti käytettyä silloinkin kun ei sitä tarkoita! Ja käyttävätpä jotkut tarkoituksellisesti merkintää silloinkin kun kytkentä t:n ja s:n välillä on olemassa, tällöin sen merkitys on tietysti erilainen kuin mihin olemme tottuneet. On siis aika paljon lukijan vastuulla että ymmärtää tilanteen, jotta voi ymmärtää merkintöjen merkityksen : Tiukoista standardeista olisi joskus kyllä hyötyäkin. b Tunnemme funktiot w tan 1 xz + y z, x t, y t2, z sinkt, missä k R. Laske dw. ja a x x + y y + z z 2t + s + 6t 2 + s 2 2t + 4t s. x x + y y + z z 2t + s + 6t2 + s 2 2s 4t s. b dw z 1+x 2 z 2 z 1+x 2 z 2 2zt y 2 + 1 + z y 2 x 1+x 2 z 2 + 1 y 2t + x cosktk 1+x 2 z 2 + 1 y cosktk

7. Mietitään nyt funktiota f x,y 2x + y kun x s 2 +t ja y t 2 s. i Laske käyttäen ketjusääntöä x x + y y. Laske samoin myös ii Laske f :n derivaatta t:n suhteen sijoittamalla ensin x:n ja y:n lausekkeet ja sitten derivoimalla, ja olettamalla että s ei riipu t:stä. iii Jos nyt tiedettäisiinkin että s 2 + 3t niin mikä olisi f :n derivaatta t:n suhteen. Käytä tässä ensin ketjusääntöä dy ja laske myös tarvittavat derivaatat dx ja dy ketjusäännöllä. x dx + y käytetään kun tarkoite- Huomaa että tässä tehtävässä todellakin taan.. Valitettavan usein kuitenkin merkintää iv Ajattelemalla f :ää muuttujien t ja s funktiona, perus ketjusääntö kertoo että + avulla että jos tilanne on kuin kohdassa ii niin i. Osoita nyt tämän f x,y 2x + y xt s 2 +t yt t 2 s x x + y y 21 + 12t 2t + 2 x x + y y 22s + 1 1 4s 1 ii f 2x + y 2s 2 +t +t 2 s 2s 2 + 2t t 2 s 2 + 2t iii s 2 + 3t Nyt, koska s:n on t:n funktio erona edellisiin kohtiin, p% teekin dx x ja dy y + x + y Saadaan siis x x + y y x [ ] x + x + y [ ] y + y 2[2s3 + 1] + 1[ 13 + 2t] 2[6s + 1] + [ 3 + 2t] 12s + 2 3 + 2t 12s + 2t 1 iv x x + y y ja dx x + dy y Koska x dx ja y dy, lausekkeet ovat identtiset. 8. Oletetaan että funktio z f x,y 1 4 yx2 + 1 2 y2 ilmoittaa maaston korkeuden. i Jos seisomme pisteessä 2,1, ja lähdemme kävelemään suoraan kohti itää, kuinka jyrkkää ylä/alamäkeä lähdemme kulkemaan? Entä jos lähtisimmekin

suoraan kohti etelää? ii Jos seisomme pisteessä 0,0, ja haluamme syystä tai toisesta kulkea sellaista reittiä, että maastonkorkeus ei muutu, niin mikä tulee reittimme olemaan? Ilmoita tämä -tason tasokäyränä. i z x 1 z 2yx y 1 4 x2 +y Jos sijoitetaan piste x 2,y 1 ensimmäiseen osittaisderivaattaan, saadaan z x 1 2,1 2 1 2 1. Lähtisimme siis etenemään 45 astetta jyrkkää ylämäkeä. Jos sijoitetaan piste x 2,y 1 toiseen osittaisderivaattaan, saadaan z 1 2,1 4 22 + 1 2. Tämä kertoisi meille mäen jyrkkyyden lähdettäessä kohti pohjoista vektorin j suuntaan, mutta sitähän ei kysytty. Etelään lähdettäessä kulkisimme siis kohti alamäkeä, jonka jyrkkyys on tan 1 2 1. ii z f x,y 1 4 yx2 + 1 2 y2. f 0,0 0. Etsitään siis sellaista tasa-arvokäyrää, jolla 0 1 4 yx2 + 1 2 y2. 1 4 yx2 1 2 y2. yx 2 2y 2. x 2 2y. 1 2 x2 y. Kyseinen reitti on muodoltaan paraabeli. Kohdassa jaetaan puolittain y:llä, ja tässä kadotetaan y 0 mahdollisten ratkaisujen joukosta. x

Vastauksia: Teht.#1: a 6xi + 5j b e + 1i + x 2 e j c e x+2y cos1 + z 2 i + 2e x+2y cos1 + z 2 j + 2ze x+2y sin1 + z 2 k d x+y+z + ylnx + y + z i + x+y+z + xlnx + y + z j + x+y+z k Teht.#2: a f 3,1 1 2 i + 32 j b f 1, π 2 i c f 2, 3,4 i + 3 5 j + 4 5 k d f 2,2,1 5i + 4j 32k Teht.#3: a 0, b 2 19 9 2, c 1 + 2t + 10t 4 + 6t 5, d 1 + 2t + 10t 4 + 6t 5 Teht.#4: a Tasa-arvokäyrät ovat suoran y x suuntaisia suoria. Havaitaan että... b Tasa-arvokäyrät ovat sisäkkäisiä ellipsejä. Havaitaan että... Teht.#5: a 2sintcost 12cos 2 2tsin2t b f 1,2,3 16 1 i + 1 4 j 16 3 k Teht.#6: a 2t + s + 6t 2 + s 2 2t + 4t s ja 2t + s + 6t 2 + s 2 z 2s 4t s, b 2zt + x + 1 1+x 2 z 2 y 2 1+x 2 z 2 y cosktk Teht.#7: i 2 + 2t ja 1 + 4s ii 2 + 2t iii 23 + 38t Teht.#8: i Itään kulkiessa lähtisimme etenemään 45 astetta jyrkkää ylämäkeä ii Pitäisi kulkea erästä paraabelia tai erästä suoraa pitkin.