Az előadás anyagának törzsrésze

Hasonló dokumentumok
ELŐADÁS. 1. Az egyváltozós differenciálszámítás alkalmazásai I. Két nevezetes tétel típusú" limesz kiszámí-

Matematika A1a - Analízis elméleti kérdései

Kalkulus II. Beugró kérdések és válaszok 2012/2013 as tanév II. félév

Határozott integrál. Newton -Leibniz szabály. alkalmazások. improprius integrál

Többváltozós analízis gyakorlat

Laplace-transzformáció. Vajda István február 26.

f (ξ i ) (x i x i 1 )

VI. Deriválható függvények tulajdonságai

A Riemann-integrál intervallumon I.

Matematika 4 gyakorlat Földtudomány és Környezettan BSc II/2

FELVÉTELI VIZSGA, július 15.

Molnár Bence. 1.Tétel: Intervallumon értelmezett folytonos függvény értékkészlete intervallum. 0,ami ellentmondás uis. f (x n ) f (y n ) ε > 0

Els gyakorlat. vagy más jelöléssel

9. HATÁROZATLAN INTEGRÁL

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

Gazdasági matematika I. tanmenet

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

ANALÍZIS II. TÉTELBIZONYÍTÁSOK ÍRÁSBELI VIZSGÁRA

Differenciálszámítás. Lokális szélsőérték: Az f(x) függvénynek az x 0 helyen lokális szélsőértéke

Néhány szó a mátrixokról

Az integrálszámítás néhány alkalmazása

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

= n 2 = x 2 dx = 3c 2 ( 1 ( 4)). = π 13.1

GYAKORLAT. 1. Egyváltozós függvények deriválása (ismétlés)

l.ch TÖBBVÁLTOZÓS FÜGGVÉNYEK HATÁRÉRTÉKE ÉS DIFFERENCIÁLHATÓSÁGA

Gyökvonás. Hatvány, gyök, logaritmus áttekintés

2. NUMERIKUS INTEGRÁLÁS

ANALÍZIS II. DEFINÍCIÓK, TÉTELEK

Numerikus módszerek 2.

2010/2011 es tanév II. féléves tematika

7. tétel: Elsı- és másodfokú egyenletek és egyenletrendszerek megoldási módszerei

Differenciálegyenletek

Matematika III előadás

Differenciálgeometria feladatok

(x + 1) sh x) (x 2 4) = cos(x 2 ) 2x, e cos x = e

0.1 Deníció. Egy (X, A, µ) téren értelmezett mérhet függvényekb l álló valamely (f α ) α egyenletesen integrálhatónak mondunk, ha

f függvény bijektív, ha injektív és szürjektív is (azaz minden képhalmazbeli elemnek pontosan egy ısképe van)

5. Logaritmus. I. Nulladik ZH-ban láttuk: 125 -öt kapjunk. A 3 5 -nek a 3. hatványa 5, log. x Mennyi a log kifejezés értéke?

2014/2015-ös tanév II. féléves tematika

Határozzuk meg, hogy a következő függvényeknek van-e és hol zérushelye, továbbá helyi szélsőértéke és abszolút szélsőértéke (

OPTIMALIZÁLÁS LAGRANGE-FÉLE MULTIPLIKÁTOR SEGÍTSÉGÉVEL

KIEGÉSZÍTÉS A VONALINTEGRÁLHOZ

BSc Analízis II. előadásjegyzet 2009/2010. tavaszi félév

Absztrakt vektorterek

1. MECHANIKA-MOZGÁSTAN GYAKORLAT (kidolgozta: Szüle Veronika, egy. ts.) Matematikai összefoglaló

Tehetetlenségi nyomatékok

Felügyelt önálló tanulás - Analízis III.

1. MECHANIKA-MOZGÁSTAN GYAKORLAT (kidolgozta: Szüle Veronika, egy. ts.) Matematikai összefoglaló

Vektortér fogalma vektortér lineáris tér x, y x, y x, y, z x, y x + y) y; 7.)

Kétváltozós függvények differenciálszámítása

Analízis II. Analízis II. Beugrók. Készítette: Szánthó József. kiezafiu kukac gmail.com. 2009/ félév

MATEMATIKA 1. előadás jegyzet Földtudomány és Környezettan alapszakos hallgatók számára. Csomós Petra

Matematika I. Vektorok, egyenesek, síkok

Differenciálegyenletek december 13.

GAZDASÁGI MATEMATIKA I.

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Lajk o K aroly Kalkulus II. Debreceni Egyetem Matematikai es Informatikai Int ezet

Differenciálegyenlet rendszerek

Matematika BSc tanárszak Analízis IV. előadásjegyzet 2010/2011. tavaszi félév

A L Hospital-szabály, elaszticitás, monotonitás, konvexitás

Óravázlatok: Matematika 2. Tartományintegrálok

1. Bevezetés. 2. Felületek megadása térben. A fenti kúp egy z tengellyel rendelkező. ismerhető fel, hogy. 1. definíció. Legyen D R n.

Improprius integrálás

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

IX. A TRIGONOMETRIA ALKALMAZÁSA A GEOMETRIÁBAN

12. Mikor nevezünk egy részhalmazt nyíltnak, illetve zártnak a valós számok körében?

A fontosabb definíciók

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Többváltozós, valós értékű függvények

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

Többváltozós, valós értékű függvények

Kalkulus 2., Matematika BSc 1. Házi feladat

1. feladat Oldja meg a valós számok halmazán a következő egyenletet: 3. x log3 2

Analízis II. harmadik, javított kiadás

Egy szép és jó ábra csodákra képes. Az alábbi 1. ábrát [ 1 ] - ben találtuk; talán már máskor is hivatkoztunk rá.

Feladatsor A differenciálgeometria alapja c. kurzus gyakorlatához

JPTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

n n (n n ), lim ln(2 + 3e x ) x 3 + 2x 2e x e x + 1, sin x 1 cos x, lim e x2 1 + x 2 lim sin x 1 )

1. Komplex függvények dierenciálhatósága, Cauchy-Riemann egyenletek. Hatványsorok, elemi függvények

7. HATÁROZATLAN INTEGRÁL. 7.1 Definíció és alapintegrálok

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

HÁZI FELADATOK. 1. félév. 1. konferencia A lineáris algebra alapjai

4. Hatványozás, gyökvonás

Boros Zoltán február

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

ANALÍZIS III. ELMÉLETI KÉRDÉSEK

I. feladatsor i i i i 5i i i 0 6 6i. 3 5i i

Debreceni Egyetem. Kalkulus II. Gselmann Eszter

Matematika szigorlat, Mérnök informatikus szak I máj. 12. Név: Nept. kód: Idő: 1. f. 2. f. 3. f. 4. f. 5. f. 6. f. Össz.: Oszt.

2 (j) f(x) dx = 1 arcsin(3x 2) + C. (d) A x + Bx + C 5x (2x 2 + 7) + Hx + I. 2 2x F x + G. x

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

A határozott integrál fogalma és tulajdonságai

Feladatok az 5. hétre. Eredményekkel és teljesen kidolgozott megoldásokkal az 1,2,3.(a),(b),(c), 6.(a) feladatokra

Analízis házi feladatok

Matematika A1a Analízis

Differenciálegyenletek

Matematika III előadás

Exponenciális és logaritmikus egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlôtlenségek

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Átírás:

Az elődás nygánk törzsrésze 2. félév 1. Az egyváltozós differenciálszámítás lklmzási 1. Szélsőértékek. Foglmk. Def. Egy R pont környezete olyn J nyílt intervllum, melyre J. Def. Egy f : R R függvénynek lokális minimum vn -bn, h -nk vn olyn J környezete, melyre f() f(x) x J. Hsonlón:... lokális mximum vn... h f() f(x) x J. Ilyenkor z pont neve: lokális minimumhely/mximumhely. Def. Egy f : R R függvénynek globális minimum vn -bn egy H hlmzr nézve, h f() f(x) x H. Hsonlón:... globális mximum vn... h f() f(x) x H. Szélsőérték = minimum vgy mximum (lok./glob. esetben is mondjuk). A szélsőérték szükséges feltétele. Tétel. H f differenciálhtó -bn és ott lokális szélsőértéke vn, kkor f () = 0. Megj.: z f () = 0 feltétel nem elégséges: pl. f(x) := x 3 -nek 0-bn nincs szélsőértéke, bár f (0) = 0. További feltételekkel kiegészítve már elégséges lesz. 2. Monotonitás. Foglmk (ismétlés). Egy f : R R függvény z I intervllumon szigorún növő, h, b I esetén fennáll: < b f() < f(b), szigorún csökkenő, h...... f() > f(b). Feltétele derivált lpján. Tétel. Legyen f differenciálhtó egy I intervllumon. H f (x) > 0 ( x I) f szigorún növő I-ben. H f (x) < 0 ( x I) f szigorún csökkenő I-ben. Következmény: lokális szélsőérték elégséges feltétele z 1. deriválttl Állítás. Legyen f () = 0. H f előjelet vált -bn (zz előtte és után +, vgy előtte + és után egy környezetében), kkor f-nek lokális szélsőértéke vn -bn. 3. A lokális szélsőérték elégséges feltétele második deriválttl. Tétel. Legyen f kétszer differenciálhtó -bn, és f () = 0. H f () > 0 f-nek lokális minimum vn -bn. H f () < 0 f-nek lokális mximum vn -bn. 1

2. Integrálszámítás egy változóbn/1. I. Htároztln integrál (primitív függvény). Alpgondolt: eddig megtnultunk deriválni: f f. Most visszfelé csináljuk: dott függvény minek deriváltj? 1. Alpfoglmk és tuljdonságok. Itt mindvégig legyen I egy intervllum. Def. Legyen f : I R. Azt mondjuk, hogy F primitív függvénye f-nek, h F = f. Azz, h F (x) = f(x) x I. Alptétel ( primitív függvény egyértelműsége dditív konstns erejéig). Legyen I intervllum, f : I R és F egy primitív függvénye f-nek. Ekkor f bármely primitív függvénye előáll F + c lkbn, hol c R állndó. Jelölés: H f : I R, kkor f(x) dx z áltlános primitív függvény, f ún. htároztln integrálj. Azz, h F = f, kkor f(x) dx = F (x) + c (c R). 2. Kiszámítás. (i) Elemi függvényekre: deriválttáblázt "visszfelé". (ii) Műveletek. (f + g) = f + g; kf = k f, h k R. (iii) Két integrálátlkító módszer (néh egyszerűbb lkr hozzák feldtot). Prciális integrálás: f g = fg fg. Helyettesítéses integrálás: f(x) dx = f(g(t)) g (t) dt g(t)=x hol g szigorún monoton, diff.-htó függvény. II. Htározott integrál (Riemnn-integrál). 1. A Riemnn-integrál foglm. f : [, b] R folytonos függvény esetén értelmezzük. Szükséges foglmk: Def. Az I = [, b] intervllum felosztásánk hívunk bármely olyn τ := {x 0, x 1,..., x n } ponthlmzt, melyre n N + és = x 0 < x 1 <... < x n 1 < x n = b. A hlmz elemeit osztópontoknk hívjuk. Def. H τ dott felosztás, kkor k = 1,..., n esetén x k := x k x k 1. A felosztás finomság: F(τ n ) := mx x k. 2

Def. (Drboux-féle lsó és felső közelítő összeg.) H τ dott felosztás, kkor s(f, τ) := n min f x k és S(f, τ) := n mx f x k. k=1 I k k=1 I k Tétel. Bármely f : [, b] R folytonos függvényhez létezik egyetlen I R szám z lábbi tuljdonsággl: h (τ n ) dott felosztások olyn sorozt, melyre lim F(τ n) = 0, kkor n lim s(f, τ n ) = lim S(f, τ n ) = I. Def. f Riemnn-integrálj tételbeli I szám. Jelölés: változó nélkül b f = I, 2. Értelmezés áltlánosbb közelítő összegekkel változóvl b f(x) dx = I. Az I k = [x k 1, x k ] részintervllumokon minimum és mximum helyett bármely függvényérték vehető, dott u k I k pontokbn. Ekkor s(f, τ) és S(f, τ) helyére lép Def. Riemnn-féle közelítő összeg: R(f, τ) := n f(u k ) x k. Tétel. H (τ n ) dott felosztások olyn sorozt, melyre lim F(τ n ) = 0, kkor n lim R(f, τ n ) = b f. k=1 3

3. Integrálszámítás egy változóbn/2. I. A htározott integrál kiszámítás. 1. Az integrálszámítás lptétele (Newton-Leibniz-szbály). Tétel. Legyen f : [, b] R folytonos. H F egy primitív függvénye f-nek, kkor b f(x) dx = F (b) F (). Jelölés: [ F ] b := F (b) F (), ezzel: b f(x) dx = [ F ] b. 2. Műveletek, integrálátlkító módszerek Összeg és számszoros: Prciális integrálás: Helyettesítéses integrálás. b (f + g) = b f + b b f g = [ fg ] b b fg g; b kf = k h g szigorún monoton, diff.-htó függvény, = g(c) és b = g(d), kkor b f(x) dx = d c f(g(t)) g (t) dt. II. A htározott integrál jelentése, lklmzási. 1. Görbe ltti terület (pozitív értékű függvény esetén). 2. "Végtelen összegzés". Fizikábn egy összmennyiség megfelelő sűrűség integrálj, pl. tömeg sűrűségé, z össztöltés töltéssűrűségé. 3. Grfikon ívhossz h f folytonos, kkor III. Improprius integrál. b 1 + (f (x) 2 dx. Def. Legyen I = [, b), hol b R vgy b = +. Legyen f : I R folytonos, és F egy primitív függvény. Azt mondjuk, hogy f impropriusn integrálhtó I-ben, h lim F, és ekkor b b f(x) dx := lim b F F (). H z pont nincs I-ben, kkor hsonló definíció: f : (, b] R esetén f : (, b) R esetén b b f(x) dx := F (b) lim F, f(x) dx := lim b F lim F. b f. 4

4. Többváltozós differenciálszámítás/1. Többváltozós függvények áltlános lkj: f : R n R m Többdimenziós környezet és belső pont foglm: Def. Egy R n pont környezete egy középpontú, vlmilyen r > 0 sugrú gömb. Az pont egy H R n hlmznk belső pontj (jelölés: inth), h H trtlmzz egy környezetét. (Deriválthoz és szélsőértékhez kell.) I. Prciális derivált 1. Prciális derivált z f : R 2 R esetben A prciális derivált értelmezése. Def. Egy f : R 2 R függvény első változó szerinti prciális deriváltj egy (, b) intd f pontbn: f(x,b) f(,b) 1 f(, b) := lim, x x h ez limesz létezik és véges. Azz, z x f(x, b) függvényt deriváljuk z x = helyen. (Más gykori jelölések: 1 f helyett x f vgy f, zz változóvl indexeljük.) x Geometrii jelentés: z (, b) pontbn felülethez z x irány fölött húzott érintő meredeksége (rjz). Másképp: z f függvény (, b) pontbeli "pillntnyi" változás, h csk x-et mozgtjuk. Hsonlón: második változó szerinti prciális derivált f(,y) f(,b) 2 f(, b) := lim, y b y b h ez létezik és véges. Azz, z y f(, y) függvényt deriváljuk z y = b helyen. (Más gykori jelölések: y f vgy f.) y Geometrii jelentés: mint z előbb, h x helyett y-t írunk. Def. Prciális deriváltfüggvény: h z f : H R függvényre létezik 1 f(u, v) H R 2 hlmz minden (u, v) pontjábn, kkor z (u, v) 1 f(u, v) függvény jelölése 1 f : H R. (Hsonló 2 f-re.) A prciális derivált kiszámítás. A megfelelő változó szerint deriválunk, másik változót konstnsnk tekintjük. 2. Más dimenziók. H f : R n R: fentihez hsonlón megy, z i-edik változó (zz x i ) szerinti i f(x 1,..., x n ) prciális deriválthoz z x i változót mozgtjuk és e szerint deriválunk. (Más jelölések: xi f vgy f x i.) ( ) H f : R n R m : itt x R n esetén f(x) = f 1 (x),..., f m (x). Ekkor z f 1,..., f m ún. koordinátfüggvények számértékűek, így ezeket lehet prciálisn deriválni. 5

3. Második prciális derivált. Legyen f : R n R. H vlmelyik i f : R n R prciális deriváltfüggvénynek mgánk is vn j-edik prciális deriváltj egy pontbn, kkor ezt j i f()-vl jelöljük (második prciális derivált) egy H hlmzon, kkor j i f : H R ( " függvény) H i = j, kkor i i f helyett 2 i f szokott jelölés. (Vigyázt, ez ( i f) 2!) II. Derivált (Jcobi-mátrix, grdiens) 1. Értelmezése Def. f C 1 (R n, R m ), h f : R n R m, és i = 1,..., m, j = 1,..., n esetén j f i prciális deriváltfüggvények léteznek és folytonosk R n -en. Def. H f C 1 (R n, R m ), kkor f deriváltj egy R n pontbn z 1 f 1 () 2 f 1 ()... n f 1 () { } f 1 f 2 () 2 f 2 ()... n f 2 () () := j f i () = i=1,...,m. j=1,...,n..... 1 f m () 2 f m ()... n f m () m n-es mátrix. Neve: f Jcobi-mátrix -bn. Speciálisn, h f számértékű (zz m = 1), kkor sormátrixot kpunk, mit vektornk tekintünk: f () = ( 1 f(), 2 f(),... n f() ), ennek neve f grdiense -bn. Gykrn f () helyett f()-vl jelöljük. 2. Jelentése Közelítés szempontjából érvényes z 1-dimenziós eset nlógiáj: h h 0, kkor f( + h) f() + f ()h =: l(h). Geometrii jelentés z f : R 2 R esetben: z l függvény grfikonj z = ( 1, 2 ) ponthoz trtozó érintősík f() = ( 1 f(), 2 f()) grdiensvektor zt z irányt dj meg, merre legmeredekebb z emelkedés. Ez zt is jelenti, hogy merőleges szintvonlkr. Hsonlón, f() iránybn legmeredekebb lejtés, erre folyik le víz egy lejtőn. 6

I. Második derivált Legyen f : R n R. 1. Előzetes foglmk 5. Többváltozós differenciálszámítás/2. H f : R n R differenciálhtó, kkor z f (x) = ( 1 f(x), 2 f(x),..., n f(x)) deriváltkt R n -beli vektoroknk tekintjük, így értelmes z f : R n R n deriváltfügvény. Def. f C 2 (R n, R), h i, j = 1,..., n esetén j i f prciális deriváltfüggvények léteznek és folytonosk R n -en. 2. A második derivált értelmezése Def. H f C 2 (R n, R), kkor f második deriváltj egy R n pontbn z 1f() 2 2 1 f()... n 1 f() { } f 1 2 f() 2f() 2... n 2 f() () := j i f() = i=1,...,m. j=1,...,n..... 1 n f() 2 n f()... nf() 2 n n-es négyzetes mátrix. (Neve: f Hesse-mátrix -bn.) 3. A második derivált szimmetriáj Young-tétel. H f C 2 (R n, R), kkor j i f = i j f ( i, j). II. A többváltozós derivált lklmzási 1. Közelítés Tylor-polinomml (i) Elsőfokú közelítés. Láttuk z első deriváltnál f legjobb lineáris közelítését: h h 0, kkor f( + h) f() + f ()h =: T 1 ( + h). (ii) Másodfokú közelítés. Def. Egy n n-es A mátrix kvdrtikus lkj: Ah h (h R n ). Ennek segítségével: h h 0, kkor f( + h) f() + f ()h + 1 f ()h h =: T 2 2 ( + h), ez f( + h) legjobb másodfokú közelítése. 7

2. Szélsőértékszámítás Jó tuljdonság: megfelelő foglmkkl mjdnem minden nlóg z 1D esettel! (Kivéve monotonitást, mi itt értelmetlen.) (i) Foglmk. Def. Egy f : R n R függvénynek lokális minimum vn -bn, h -nk vn olyn G környezete, melyre f() f(x) x G. (ii) Feltételek. Tétel. H egy f C 1 (R n, R) függvénynek lokális szélsőértéke vn -bn, kkor f () = 0 ( nullvektor), zz i f() = 0 ( i = 1,.., n). Tétel. Legyen egy f C 2 (R n, R) függvényre f () = 0. H f () sjátértékei > 0 f-nek lokális minimum vn -bn. H f () sjátértékei < 0 f-nek lokális mximum vn -bn. Megj. Többdimenziós jelenség: h f ()-nk vn + és - sjátértéke is, kkor nincs szélsőérték, hnem ún. nyeregpont: egy iránybn minimum és egy másik iránybn mximum vn. III. Primitív függvény több változóbn (potenciál) Adott függvény minek deriváltj? (Nem mindig vn ilyen függvény.) Def. Egy f : R n R n függvénynek F : R n R primitív függvénye, h F = f. Ez most koordinátákkl zt jelenti, hogy i F = f i ( i = 1,.., n). "Ferde szimmetri". Tétel. Egy f C 1 (R n, R n ) függvénynek pontosn kkor létezik primitív függvénye, h j f i = i f j ( i = 1,.., n). F kiszámítás: z egyes változók szerinti integrálássl (gykorlt). 8

I. Többváltozós Riemnn-integrál 1. Riemnn-integrál tégllpon. (i) Értelmezése. Legyen T := [, b] [c, d] tégllp, 6. Többváltozós integrál/1 f : T R folytonos függvény. Hogyn értelmezzük grfikon ltti térfogtot? Az 1D esethez hsonlón építjük fel, most csk Riemnn-féle közelítő összegekkel. Felosztás: T tégllpot most kis tégllpokr osztjuk fel rácshálóvl. Jelölje ezeket T kl (k = 1,..., n, l = 1,..., m), hol T két oldlát n ill. m részre bontottuk. Jelölje ezek oldlhosszát x k és y l, ekkor felosztás finomság legngyobb részintervllum hossz: F(τ) := mx( x k, y l ). Közelítő összeg: válsszunk (u k, v l ) T kl pontokt ( k, l), ekkor R(f, τ) := n m f(u k, v l ) x k y m. Jelölés: ezentúl n k=1 l=1 k=1 l=1 m helyett csk. k,l Az integrál közelítő összegek htárértéke lesz, h felosztást finomítjuk. Azz, f z szám, melyre z lábbi teljesül: h (τ n ) dott felosztások olyn T sorozt, melyre lim F(τ n ) = 0, kkor n lim R(f, τ n ) = Jelölése változókkl: T f(x, y) dx dy. Gykori jelentése (mint 1D-bn): sűrűségfüggvény összegzése. T f. (ii) Kiszámítás. Két egyváltozós integrálll lehet, formálisn egyszerűen 2. Riemnn-integrál más trtományon. T helyett d b c írndó: (i) Téglán: fentiekkel teljesen nlóg, kiszámítás három egyváltozós integrálll. (ii) Más trtományon, pl. körlp, gömb, sokszög. H H R n (n = 2 vgy 3) ilyen trtomány, kkor belefoglljuk egy T H tégllpb/tégltestbe és T -t osztjuk fel. A közelítő összegekben viszont csk zon T kl -ek szerepelnek, melyeknek vn közös részük H-vl. Fontos péld (síkon): H 1 dx dy = A(H) (H területe). 9

II. Felületi integrál 1. Sim felületek. Def. Legyen T R 2 tégllp, h C 1 (R 2, R 3 ), és S R 3 olyn hlmz, melyre h bijekció T és S között. Ekkor S-et sim felületnek hívjuk (minden pontjábn vn érintősík). 2. A felszín értelmezése sim felületre. Tekintsük T egy τ felosztását kis T kl tégllpokr, ezek képe S-en egy görbe vonlú rácsháló. E háló elemeit helyettesítsük olyn P kl prlelogrmmákkl, melyek oldli érintővektor irányúk, hosszuk = két görbe oldl ívhossz. Jelölje P kl területét A kl, ekkor felszín közelítő összege: R(S, τ) := k,l A kl. Def. Az S sim felület felszíne z z A(S) szám, melyre z lábbi teljesül: h (τ n ) dott felosztások olyn sorozt, melyre lim n F(τ n ) = 0, kkor lim R(S, τ n ) = A(S). 3. Felületi integrál. Legyen f : S R folytonos függvény. Tekintsük fenti eljárást, és válsszunk y kl pontokt T kl tégllpok képéből. Legyen Def. S R(f, S, τ) := f(y kl ) A kl. k,l f da z szám, melyre z lábbi teljesül: h (τ n ) dott felosztások olyn sorozt, melyre lim F(τ n ) = 0, kkor n lim R(f, S, τ n ) = S f da. Jelentése: sűrűségfüggvény összegzése, pl. felület össztömege/össztöltése. Péld: konstns integrálj. H f 1, kkor Hsonlón, S S 1 da = lim k,l A kl = A(S). c da = c A(S), h c R állndó. 10

7. Többváltozós integrál/2; komplex számok I. Vonlintegrál 1. A vonlintegrál értelmezése Legyen ϕ : [, b] R n, melyre ϕ létezik és folytonos [, b]-n, vlmint legyen f : R n R n folytonos függvény. Jelölje Γ ϕ képét. Szokásos feltevés: ϕ injektív, zz görbe nem metszi önmgát. Kivétel: megengedhetjük, hogy ϕ() = ϕ(b), ekkor Γ-t zárt görbének hívjuk. b Def. f vonlintegrálj Γ mentén: f := f(ϕ(t)) ϕ (t) dt. Γ 2. A vonlintegrál kiszámítás Newton-Leibniz-szbállyl Tétel. H f-nek létezik F : R n R primitív függvénye, kkor f = F (ϕ(b)) F (ϕ()). Γ Gykrn vizsgáljuk zárt görbén vonlintegrált. A fenti tételből ekkor ϕ() = ϕ(b) mitt null lesz z integrál: Áll. H f-nek létezik F : R n R primitív függvénye, kkor zárt görbén f = 0. Igzolhtó ennek megfordítás is: h bármely zárt görbére f = 0, kkor f-nek Γ vn primitív függvénye. Megj.: Láttuk, hogy egy f C 1 (R n, R n ) függvénynek pontosn kkor létezik primitív függvénye, h j f i = i f j ( i, j = 1,.., n). Ez feltétel tehát grntálj Newton-Leibniz-szbály érvényességét; ekvivlens zzl, hogy bármely zárt görbére f = 0. II. Komplex számok. 1. Értelmezésük. Legyen i := 1 egy új, ideális elem. Szemléltetés: síkon R z x tengely, i rá merőleges egységvektor. Def. A komplex számok hlmz C := { + ib :, b R}. (A fenti szemléltetéssel sík vektori, ún. komplex számsík.) 2. Műveletek: + és eredménye is komplex szám, úgy számolunk, mint vlóskkl, és felhsználjuk, hogy i 2 = 1. Γ Γ 11

3. Polárkoordináták: mint korábbn z R 2 síkon. H z = + ib 0, kkor! r > 0 és ϕ [0, 2π) : = r cos ϕ, b = r sin ϕ. Ezzel z = r(cos ϕ + i sin ϕ). 4. Komplex elemi fügvények. Cél: h z C, értelmezni e z, sin z, cos z értékét. Szemléletesen nem lehet, de htványsorrl igen, és így szokásos zonosságok is érvényesek lesznek. Def. H z C, e z := z n, cos z := ( 1) n z2n, sin z := ( 1) n z2n+1. n! (2n)! (2n+1)! n=0 Az elemi függvények kpcsolt: Áll. e iz = cos z + i sin z ( z C). Következmények. n=0 1. köv.: e iϕ = cos ϕ + i sin ϕ ( ϕ R). Azz, z egységkörvonl pontji e iϕ lkbn írhtók. H tehát ϕ R, kkor e iϕ = 1 és e iϕ z egységkörvonl ϕ szögű pontj. Néhány spec. eset: e iπ = 1, e 2iπ = e 0 = 1. 2. köv.: e iz = cos z i sin z, cos z = 1 2 (eiz + e iz ), sin z = 1 2i (eiz e iz ). 5. Polárkoordináták exponenciális lkj. A fenti 1. köv. szerint: Következmények: z = re iϕ. A komplex szorzás exponenciális lkj: Spec. eset: zw = rϱ e i(ϕ+θ). n=0 h z = re iϕ és w = ϱe iθ, kkor z 2 = re i2ϕ, és ezt ismételve z n = re inϕ (n N). 12

8. Elemi vektorszámítás 1. Bevezetés. Az újbb deriváltfoglmk formálisn = ( 1, 2,..., n ) operátorból szármztthtók. Az "operátor" zt jelenti, hogy függvényhez függvényt rendel: f f. 2. Alpfoglmk. (i) Differenciáloperátorok. Legyen f := (f 1, f 2,..., f n ) : R n R n dott függvény, melyre f C 1 (R n, R n ). f divergenciáj: div f := f := 1 f 1 + 2 f 2 +... + n f n. Ekkor div f : R n R számértékű függvény. f rotációj: h n = 3: rot f := f := i j k 1 2 3 f 1 f 2 f 3 Ekkor rot f : R 3 R 3 vektorértékű függvény. = 2 f 3 3 f 2 ( 1 f 3 3 f 1 ) 1 f 2 2 f 1 h n = 2: rot f := 1 f 2 2 f 1 (z előbbi 3. koordinát). Ekkor rot f : R 2 R számértékű függvény. (ii) Fluxus értelmezése. Legyen S sim felület. S-et zárt felületnek hívjuk, h teret két (egy belső és egy külső) komponensre osztj. (Pl. gömbfelület.) Egy x S pontbeli külső normálvektor z x-beli érintősíkr merőleges, kifelé muttó egységvektor, jele ν(x). Ez meghtároz egy ν : S R 3 függvényt. Tekintsünk egy f C 1 (R 3, R 3 ) vektormezőt. Az egész S felületen z áthldó erővonlk S-re merőleges összmennyisége Φ f := f ν, mit fluxusnk hívunk. 3. A differenciáloperátorok kpcsolt integrálokkl. (i) Rotáció és vonlintegrál. Legyen f C 1 (R n, R n ). A korábbn látottkból következik: rot f = 0 bármely zárt görbére f = 0. Áltlánosbbn: Stokes-tétel: legyen f C 1 (R 2, R 2 ) vektormező, Γ pozitív irányítású zárt görbe, D pedig Γ belseje. Ekkor rot f = f. D S Γ Γ. 13

(ii) Divergenci és felületi integrál. Guss-Osztrogrdszkij-tétel: legyen f C 1 (R 3, R 3 ) vektormező, S zárt sim felület, D pedig S belseje. Ekkor div f = f ν. Megjegyzés: div f = 0 bármely zárt felületen D S S f ν = 0. Fiziki jelentés. A fluxus 0 z S-en ki- és beármló összmennyiség zonos (nygmegmrdás). 14

9. Differenciálegyenletek/1. 1. Foglmk, bevezetés. Differenciálegyenlet: ismeretlen függvény és bizonyos deriváltji közti kpcsoltot leíró egyenlet. A differenciálegyenlet közönséges (KDE), h z ismeretlen függvény egyváltozós; prciális (PDE), h z ismeretlen függvény többváltozós. A differenciálegyenlet rendje: legmgsbb szereplő derivált rendje. Szokásos feltevés, hogy y : I R (intervllumon értelmezett, vlós értékű); 2. Differenciálegyenletek eredete, felállítás. Példák: Bktériumok szporodás (biológii modell): y (x) = Ky(x), hol K > 0 szporodási rát. Sóoldt koncentrációjánk változás: y (t) = 0, 6 0, 2 y(t), mi egy elsőrendű KDE. 3. Az y = y KDE megoldás. Ismert, hogy y(x) = e x ilyen függvény. Mi z összes megoldás? Levezetése. Feltevés: y(x) 0 egy I intervllumon. Ekkor y (x) = y(x) y (x) y(x) y(x) = e x+c = e c e x, hol c R tetsz. = 1 integrálv: ln y(x) = x + c, hol c R tetszőleges konstns (elég z egyik oldlon) Itt c 1 := e c megfeleltetéssel: c R tetsz. c 1 > 0 tetsz. y(x) = c 1 e x, hol c 1 > 0 tetsz. y(x) = c 2 e x, hol c 2 = ±c 1 0 tetsz. Végül: itt c 2 = 0 is jó, hisz y(x) 0 is megoldás. A c 2 helyett c is írhtó, így z áltlános megoldás: y(x) = c e x, hol c R tetszőleges konstns. Levezetés "dx" formlizmussl. Fent jobb oldlon 1 dx = x + c volt. Észrevétel: z y-r vontkozó integrál lényege z volt, hogy külső függvényre 1 dy = ln y (itt nem kellett +c). Ugyenezek elvégezhetők "dx" formlizmussl is: y dy dx = y dy = dx integrálv: ln y = x + c, hol c R. y Innen fenti módon kpjuk, hogy y = c e x, hol c R. 15

4. Szétválszthtó KDE: y = h(y)g(x), hol h, g dott folytonos függvények. A fenti formlizmus most is jó. 1. lépés. H h-nk c zérushelye, zz h(c) = 0, kkor z y c konstnsfüggvény megoldás, mert y = 0, és h(y) 0 mitt jobb oldl is 0. 2. lépés. Feltesszük, hogy h(y) 0 egy I intervllumon. Ekkor dy dy = h(y)g(x) dx h(y) = g(x)dx dy h(y) = g(x)dx + c, hol c R tetszőleges konstns. Integrálás után egy H(y) = G(x)+c egyenletet kpunk, miből ki kell fejeznünk y-t x függvényeként. Gykori speciális eset: y = h(y). Ez fenti típusú, h g(x) := 1. Péld: bktériumok szporodás: y = Ky. 1. Konstns megoldás: y 0 (h nincs bkt., de ez nem érdekes). 2. Érdemi eset: h y > 0. Ekkor: dy dx = Ky dy y = Kdx integrálv: ln y = Kx + c, hol c R tetsz. (most nem kell ln y, mert y > 0) y = e c e Kx = c 1 e Kx, hol c 1 > 0 tetsz. A K rányossági tényező tehát megoldásbn kitevő szorzój lesz. 16

10. Differenciálegyenletek/2. 1. Másodrendű lineáris KDE. Ún. állndó együtthtós homogén egyenletekkel fogllkozunk: (H) y (t) + by (t) + cy(t) = 0, hol, b, c R állndók, 0. (A modellekben t időt jelent.) () Az áltlános megoldás A megoldások szerkezete. Áll. Legyen y 1 és y 2 (H) egyenlet két független megoldás, zz nem egymás konstnsszorosi. Ekkor (H) áltlános megoldás: y = c 1 y 1 + c 2 y 2 (c 1, c 2 R tetszőleges). A megoldások előállítás. Tekintsük z (K) λ 2 + bλ + c = 0 ún. krkterisztikus egyenletet (másodfokú). (i) H (K)-nk két vlós gyöke vn, λ 1 és λ 2, kkor y(t) = c 1 e λ 1t + c 2 e λ 2t (ii) H (K)-nk egy vlós gyöke vn, λ, kkor y(t) = c 1 e λt + c 2 te λt (c 1, c 2 R tetsz.) (c 1, c 2 R tetsz.) (iii) H (K)-nk nincs vlós gyöke, kkor két komplex gyök vn: λ 1,2 := α ± iβ. Ekkor vlós értékű megoldások (b) Példák ( rezgések elméletéből) Hrmonikus rezgőmozgás. y(t) = c 1 e αt cos βt + c 2 e αt sin βt (c 1, c 2 R tetsz.). Több modellben (rugó, ing) kitéréssel rányos ellenerő ht, így mozgásegyenlet: my (t) = Dy(t), hol m, D > 0 dott állndók. Átrendezve my (t) + Dy(t) = 0. (i) Az áltlános megoldás. Krkterisztikus egyenlet: (K) mλ 2 + D = 0, D gyökei: λ 1,2 = ±i = ±iω, hol ω := D (ún. frekvenci), m m megoldás: y(t) = c 1 cos ωt + c 2 sin ωt (c 1, c 2 R tetsz.) Megj.: mg z egyenlet is átírhtó frekvenciávl: y (t) + ω 2 y(t) = 0. 17

(ii) A megoldás más lkji. Írjuk fel (c 1, c 2 ) R 2 pontokt polárlkbn: c 1 = A cos ϕ 0, c 2 = A sin ϕ 0, hol A 0 és ϕ 0 [0, 2π). Ekkor y(t) = A cos ϕ 0 cos ωt + A sin ϕ 0 sin ωt = A cos(ωt ϕ 0 ) (ddíciós tételből), zz: y(t) = A cos(ωt ϕ 0 ) (A 0, ϕ 0 [0, 2π) tetsz.) Ez tehát egy periodikus rezgés; z A mplitúdó és ϕ 0 fáziseltolódás tetsz. lehet, de z ω frekvenciát z egyenlet meghtározz. További lk: mivel sin- és cos-hullámok egymás időbeli eltoltji, y(t) = A sin(ωt θ 0 ) (A 0, θ 0 [0, 2π) tetsz.) Megj.: ezek z új lkok más egyenletekre is bejönnek, h (K) gyökei komplexek, hisz ekkor y(t) = e αt (c 1 cos βt + c 2 sin βt) = Ae αt cos(βt ϕ 0 ). Csillpított rezgőmozgás. Súrlódás is ht, így mozgásegyenlet: my (t) = Dy(t) sy (t), hol m, D, s > 0 dott állndók. Átrendezzük és osztunk m-mel, legyen s m =: 2k és ω mint fent, ekkor y (t) + 2ky (t) + ω 2 y(t) = 0. Krkterisztikus egyenlet: λ 2 + 2kλ + ω 2 = 0, gyökei: λ 1,2 = k ± k 2 ω 2. Esetek: (i) Kis csillpítás: k < ω. Gyökök: λ 1,2 = k ±i ω 2 k 2 C (α = k és β = ω 2 k 2 ). Ekkor korábbik lpján y(t) = Ae kt cos( ω 2 k 2 t ϕ 0 ). Ez is rezgés, de mplitúdój Ae kt, mi 0-hoz trt ("lecseng"). (ii) k = ω eset. Gyök: λ = k egyszeres, y(t) = c 1 e kt + c 2 te kt. (iii) Ngy csillpítás: k > ω. Gyökök: λ 1,2 = k ± k 2 ω 2 vlósk, így y(t) = c 1 e λ1t + c 2 e λ2t. A (ii)-(iii) esetekben nincs rezgés. 18

11. Differenciálegyenletek/3. I. Fáziskép: másodrendű KDE megoldásink ábrázolás Ebben fejezetben x(t) jelöli megoldást és ẋ(t) deriváltját (fiziki trdíció). 1. A fáziskép és fázissík foglm. Cél: ábrázolni KDE összes x(t) megoldását; láthtó legyen x(t) és ẋ(t) kpcsolt. Fázissík: A sík, x-nek és ẋ-nk elnevezett tengelyekkel. Ezen megoldások x(t) értékeit és ẋ(t) deriváltjit tüntetjük fel, zz z (x(t), ẋ(t)) pontokt, hol t változik: egy megoldáshoz így egy görbét rendelünk. Fáziskép: A fentiekben kpott görbék összessége (görbesereg), h z összes megoldást szerepeltetjük. 2. A hrmonikus rezgőmozgás fázisképe. () Péld. H m = 1 és D = 1, kkor z egyenlet: ẍ(t) + x(t) = 0. Ekkor ω = 1, így z áltlános megoldás: ennek deriváltj: (hol A 0, x(t) = A cos(t ϕ 0 ), ẋ(t) = A sin(t ϕ 0 ) ϕ 0 [0, 2π) tetsz.) A fáziskép. Adott megoldásnál hol vnnk z (x(t), ẋ(t)) pontok? Észrevétel: x(t) 2 + ẋ(t) 2 = A 2 = állndó. Így z egyes megoldásokhoz trtozó görbék körvonlk. (b) Az áltlános eset, energimegmrdás. Az egyenlet: mẍ(t) + Dx(t) = 0. Ekkor z egyes megoldásokhoz trtozó görbék most ellipszisek: 1 2 Dx(t)2 + 1 2 mẋ(t)2 = állndó. Itt második tg mozgási energi; z első tg rugóvl mozgtott test esetén rugóenergi, ing esetén (mikor D = mg ) helyzeti energi. Az összeg l állndóság tehát z energimegmrdást fejezi ki. A fázisképen láthtó görbék energiszintek, vizsgált test mozgás rögzített energiszinten történik. II. Két egyszerűbb prciális differenciálegyenlet (PDE). PDE: többváltozós függvényt keresünk. Gykori eset: z egyik változó z idő (t), többi térbeli helyzet (térváltozó, pl. h csk egy vn: x; lehet több is, x, y stb.) 19

1. A rezgő húr egyenlete (egy térváltozós hullámegyenlet). Jelölje t z időt, x egy húr pontjit, és u(x, t) húr kitérését rezgés során z x pontbn és t időpillntbn. H nincs külső erő, levezethető, hogy z u függvény teljesíti z lábbi egyenletet: (R) 2 t u(x, t) = v 2 2 xu(x, t), hol v > 0 állndó. Ennek áltlános megoldás: 2. A hővezetés egyenlete. u(x, t) = f(x vt) + g(x + vt). Jelölje ismét t z időt, x egy rúd pontjit, de most u(x, t) hőmérsékletet z x pontbn és t időpillntbn. H nincs külső hőforrás, levezethető, hogy lklms mértékegységgel (HV) Nevezetes megoldások: t u(x, t) = 2 xu(x, t). u(x, t) = e k2t cos kx és u(x, t) = e k2t sin kx (k R állndó). 20