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

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

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

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

12. Hessen matriisi. Ääriarvoteoriaa

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

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

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

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

Matematiikan tukikurssi

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

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

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

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

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

Matematiikan tukikurssi

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

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

1 Rajoittamaton optimointi

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Laskuharjoitus 4 / vko 40

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

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

Näihin harjoitustehtäviin liittyvä teoria löytyy Adamsista: Ad6, Ad5, 4: 12.8, ; Ad3: 13.8,

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

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

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

Vektorilaskenta, tentti

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

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

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

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

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

Matriisit ja optimointi kauppatieteilijöille P

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

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

Luento 9: Newtonin iteraation sovellus: optimointiongelma

Matriisit ja optimointi kauppatieteilijöille P

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Matematiikka B1 - TUDI

Matemaattinen Analyysi / kertaus

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

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

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

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

Ominaisarvoon 4 liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax = 4x eli yhtälöryhmän x 1 + 2x 2 + x 3 = 4x 1 3x 2 + x 3 = 4x 2 5x 2 x 3 = 4x 3.

Matematiikan tukikurssi

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

Taustatietoja ja perusteita

Ratkaisuehdotus 2. kurssikoe

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Mat Matematiikan peruskurssi C2

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

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

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

6. Differentiaaliyhtälösysteemien laadullista teoriaa.

Ratkaisuehdotus 2. kurssikokeeseen

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

Matematiikan tukikurssi

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

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

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

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

Matematiikan tukikurssi

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

Taloustieteen matemaattiset menetelmät - pikakertausta ja toimintaohjeita Kurssin 1. osa

. 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

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Matematiikan tukikurssi

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

Ratkaisuehdotukset LH 7 / vko 47

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

Matriisilaskenta Laskuharjoitus 5 - Ratkaisut / vko 41

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

6 Variaatiolaskennan perusteet

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Matematiikan tukikurssi. Toinen välikoe

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

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

6 MATRIISIN DIAGONALISOINTI

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

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

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

MATEMATIIKAN ALKEET II (YE19B), SYKSY 2011

Insinöörimatematiikka D

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

Harjoitus Tarkastellaan luentojen Esimerkin mukaista työttömyysmallinnusta. Merkitään. p(t) = hintaindeksi, π(t) = odotettu inflaatio,

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

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

YLE11, MATEMATIIKKAA TALOUSTIETEILIJÖILLE

Käänteismatriisi 1 / 14

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

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

Transkriptio:

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat. Jarmo Malinen Matematiikan ja systeemianalyysin laitos 1 Aalto-yliopisto Kevät 2016 1 Perustuu Antti Rasilan luentomonisteeseen vuodelta 2015. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 1 / 17

Kertausta: ääriarvot yhden muuttujan tapauksessa Funktiolla f : I R R on lokaali (paikallinen) maksimi pisteessä a I, jos f (x) f (a) kaikilla x:n arvoilla jossakin a:n ympäristössä (eli riittävän lähellä pistettä a). Vastaavasti lokaali minimi tarkoittaa sitä, että f (x) f (a) jossakin a:n ympäristössä. Maksimi tai minimi on globaali, jos kyseinen epäyhtälö on voimassa kaikilla x I. Ääriarvoja voi esiintyä: (i) Funktion f kriittisissä pisteissä f (x) = 0, (ii) pisteissä joissa f :n derivaatta ei ole määritelty, ja (iii) määrittelyjoukon I reunalla. Seuraavaksi yleistetään näitä ehtoja funktion f : D R n R tapaukseen. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 2 / 17

Ääriarvot ja usean muuttujan funktiot Funktiolla f : D R n R on pisteessä x 0 D lokaali maksimi, jos f (x) f (x 0 ) jossakin pisteen x 0 ympäristössä. Vastaavasti f : D R n R on pisteessä x 0 D lokaali minimi, jos f (x) f (x 0 ) pisteen x 0 ympäristössä. Ääriarvo on globaali eli absoluuttinen, jos kyseinen epäyhtälö on voimassa kaikilla x D. Ääriarvoja voi esiintyä: 1 Funktion f kriittissä pisteissä eli gradientin nollakohdissa f (x) = 0, 2 pisteissä joissa f ei ole määritelty, sekä 3 määrittelyjoukon D reunalla. Joukon D kriittistä pistettä x 0, joka ei ole maksimi tai minimi, kutsutaan funktion f : D R satulapisteeksi. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 3 / 17

Esimerkki 1 Funktiolla f (x, y) = 1 x 2 y 2 on lokaali maksimi f (0, 0) = 1 pisteessä (0, 0). Tämä piste on funktion f kriittinen piste, koska f (0, 0) = 2xi 2yj = 0. (0,0) Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 4 / 17

Esimerkki 2 Funktiolla f (x, y) = y 2 x 2 on satulapiste (0, 0). Tämä piste on funktion f kriittinen piste, koska f (0, 0) = 2xi + 2yj = 0. (0,0) Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 5 / 17

Esimerkki 3 Kaikki pisteet suoralla x = 0 ovat funktion f (x, y) = x 3 satulapisteitä. Huomaa, että f (0, y) = 3x 2 i = 0 kaikilla y R. (0,y) Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 6 / 17

Esimerkki 4 Funktiolla f (x, y) = x 2 + y 2 on lokaali minimi f (0, 0) = 0 pisteessä (0, 0). Funktio f on jatkuva, mutta sen gradientti f ei ole määritelty tässä pisteessä. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 7 / 17

Esimerkki 5 Funktiolla f (x, y) = 1 x ei ole paikallisia ääriarvoja, jos sen määrittelyjoukko on koko taso D = R 2. Jos määrittelyjoukoksi kuitenkin ajatellaan esimerkiksi kiekko D = {(x, y) : x 2 + y 2 1}, niin sen reunalla saadaan maksimi f ( 1, 0) = 2 ja minimi f (1, 0) = 0. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 8 / 17

Ääriarvojen luokittelu: johdanto Ääriarvojen luokittelu perustuu suureen f = f (x + h) f (x) tarkasteluun kriittisessä pisteessä x D. Jos f saa vain positiivisia arvoja (kun h on pieni), on piste x minimi ja negatiivisessa tapauksessa maksimi. Jos f vaihtaa merkkiä, niin piste x ei ole minimi eikä maksimi. Tämä johtaa funktion f toisen derivaatan tarkasteluun kriittisessä pisteessä. Yhden muuttujan tapauksessa: 1 Jos f (x) < 0, funktiolla f lokaali maksimi pisteessä x. 2 Jos f (x) > 0, funktiolla f lokaali minimi pisteessä x. 3 Jos f (x) = 0, testi ei anna vastausta, ja kysymys täytyy ratkaista muulla tavoin. Seuraavaksi yritetään yleistää tätä ajatusta monen muuttujan funktiolle. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 9 / 17

Hessen matriisi 1/2 Olkoon f : D R n R funktio, jolla on jatkuvat toisen kertaluvun osittaisderivaatat. Funktion f luonnollinen derivaattakäsite on gradientti, joka itsessään on vektoriarvoinen funktio f : R n R n. Siten funktion f toinen derivaatta on matriisi, jota nimitetään Hessen matriisiksi 2 f (x) 2 x 2 x 1 2 x 1 f (x)... 2 x n x 1 f (x) 2 x H f (x) = 1 x 2 f (x) 2 f (x)... 2 x2 2 x n x 2 f (x).... 2 x 1 x n f (x) 2 x 2 x n f (x) 2 f (x) xn 2 Koska f on kaksi kertaa jatkuvasti derivoituva, derivoinnin järjestystä voidaan vaihtaa, ja kyseinen matriisi on symmetrinen. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 10 / 17

Hessen matriisi 2/2 Miksi Hessen matriisi kiinnostaa meitä? Kun gradientin avulla voidaan kirjoittaa lineaarinen (ensimmäisen asteen) approksimaatio funktiolle f : D R n R, niin Hessen matriisilla saadaan kvadraattinen tarkennus: f (x + h) f (x) + h f (x) + 1 2 hh f (x)h T, jossa (vaaka)vektori h = (h 1, h 2,..., h n ) on pieni. Tämä kaava on itse asiassa ainoastaan uusi tapa kirjoittaa toisen kertaluvun Taylorin approksimaatio n muuttujan funktiolle. Termi muotoa z T Az on n n-neliömatriisille A n.k. neliömuoto, jossa z on n-pystyvektori. Kirjoita kaava auki tapauksessa n = 2! Pisteessä, jossa f (x) = 0, on voimassa approksimaatio f (x + h) f (x) 1 2 hh f (x)h T. Tätä voidaan käyttää hyväksi mahdollisen ääriarvon luokittelussa pisteessä x ajattelemalla, että h 0. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 11 / 17

Matriisin (ja neliömuodon) definiittisyys 1/2 Mitä tarkoittaa symmetrisen matriisin positiivisuus tai negatiivisuus? Symmetristä n n-matriisia A sanotaan positiividefiniitiksi jos sen kaikki ominaisarvot ovat positiivisia. Sanotaan, että matriisi A on negatiividefiniitti jos A on positiividefiniitti. Matriisin sanotaan olevan indefiniitti, jos sen kaikki ominaisarvot ovat nollasta poikkeavia ja sillä on vähintään yksi positiivinen sekä yksi negatiivinen ominaisarvo. Positiivi/negatiividefiniiteillä matriiseilla on monia samoja ominaisuuksia kuin positiivisilla/negatiivisilla reaaliluvuilla. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 12 / 17

Matriisin (ja neliömuodon) definiittisyys 2/2 Symmetrisen matriisin A definiittiys tai indefiniittiys periytyy sitä vastaavalle neliömuodolle. Jos A on positiividefiniitti, niin x T Ax > 0 kaikilla nollasta poikkeavilla pystyvektoreilla x R n. Jos A on negatiividefiniitti, niin x T Ax < 0 kaikilla nollasta poikkeavilla pystyvektoreilla x R n. Jos A on indefiniitti, niin x T Ax saavuttaa sekä negatiivisia että positiivisia arvoja pystyvektorin x vaihdellessa. Väite nähdään todeksi ortogonaalidiagonalisoimalla symmetrinen matriisi A muotoon A = U T ΛU, jossa diagonaalimatriisi Λ sisältää A:n ominaisarvot. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 13 / 17

Toisen derivaatan testi monen muuttajan tapauksessa Lause Olkoon f : D R n R funktio, jolla on jatkuvat toiset osittaisderivaatat kriittisen pisteen x D ympäristössä. Tällöin: a) Jos H f (x) on positiividefiniitti, niin f :llä on lokaali minimi pisteessä x. b) Jos H f (x) on negatiividefiniitti, niin f :llä on lokaali maksimi pisteessä x. c) Jos H f (x) on indefiniitti, niin f :llä on satulapiste pisteessä x. d) Muussa tapauksessa testi ei anna tietoa funktiosta f. Seuraa approksimaatiosta f (x + h) f (x) 1 2 hh f (x)h T kun h 0. Väite tarvitsee nimittäin ainoastaan tarkastaa Hessen matriisin määräämälle neliömuodolle. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 14 / 17

Esimerkki 6 1/2 Etsitään ja luokitellaan funktion f (x, y, z) = x 2 y + y 2 z + z 2 2x kriittiset pisteet. Yhtälöt kriittisille pisteille ovat 0 = f 1 (x, y, z) = 2xy 2, 0 = f 2 (x, y, z) = x 2 + 2yz, 0 = f 3 (x, y, z) = y 2 + 2z. Nämä yhtälöt ratkaisemalla nähdään, että funktion f ainoa kriittinen piste on P = (1, 1, 1/2). Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 15 / 17

Esimerkki 6 2/2 Lasketaan Hessen matriisi H f (1, 1, 1/2) = [ 2 2 0 2 1 2 0 2 2 Lasketaan matriisin ominaisarvot vaikkapa MATLABilla >> a = [2 2 0 ; 2-1 2 ; 0 2 2] a = 2 2 0 2-1 2 0 2 2 >> eig(a) ans = -2.7016 2.0000 3.7016 Niinpä funktiolla f on satulapiste pisteessä P = (1, 1, 1/2). (Matriisin definiittisyys voidaan tarkistaa ilman ominaisarvojen määrittämistä myös n.k. Sylvesterin kriteerillä tutkimalla alimatriisien determinanttien etumerkkejä.) Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 16 / 17 ].

Ensimmäisen välikokeen koealue loppuu tähän. Jarmo Malinen (Aalto-yliopisto) MS-A0205/MS-A0206 Kevät 2016 17 / 17