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

Samankaltaiset tiedostot
BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

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

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

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

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

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

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

BM20A5810 Differentiaalilaskenta ja sovellukset Harjoitus 5, Syksy 2016

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

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

Matematiikka B1 - TUDI

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

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

Matematiikan tukikurssi

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

Vektorilaskenta, tentti

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

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

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

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

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

a(t) = v (t) = 3 2 t a(t) = 3 2 t < t 1 2 < 69 t 1 2 < 46 t < 46 2 = 2116 a(t) = v (t) = 50

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

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

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

Differentiaalilaskenta 1.

KERTAUSHARJOITUKSIA. 1. Rationaalifunktio a) ( ) 2 ( ) Vastaus: a) = = 267. a) a b) a. Vastaus: a) a a a a 268.

Matematiikan tukikurssi

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

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

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

Matematiikkaa kauppatieteilijöille

12. Hessen matriisi. Ääriarvoteoriaa

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

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

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

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

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

Vastaus: 10. Kertausharjoituksia. 1. Lukujonot lim = lim n + = = n n. Vastaus: suppenee raja-arvona Vastaus:

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 1 / vko 44

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

Matematiikan tukikurssi

* Trigonometriset funktiot suorakulmaisessa kolmiossa * Trigonometristen funktioiden kuvaajat

Integrointi ja sovellukset

Tekijä Pitkä matematiikka

Epäyhtälöt 1/7 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

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

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

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

4. Kertausosa. 1. a) 12

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ (1 piste/kohta)

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

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

Matematiikan tukikurssi

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

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

Matematiikan tukikurssi

Kuva 1: Tehtävä 1a. = 2π. 3 x3 1 )

Juuri 2 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

sin(x2 + y 2 ) x 2 + y 2

MAA02. A-osa. 1. Ratkaise. a) x 2 + 6x = 0 b) (x + 4)(x 4) = 9 a) 3x 6x

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

3. Laadi f unktioille f (x) = 2x + 6 ja g(x) = x 2 + 7x 10 merkkikaaviot. Millä muuttujan x arvolla f unktioiden arvot ovat positiivisia?

Matematiikan peruskurssi 2

3 TOISEN ASTEEN POLYNOMIFUNKTIO

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

Tekijä Pitkä matematiikka a) Ratkaistaan nimittäjien nollakohdat. ja x = 0. x 1= Funktion f määrittelyehto on x 1 ja x 0.

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

Matriisilaskenta Laskuharjoitus 1 - Ratkaisut / vko 37

3 x 1 < 2. 2 b) b) x 3 < x 2x. f (x) 0 c) f (x) x + 4 x Etsi käänteisfunktio (määrittely- ja arvojoukkoineen) kun.

1 Rajoittamaton optimointi

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

Äärettömät raja-arvot

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

Hyvä uusi opiskelija!

Funktio 1. a) Mikä on funktion f (x) = x lähtöjoukko eli määrittelyjoukko, kun 0 x 5?

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

A = (a 2x) 2. f (x) = 12x 2 8ax + a 2 = 0 x = 8a ± 64a 2 48a x = a 6 tai x = a 2.

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Ratkaisut vuosien tehtäviin

Jouni Sampo. 5. helmikuuta 2014

BM20A0300, Matematiikka KoTiB1

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

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

Ratkaisuja, Tehtävät

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

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

Juuri 6 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

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

Transkriptio:

BM20A5840 - Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2017 1. Tunnemme vektorit a = [ 1 2 3 ] ja b = [ 2 1 2 ]. Laske (i) kummankin vektorin pituus (eli itseisarvo, eli normi); (ii) vektorien pistetulo; (iii) vektorien välinen kulma. Tunnemme pisteet P : (1,0,0), Q : (0,1,0) ja R : (0,0,2). Laske (i) vektorien PQ ja PR pituudet; (ii) vektorien PQ ja PR pistetulo; (iii) vektorien PQ ja PR välinen kulma. a = 1 2 + 2 2 + 3 2 = 14. b = 2 2 + 1 2 + 2 2 = 9 = 3. a b = 1 2 + 2 1 + 3 2 = 10. cosθ = a b a b = 10 3 14 = θ 27.0 PQ = ( 1) 2 + 1 2 + 0 2 = 2. PR = ( 1) 2 + 0 2 + 2 2 = 5. PQ PR = ( 1) ( 1) + 1 0 + 0 2 = 1. a b = 1 2 + 2 1 + 3 2 = 10. cosθ = PQ Pr PQ PR = 1 = θ 71.5 10 2. Tunnemme funktion f (x) = 3 x. Muodosta f :lle lineaarinen approksimaatio muodostettuna pisteen x = 8 läheisyydessä. Tunnemme funktion f (x) = cos x. Muodosta f :lle lineaarinen approksimaatio muodostettuna (i) pisteen x = π läheisyydessä ja (ii) pisteen x = π 2 läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä? f (x) = 1 3 x 3 2 f (8) = 12 1 f (8) = 2. L(x) = f + f (x a) = 2 + 12 1 1 (x 8) = 12 x + 4 3. f (x) = cos(x), f (x) = sin(x). (i) Kehityspiste a = π. f = cos(π) = 1, f = sin(π) = 0. L(x) = f + f (x a) = 1 + 0(x π) = 1. Tämä approksimaatio on siis vain vakiofunktio L(x) = 1. Tämä on järkeenkäypää, koska tämä suora sivuaa f :ää kehityspisteessä. (ii) Kehityspiste a = π 2. f = cos( π 2 ) = 0, f = sin( π 2 ) = 1. L(x) = f + f (x a) = 0 + 1(x π) = x π. Tämäkin on järkeenkäyvän näköinen, koska se sivuaa f :ää kehityspisteessä.

y(x) = 4x 5 = 0 = x = 5. 3. Muodosta funktiolle f (x, y) = ln(2x + y) lineaarinen approksimaatio muodostettuna pisteessä ( 1,3). lineaarinen approksimaatio muodostettuna pis- Muodosta funktiolle f (x,y) = 3 + x2 teessä ( 4,3). 16 + y2 9 Muodosta funktiolle f (x,y) = 4x 3 y 2 +2y lineaarinen approksimaatio muodostettuna pisteessä (1, 2). (a,b) = ( 1,3) f (x,y) = ln(2x + y) f (a,b) = 0 f 1 (x,y) = 2 2x + y f (a,b) = 2 f 2 (x,y) = 1 2x + y f (a,b) = 1 L(x,y) = f (a,b) + f 1 (a,b)(x a) + f 2 (a,b)(y b) = 0 + 2(x + 1) + 1(y 3) = 2x + y 1 (a,b) = ( 4,3) f (x,y) = 3 + x2 16 + y2 9 f 1 (x,y) = x 8 f 2 (x,y) = 2y 9 f (a,b) = 5 f (a,b) = 1 2 f (a,b) = 2 3 L(x,y) = f (a,b) + f 1 (a,b)(x a) + f 2 (a,b)(y b) = 5 1 2 (x + 4) + 2 3 (y 3) (a,b) = (1, 2) f (x,y) = 4x 3 y 2 + 2y f (a,b) = 12 f 1 (x,y) = 12x 2 y 2 f (a,b) = 48 f 2 (x,y) = 8x 3 y + 2 f (a,b) = 14 L(x,y) = f (a,b) + f 1 (a,b)(x a) + f 2 (a,b)(y b) = 12 + 48(x 1) 14(y + 2) 4. Etsi seuraavien funktioiden lokaalit maksimit/minimit. Ovatko nämä globaaleja maksimeja/minimejä? y(x) = 2x 2 5x + 3 y(x) = x 3 3x 2 + 1 y(x) = x 2 + x 2, 2 x 2.

Kirjoitamme jälkimmäisen yhtälön muotoon t = y 2. Sijoittamalla tämä ensimmäiseen yhtälöön saadaan x = 3 ( y ) 2 4, ja tämä voidaan sieventää muotoon x = 3 y 2 4. Koska kyseessä on polynomi, funktiolla ei ole singulaaripisteitä, ja se on myöskin jatkuva. Koska x 2 -termin kerroin on positiivinen, tämä on ylöspäin aukeava paraabeli. Näin ollen löydetty derivaatan nollakohta on globaali minimi. Suurinta arvoa funktiolla ei ole, koska paraabelin molemmat laidat saavat yhä suurempia arvoja mentäessä kohti ± :tä. y( 5 4 ) = 1 8. y(x) = 3x 2 6x = 0 = x = 0 tai x = 2. y (x) = 6x 6. y (0) = 6 < 0 = Lokaali maksimi. y (0) = 6 > 0 = Lokaali minimi. y(0) = 1. y(2) = 3. Nämä eivät ole kuitenkaan globaaleja ääriarvoja, koska kun x silloin y, ja kun x silloin y. Funktio voidaan kirjoittaa y(x) = x 2 + 1 ; tästä muodosta nähdään selvästi, että funktiolla on singulaaripiste kohdassa x = 0. Selvästikin y kun x 0, kummalta tahansa puolelta. x 2 y (x) = 2x + 2 = 2x4 2 = 0 = x = ±1. x 3 x 3 y (x) = 2 + ( 2)( 3) = 2x4 +6 > 0, joten funktio on on kaikkialla määrittelyalueessaan konkaavi x 4 x 4 ylöspäin. Näin ollen löydetyt derivaatan nollakohdat ovat paikallisia minimejä. Voimme päätellä, että ne ovat myös globaaleja minimejä. Globaalia maksimiarvoa ei toki ole (kuten aiemmin perusteltu). Funktion miniarvot löytyvät pisteistä ( 2, 17 17 4 ) ja (2, 4 ). 5. Eräs firma tuottaa kahta tuotetta, kutsumme niitä tuotteeksi A ja tuotteeksi B. Kun firma tuottaa määrän x tuotetta A ja määrän y tuotetta B, firman tuottama voitto on silloin P(x,y) = 8x + 10y (0.001)(x 2 + xy + y 2 ) 10,000. Millä tuotantomäärillä (x:n ja y:n arvot) firman voitto voidaan maksimoida? P(x,y) = 8x + 10y (0.001)(x 2 + xy + y 2 ) 10,000 P 1 (x,y) = 0.002x 0.001y + 8 P 2 (x,y) = 0.001x 0.002y + 10 Asettamalla sekä P 1 :n että P 2 :n nollaksi, löydämme yhden pisteen joka toteuttaa molemmat yhtälöt: tämä piste on (x, y) = (2000, 4000). Onko löydetty piste todella maksimipiste? Tähän vastaa second partial derivative test. Lasketaan toiset osittaisderivaatat: P 11 (x,y) = 0.002 P 22 (x,y) = 0.002 P 12 (x,y) = 0.001 Selvästikin pätee P 11 P 22 P12 2 > 0 ja P 11 < 0, eli löydetty piste on funktion maksimiarvo. 6. Kussakin kohdassa on annettu parametrinen esitys jollekin tasokäyrälle. Eliminoi parametri, eli ilmoita sama tasokäyrä lausekkeena joka sisältää vain x:ää ja y:tä. Viimeisessä kohdassa kannattaa käyttää trigonometristä identiteettiä cos 2 (t) + sin 2 (t) = 1. x = 3t 2 4, y = 2t. x = e t, y = e 3t. x = 1 + sin(t), y = 2 + cos(t).

Tämä on suoraviivaisempi kuin päällepäin luulisikaan. Kirjoitetaan jälkimmäinen yhtälö y = e 3t = (e t ) 3. Kun kerran ensimmäinen yhtälö määrittelee x = e t, voidaan jälkimmäinen kirjoittaa nyt y = (e t ) 3 = x 3. Kirjoitetaan parametrinen esitys muotoon x 1 = sin(t) y + 2 = cos(t) Käyttämällä ohjeena annettua trigonometrista identiteettiä tämä menee muotoon (y + 2) 2 + (x 1) 2 = 1. Kyseessä on siis ympyrä, jonka säde on 1, ja jonka keskipiste on pisteessä ( 2,1). 7. Pieni kappale liikkuu tasossa niin, että sen paikan ajanhetkellä t määrittelee parametrinen esitys x = 3t 2 t + 2, y = 1 3 t3 + t. (i) Missä kappale on ajanhetkellä t = 1? (ii) Mikä on kappaleen nopeus ajanhetkellä t = 1? (iii) Onko kappale levossa missään vaiheessa? Pieni kappale liikkuu tasossa niin, että sen paikan ajanhetkellä t määrittelee parametrinen esitys x = 5t 3, y = 3t 2 + 2t + 1. Laske dy. Mitä tämä edustaa graafisesti? (i) x(1) = 3 1 2 1 + 2 = 4 y(1) = 1 3 13 + 1 = 2 3 Kappale on siis pisteessä (4, 2 3 ). (ii) x (t) = 6t 1 y (t) = t 2 + 1 x (1) = 6 1 1 = 5 y (1) = 1 2 + 1 = 2 Kappaleen nopeus on siis v = 5i + 2j. (iii) Toteutuvatko yhtälöt x (t) = 6t 1 = 0 y (t) = t 2 + 1 = 0 yhtäaikaa millään t:n arvolla? Eivät. Tämä on helppo nähdä; ylin yhtälö toteutuu kun t = 1 6, ja eipä alempi yhtälö silloin nollaksi mene. Kappale ei siis ole koskaan levossa. Mitä dy edustaa graafisesti? Jos ajattelemme, että pieni kappale liikkuessaan piirtää xy-tasoon tasokäyrän, niin dy on tämän tasokäyrän kulmakerroin pisteessä (x,y). Tiedämme dy = dy dt dt. Lasketaan dy dt = 6t + 2. dt = 5 = dt = 1 5. Nyt siis dy = dy dt dt = 6t+2 5. 8. Etsi funktion kriittiset pisteet. Ovatko pisteet paikallisia minimejä, paikallisia maksimeja, vai satulapisteitä? f (x,y) = x 2 + 2y 2 + 2x 6 f (x,y) = 3x 2 + 2xy y f (x,y) = x 2 y 4y

f (x,y) = (2x + 2)i + (4y)j. f (x,y) = 0 = (x,y) = ( 1,0). Kun sekä x 2 :n että y 2 :n kertoimet ovat positiivisia, tämän funktion kuvaaja on vääjäämättä muodoltaan ylöspäin aukeava paraboloidi. Löydetty kriittinen piste on siis tämän kupin pohja, eli lokaali minimi (toki näin ollen myös globaali minimi, mutta sitähän ei kysytty). f (x,y) = (6x + y)i + (2x 1)j. f (x,y) = 0 = (x,y) = ( 1 2, 3 2 ). Second partial derivative test: Kyseisessä pisteessä f xx f yy ( f xy ) 2 = 4 < 0, joten kyseessä on satulapiste. f (x,y) = (2xy)i + ( x 2 4 ) j. f (x,y) = 0 = (x,y) = (±2,0). Second partial derivative test: Lasketaan D = f xx f yy ( f xy ) 2 molemmissa pisteissä. Molemmissa pisteissä saadaan D = 4 < 0, joten molemmat ovat satulapisteiä.