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

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

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

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

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

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

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

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

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Laskuharjoitus 4 / vko 40

12. Hessen matriisi. Ääriarvoteoriaa

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

Matematiikan tukikurssi

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

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

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

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

1 Rajoittamaton optimointi

Matematiikan tukikurssi

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

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

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

Vektorilaskenta, tentti

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

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

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

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,...

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

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

Matematiikan tukikurssi

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

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Taustatietoja ja perusteita

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

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

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

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

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

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

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

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

Matematiikka B1 - TUDI

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

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

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

Matematiikan tukikurssi

Vastaa kaikkiin kysymyksiin (kokeessa ei saa käyttää laskinta)

s = 11 7 t = = 2 7 Sijoittamalla keskimmäiseen yhtälöön saadaan: k ( 2) = 0 2k = 8 k = 4

Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I, HY Kurssikoe Ratkaisuehdotus. 1. (35 pistettä)

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 7 to

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

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

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

JAKSO 2 KANTA JA KOORDINAATIT

Matematiikan tukikurssi. Toinen välikoe

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

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

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.

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

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

Matematiikan pohjatietokurssi

Ratkaisuehdotus 2. kurssikoe

Luento 9: Newtonin iteraation sovellus: optimointiongelma

Tekijä MAA2 Polynomifunktiot ja -yhtälöt = Vastaus a)

Juuri 2 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

Matematiikan tukikurssi

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

. 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

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

3.4 Käänteiskuvauslause ja implisiittifunktiolause

Ominaisarvot ja ominaisvektorit 140 / 170

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

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Insinöörimatematiikka D

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 10

2.6 Funktioiden kuvaajat ja tasa-arvojoukot

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

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

LUKU 7. Perusmuodot Ensimmäinen perusmuoto. Funktiot E, F ja G ovat tilkun ϕ ensimmäisen perusmuodon kertoimet ja neliömuoto

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

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

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

MATEMATIIKAN ALKEET II (YE19B), SYKSY 2011

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

Harjoitus 7: vastausvihjeet

Transkriptio:

HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Vektorianalyysi I, syksy 7 Harjoitus 6 Ratkaisuehdotukset 6.. Olkoon f : G R, G = {(x, x ) R x > }, f(x, x ) = x x. Etsi differentiaalit d k f(, ), k =,,. Ratkaisu: Differentiaali tapauksessa k = voidaan laskea suoraviivaisesti seuraavasti: d f(, ) = f(, ) = =. Merkitään x = (x, x ). Lasketaan seuraavaksi hieman osittaisderivaattoja kaavan d k f(, )(h) = k k k f(, )h k h k käyttöä varten: k, k k +k =k f(x) = x x log(x ) f(x) = x x x f(x) = x x log(x ) f(x) = x x x log(x ) + x x = x x x log(x ) + x x x f(x) = (x )x x x. Nyt voimme laskea d f(, )(h) =, f(, )h +, f(, )h = h + = h d f(, )(h) =, f(, )h +, f(, )h h +, f(, )h = + h h + = h h.

6.. Etsi funktion f : R R, f(x, x ) = x + x x + x, kaikki differentiaalit d k f(, ), kun k. Ratkaisu: Olkoon f : R R ja f(x, x ) = x + x x + x. Nyt lasketaan kaikki differentiaalit d k f(, ), kun k. Määritelmän mukaan d k f(, )(h) = k k k f(, )h k h k. k, k Osittaisderivaatat ovat k +k =k f(x) = x + x x, f(, ) =, f(x) = x + x, f(, ) = 4, f(x) = 6x + x, f(, ) = 4, f(x) = 6x, f(, ) = 6, f(x) = x = f(x), f(x) = 6 = f(x), f(x) = = f(x) = f(x), f(x) = = f(x) = f(x), f(x) =,. =. f(, ) = = f(, ),

Itse differentiaaleiksi saadaan d f(, )(h) = f(, ) =, d f(, )(h) =, f(, )h +, f(, )h = h + 4h, d f(, )(h) =, f(, )h +, f(, )h h +, f(, )h = 4h + h h + ( 6)h = 4h + 4h h 6h, d f(, )(h) =, f(, )h +, f(, )h h +, f(, )h h +, f(, )h = 6h + h h + h h + 6h = 6h + 6h h + 6h, ja kun k 4 saadaan d k f(, )(h) =. 6.. Etsi edellisen tehtävän funktiolle f Taylorin polynomit T(, ) k, kun k. Ratkaisu: Yleinen kaava on (T k (, ) f)(h) = k i= i! di f(, )(h), joten poly-

nomeiksi saadaan (T(, )f)(h) = f(, ) =, (T(, )f)(h) = f(, ) + d f(, )h = + h + 4h, (T(, )f)(h) = (T(, )f)(h) +! d f(, )h = + h + 4h + h + h h h, (T(, )f)(h) = (T(, )f)(h) +! d f(, )h = + h + 4h + h + h h h + h + h h + h, (T(, )f)(h) 4 = (T(, )f)(h). 6.4. Etsi funktion f : G R, G = {(x, x ) R x >, x > }, kriittiset pisteet kaikilla c R. f(x, x ) = x + x + cx x, Ratkaisu: Funktion kriittiset pisteet ovat sen gradientin nollakohtia. Lasketaan siis aluksi gradientti: lausekkeeksi saadaan f(x) = ( f(x), f(x)) = ( x + cx, x + cx ). Piste x on siis kriittinen piste, mikäli f(x) =. Tästä saadaan yhtälöryhmä x + cx = x + cx = jonka ratkaisuja etsitään funktion määrittelyalueesta, ts. x, x >. Nähdään heti, että jos c =, niin yhtälöt surkastuvat muotoon x = = x, jolla ei ole ratkaisuja, eli kriittisiä pisteitä ei ole, jos c =. Oletetaan sitten, että c. Ratkaisemalla x ylemmästä yhtälöstä saadaan x = c x, ja kun tämä sijoitetaan alempaan yhtälöön, saadaan yhtälö = (c x ) + cx = c x 4 + cx = cx ( cx + ). 4

Yhtälön ratkaisut ovat x = (joka ei käy, sillä vaaditaan x > ) sekä cx + =. Jälkimmäisestä yhtälöstä saadaan ratkaistua x = c / : jos c <, niin x < ja ratkaisu ei käy, mutta jos c > niin x > ja ratkaisu voi kelvata. Tiedetään siis jo, että tapauksessa c yhtälöryhmällä ei ole ratkaisuja, ja jos c > niin yhtälöryhmällä saattaa olla ratkaisu muuttujasta x riippuen. Aiemmin saatiin ratkaistua x = c x : kun tähän sijoitetaan muuttujan x ratkaisu x = c /, niin saadaan x = c (c / ) = c +/ = c / joka on myös positiivinen, kun c >, eli ratkaisu kelpaa, ja funktiolla on kriittinen piste (x, x ) = (c /, c / ). Loppuyhteenvetona: kriittisiä pisteitä ei ole, kun c, ja tilanteessa c > on kriittisiä pisteitä yksi, (c /, c / ). 6.5. Etsi annetun funktion f lokaalit ääriarvot: (a) f : R R, f(x) = x + x x x x + 4, (b) f : R R, f(x) = x x x 4, (c) f : R R, f(x) = x + x + x + x x. Ratkaisu: (a) Lasketaan osittaisderivaatat f(x) = x + x 6x, f(x) = 6x x 6x, a = f(x) = 6x 6, b = f(x) = f(x) = 6x, c = f(x) = 6x 6. Martion kirjan mukaan (s. 6) funktion f lokaalit ääriarvot löytää kriittisten pisteiden joukosta. Etsitään kriittiset pisteet. Asetetaan ensin f(x) nollaksi: Tästä seuraa, että x = tai x =. 6x x 6x = 6x (x ) =. Kun x = ja asetetaan f(x) nollaksi, niin saadaan: x 6x = x (x ) =. 5

Tästä seuraa, että x = tai x =. Kun x = ja asetetaan f(x) nollaksi, niin saadaan: + x 6 = x = ±. Kokoomalla tulokset yhteen saadaan kriittisiksi pisteiksi (, ), (, ), (, ), (,). Martion kirja kannustaa tutkiman toisen asteen neliömuotoa: Q(h) = h T Ah, a b missä h = (h, h ) T ja A =. Matriisin A determinanttia voi (usein) b c käytää kriiittisten pisteiden karakterisoimisen apuna. Piste (, ): a = c = ja b = 6, joten ac b = 6 < eli Q on indefiniitti eli piste (, ) on satulapiste. Piste (, ): a = c = ja b = 6, joten ac b = 6 < eli Q on indefiniitti eli piste (, ) on satulapiste. Piste (, ): a = c = 6 ja b =, joten ac b = 6 > eli Q on negatiivisesti definiitti eli piste (, ) on aito lokaali maksimi. Piste (, ): a = c = 6 ja b =, joten ac b = 6 > eli Q on positiivisesti definiitti eli piste (, ) on aito lokaali minimi. Kuvassa on piirretty funktion f(x) = x + x x x x + 4 graafi, sekä kriittiset pisteet. (b) Lasketaan osittaisderivaatat f(x) = x 4x, f(x) = x, a = f(x) = 6x x, b = f(x) = f(x) =, c = f(x) =. Etsitään kriittiset pisteet. Asetetaan ensin f(x) nollaksi ja saadaan, että x =. Kun asetetaan f(x) nollaksi, niin saadaan: x 4x = 4x (x + /4) =. 6

5 5-5 -.5.5 -.5 x - -.5 -.5.5 x.5.5 Kuva : Funktion f(x) = x + x x x x + 4 graafi ja kriittiset pisteet (, ), (, ), (, ), (,). Tästä seuraa, että x = tai x = /4. Eli kriittiset pisteet ovat (, ) ja ( /4, ). Piste (, ). Nyt a = b = c = eli Q on semidefiniitti. Nyt determinantista ei ole apua, vaan pitää keksiä jotain muuta. Kun x =, niin f(x) = x >, kun x >. Jos x = ja x >, niin f(x) = x x 4 < eli origon ympäristössä funktio f saa sekä positiivisia, että negatiivisia arvoja, joten piste (, ) ei ole lokaali aäriarvo. Piste ( /4, ): a = 9/4, b = ja c =, joten ac b = 8/4 < eli Q on indefiniitti eli piste ( /4, ) on satulapiste. Funktiolla f(x) = x x x 4 ei siis ole lokaaleja ääriarvoja. Kuvassa on piirretty funktion f graafi, sekä kriittiset pisteet. (c) Huomautus, että funktion alkuperäisessä määrittelyssä oli virhe. Lasketaan 7

.5..5 -.5 -. -.5 -. - -.5 x.5 -. -. x.. Kuva : Funktion f(x) = x x x 4 graafi ja kriittiset pisteet (, ) ja (-/4,). osittaisderivaatat f(x) = x + x, f(x) = x + x + x, a = f(x) =, b = f(x) = f(x) =, c = f(x) = + 6x. Etsitään kriittiset pisteet. Asetetaan ensin f(x) nollaksi ja saadaan, että x = x /. Asettamalla f(x) nollaksi ja sijoittamalla x = x /, niin saadaan: x + x x / = x (x + /) =. Tästä seuraa, että x = tai x = /. Huomioimalla myös x = x / saadaan kriittiset pisteet (, ) ja (/4, /). Piste (, ): a =, b = ja c =, joten ac b = > eli Q on positiivisesti definiitti eli piste (, ) on aito lokaali minimi. 8

Piste (/4, /): a =, b = ja c =, joten ac b = < eli Q on indefiniitti eli piste (/4, /) on satulapiste. Kuvassa on piirretty funktion f(x) = x + x + x + x x graafi, sekä kriittiset pisteet..6.4. -. -.4 -.. -.5.4 x x.6 -.5 Kuva : Funktion f(x) = x + x + x + x x graafi ja kriittiset pisteet (, ) ja (/4, /). 9