Ratkaisu: (i) Joukko A X on avoin jos kaikilla x A on olemassa r > 0 siten että B(x, r) A. Joukko B X on suljettu jos komplementti B c on avoin.

Samankaltaiset tiedostot
r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

Topologia I Harjoitus 6, kevät 2010 Ratkaisuehdotus

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Johdanto

=p(x) + p(y), joten ehto (N1) on voimassa. Jos lisäksi λ on skalaari, niin

Metriset avaruudet. Erno Kauranen. 1 Versio: 10. lokakuuta 2016, 00:00

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

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

Täydellisyysaksiooman kertaus

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

Topologia Syksy 2010 Harjoitus 4. (1) Keksi funktio f ja suljetut välit A i R 1, i = 1, 2,... siten, että f : R 1 R 1, f Ai on jatkuva jokaisella i N,

7. Tasaisen rajoituksen periaate

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

Lebesguen mitta ja integraali

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

Topologia Syksy 2010 Harjoitus 9

Topologia Syksy 2010 Harjoitus 11

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

Insinöörimatematiikka D

Derivaatta: funktion approksimaatio lineaarikuvauksella.

Reaalifunktioista 1 / 17. Reaalifunktioista

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

Lineaariavaruudet. Span. Sisätulo. Normi. Matriisinormit. Matriisinormit. aiheita. Aiheet. Reaalinen lineaariavaruus. Span. Sisätulo.

Metriset avaruudet 2017

8. Avoimen kuvauksen lause

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,...

MS-C1540 Euklidiset avaruudet

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Algebra I, Harjoitus 6, , Ratkaisut

x > y : y < x x y : x < y tai x = y x y : x > y tai x = y.

Pistetulo eli skalaaritulo

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

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

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

Laskutoimitusten operaattorinormeista

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT

Matematiikan tukikurssi

Määritelmä 2.5. Lause 2.6.

Seuraava topologisluonteinen lause on nk. Bairen lause tai Bairen kategorialause, n=1

Ratkaisuehdotus 2. kurssikoe

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

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

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

Tehtäväsarja I Tehtävät 1-5 perustuvat monisteen kappaleisiin ja tehtävä 6 kappaleeseen 2.8.

Algebra I, harjoitus 5,

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

(2n 1) = n 2

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

Matematiikan peruskurssi 2

Topologisten avaruuksien metristyvyys. Toni Annala

Matematiikan tukikurssi

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Karteesinen tulo. Olkoot A = {1, 2, 3, 5} ja B = {a, b, c}. Näiden karteesista tuloa A B voidaan havainnollistaa kuvalla 1 / 21

Ratkaisuehdotus 2. kurssikokeeseen

April 29, Huom. Laskariryhmä 1 peruuntuu myös ma 15.2.

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

Havainnollistuksia: Merkitään w = ( 4, 3) ja v = ( 3, 2). Tällöin. w w = ( 4) 2 + ( 3) 2 = 25 = 5. v = ( 3) = 13. v = v.

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

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

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Topologia IA, kesä 2017 Harjoitus 1

Insinöörimatematiikka D

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Joukot metrisissä avaruuksissa

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

Metriset avaruudet ja Topologia

Metriset avaruudet 2017

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

Insinöörimatematiikka D

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

1. Olkoon f :, Ratkaisu. Funktion f kuvaaja välillä [ 1, 3]. (b) Olkoonε>0. Valitaanδ=ε. Kun x 1 <δ, niin. = x+3 2 = x+1, 1< x<1+δ

Tasainen suppeneminen ja sen sovellukset

Hilbertin avaruudet, 5op Hilbert spaces, 5 cr

HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Vektorianalyysi I, syksy 2017 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotukset. I.1. Todista Cauchyn-Schwarzin epäyhtälö

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

Funktiot ja raja-arvo P, 5op

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

Insinöörimatematiikka D

Tässä dokumentissa on ensimmäisten harjoitusten malliratkaisut MATLABskripteinä. Voit kokeilla itse niiden ajamista ja toimintaa MATLABissa.

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo Ratkaisut ja pisteytysohjeet

Taustatietoja ja perusteita

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

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI 7

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ Merkitään f(x) =x 3 x. Laske a) f( 2), b) f (3) ja c) YLIOPPILASTUTKINTO- LAUTAKUNTA

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

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

Ville Turunen: Mat Matematiikan peruskurssi P1 1. välikokeen alueen teoriatiivistelmä 2007

1. Määritä funktion f : [ 1, 3], f (x)= x 3 3x, suurin ja pienin arvo.

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo 10-13

Matematiikan tukikurssi

Johdatus lineaarialgebraan

Kantavektorien kuvavektorit määräävät lineaarikuvauksen

Sallitut apuvälineet: MAOL-taulukot, kirjoitusvälineet, laskin sekä itse laadittu, A4-kokoinen lunttilappu. f(x, y) = k x y, kun 0 < y < x < 1,

Transkriptio:

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Topologia I 1. kurssikoe 26.2.2013 Malliratkaisut ja tehtävien tarkastamiset Tehtävät 1 ja 2 Henrik Wirzenius Tehtävät 3 ja 4 Teemu Saksala Jos sinulla on kysyttävää vastauksiisi liittyen, niin käänny sähköpostilla kyseisen tehtävän korjaajan puoleen. 1. (teoriatehtävä) (i) Määrittele avoin joukko A X ja suljettu joukko B X, kun (X, d) on metrinen avaruus. (ii) Näytä, että avoin kuula B(a, r) = {x X : d(x, a) < r} on X:n avoin joukko kaikilla a X ja r > 0. Ratkaisu: (i) Joukko A X on avoin jos kaikilla x A on olemassa r > 0 siten että B(x, r) A. Joukko B X on suljettu jos komplementti B c on avoin. (ii) Olkoon a X ja r > 0. Olkoon x B(a, r) jolloin d(x, a) < r. Merkitään s = r d(x, a) jolloin s > 0. Osoitetaan, että B(x, s) B(a, r). Olkoon y B(x, s). Tällöin d(y, a) d(y, x) + d(x, a) < s + d(x, a) = r d(x, a) + d(x, a) = r, joten y B(a, r). Näin ollen B(x, s) B(a, r), josta seuraa, että B(a, r) on X:n avoin joukko. Pisteytys: (i) Avoimen joukon määritelmä oikein, 2p. Suljetun joukon määritelmä oikein, 1p. (ii) Oikein tehty päättely, 3p. Jos idea oikein mutta esim. säde ei tarpeeksi pieni (esimerkkinä r/2), 1p. Jos säde tarpeeksi pieni mutta päättelyssä virheitä, 1p. 2. Olkoon d(s, t) = log(1 + s t ), s, t R. Näytä, että d on metriikka joukossa R. Muistutus: logaritmifunktion x log(x) perusominaisuudet saa olettaa tunnetuiksi kurssista Analyysi I. Arvio log(1 + u + v) log(1 + u) + log(1 + v), u 0, v 0,

saattaa olla hyödyllinen. Ratkaisu: Osoitetaan ensin tehtävänannossa annettu arvio (arviota sai myös käyttää ilman verifiointia): Olkoon u, v 0. Tällöin uv 0, joten log(1+u+v) log(1+u+v+uv) = log((1+u)(1+v)) = log(1+u)+log(1+v), sillä logaritmi on kasvava funktio ja log(ab) = log(a)+log(b) kaikilla a, b > 0. Osoitetaan seuraavaksi, että d toteuttaa metriikan ehdot. Olkoon s, t, u R. Ensinnäkin d(s, t) = log(1 + s t ) log(1) = 0 logaritmin kasvavuuden nojalla. (M1): d(s, t) = log(1 + s t ) = log(1 + s u + u t ) log(1 + s u + u t ) log(1 + s u ) + log(1 + u t ) = d(s, u) + d(u, t), missä ensimmäinen epäyhtälö seuraa kolmioepäyhtälöstä sekä logaritmin kasvavuudesta ja toinen epäyhtälö seuraa tehtävänannon arviosta sillä s u, u t 0. (M2): (M3): d(s, t) = log(1 + s t ) = log(1 + t s ) = d(t, s). d(s, t) = 0 log(1 + s t ) = 0 1 + s t = 1 s t = 0 s = t. Näin ollen d toteutta ehdot (M1)-(M3), joten d on metriikka joukossa R. Pisteytys: Jokaisesta ehdosta (M1)-(M3), 2p. Jos päättelyssä virheitä, 0-1p riippuen virheen vakavuudesta. Jos ehdossa (M3) on osoitettu vain toinen suunta, 1p. 3. Olkoon A = {(x, y, z) R 3 : x + y < z < x 2 + y 2 }.

Näytä, että A on avoin joukko avaruuden R 3 euklidisessa metriikassa. Ratkaisu: Muokataan joukon A esitystapaa sellaiseksi, että voimme käyttää alkukuvaehtoa avoimuuden toteamiseksi. A = {(x, y, z) R 3 : x+y < z < x 2 +y 2 } = {(x, y, z) R 3 : x+y < z, z < x 2 +y 2 }. = {(x, y, z) R 3 : x + y z < 0, x 2 + y 2 z > 0} = {(x, y, z) R 3 : x + y z < 0} {(x, y, z) R 3 : x 2 + y 2 z > 0} Määritellään kuvaukset f, g : R 3 R kaavoilla f((x, y, z)) = x + y z ja g((x, y, z)) = x 2 + y 2 z. Tällöin joukko A voidaan kirjoittaa muodossa A = {(x, y, z) R 3 : f((x, y, z)) < 0} {(x, y, z) R 3 : g(x, y, z) > 0} f 1 ], 0[ g 1 ]0, [. Kirjan lauseen 4.8. nojalla avoimien joukkojen ], 0[ ja ]0, [ alkukuvat f 1 ], 0[ ja g 1 ]0, [ ovat avoimia, jos kuvaukset f ja g ovat jatkuvia. Toisaalta kirjan lauseen 3.5. nojalla avoimien joukkojen äärellinen leikkaus on avoin. Näin ollen riittää osoittaa kuvausten f ja g jatkuvuus. Kootaan alle lista tarvittavista jatkuvuuteen liittyvistä tiedoista. 1. Kirjan lauseen 5.6. nojalla projektiot pr j : R 3 R, jatkuvia jokaisella j {1, 2, 3}. 2. Kirjan lauseen 5.2. nojalla summakuvaus on jatkuva. 3. Kirjan lauseen 5.3. nojalla kuvaus m : R R, m(x) = x ja tulokuvaus ovat jatkuvia. 4. Kirjan lauseen 4.12. nojalla jatkuvien kuvausten yhdistettykuvaus on jatkuva. Näiden tietojen avulla huomataan, että kuvaukset f ja g ovat jatkuvia, sillä f = pr 1 + pr 2 pr 3 ja g = pr 2 1 + pr 2 2 pr 3.

Pisteytys: Joukko A on osattu kirjoittaa alkukuvien leikkausten avulla perustellusti 1p. On mainittu, että avointen joukkojen äärellinen leikkaus on avoin 1p. On osattu soveltaa alkukuvaehtoa tehtävän ratkaisussa 2p. On mainittu projektiokuvausten jatkuvuudesta 1p. On mainittu summa- ja tulokuvausten jatkuvuudesta 1p. 4. Olkoon (E, ) normiavaruus, ja a, b E kiinnitettyjä vektoreita. Määritellään kuvaus f : R E asettamalla f(t) = ta + (1 t)b, t R. Näytä: (i) f on Lipschitz-kuvaus R E, (ii) f on jatkuva joukossa R. Joukossa R on tavallinen metriikka, ja normiavaruudessa E on normin määräämä metriikka d(u, v) = u v, kun u, v E. Ratkaisu: (i) Osoitetaan, että f on Lipschitz-kuvaus. Merkitään avaruuden E normia symbolilla, jotta se ei sekoitu reaalilukujen itseisarvon kanssa. Olkoot x, y R. Tällöin d(f(x), f(y)) = f(x) f(y) = xa + (1 x)b (ya + (1 y)b) = (x y)a (x y)b = (x y)(a b) N2 = x y a b = a b x y. Yllä olevassa kaavassa symboli tarkoittaa normaalia reaalilukujen kertolaskua. Siis f on a b -Lipschitz, sillä a b 0 ja vektorit a ja b ovat kiinnitettyjä. Edellä olleessa todistuksessa löydettiin tarkin mahdollinen arvo, jolla f on Lipschitz-kuvaus. Aivan yhtä oikein olisi löytää toinen hiukan suurempi vakio a + b. Tämä löytyy seuraavasti. d(f(x), f(y)) = (x y)a (x y)b N1 = (x y)a + (x y)b N2 = ( a + b ) x y. HUOM. Tässä tehtävässä on tärkeää huomata, ettei ratkaisussa ole mahdollista soveltaa väliarvolausetta tai Schwartzin epäyhtälöä. Ensimmäistä ei voi soveltaa, sillä maaliavaruus ei ole R ja toista sillä maaliavaruus ei ole sisätuloavaruus ja (x y)(a b) ei ole kahden vektorin pistetulo vaan vektori

a b kerrottuna skalaarilla x y. (ii) Koska f on Lipschitz-kuvaus, niin se on kirjan lauseen 4.5. nojalla jatkuva. Pisteytys: (i) On huomattu, että lähtö- ja maaliavaruuksissa on eri metriikka 1p. On johdettu oikea Lipschitz-vakio a b tai a + b 1p. Lipschitz-vakion johtamisessa on osattu käyttää normin ominaisuuksia N 1 tai N 2 oikein 1p. Vastaaja on muistanut Lipschitz-kuvauksen määritelmän 1p. (ii) On vedottu lauseeseen 4.5. tai osoitettu jatkuvuus oikein 2p. Jatkuvuuden osoittamisessa on ollut pieni virhe 1p.