Matematika III előadás

Hasonló dokumentumok
Losonczi László. Debreceni Egyetem, Közgazdaság- és Gazdaságtudományi Kar

2. SZÉLSŽÉRTÉKSZÁMÍTÁS. 2.1 A széls érték fogalma, létezése

A legjobb közeĺıtés itt most azt jelentette, hogy a lineáris

Matematika III előadás

Kétváltozós függvények differenciálszámítása

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

9. TÖBBVÁLTOZÓS FÜGGVÉNYEK DIFFERENCIÁLSZÁMITÁSA. 9.1 Metrika és topológia R k -ban

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Többváltozós, valós értékű függvények

11. gyakorlat megoldásai

Többváltozós, valós értékű függvények

11. gyakorlat megoldásai

MATEMATIKA 2. dolgozat megoldása (A csoport)

1. Parciális függvény, parciális derivált (ismétlés)

Kétváltozós függvény szélsőértéke

Szélsőérték feladatok megoldása

Matematika. 4. konzultáció: Kétváltozós függvények szélsőértéke. Parciális függvény, parciális derivált

Gazdasági matematika II.

Szélsőérték-számítás

Gazdasági matematika II.

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

A L Hospital-szabály, elaszticitás, monotonitás, konvexitás

ANALÍZIS III. ELMÉLETI KÉRDÉSEK

Matematika A1a Analízis

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Nemlineáris programozás 2.

Függvények szélsőérték vizsgálata

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Paraméter

Gazdasági matematika II.

A fontosabb definíciók

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

A gyakorlatok anyaga

FÜGGVÉNYEK TULAJDONSÁGAI, JELLEMZÉSI SZEMPONTJAI

Matematika I. NÉV:... FELADATOK: 2. Határozzuk meg az f(x) = 2x 3 + 2x 2 2x + 1 függvény szélsőértékeit a [ 2, 2] halmazon.

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Függvények

Optimalizálás alapfeladata Legmeredekebb lejtő Lagrange függvény Log-barrier módszer Büntetőfüggvény módszer 2017/

Függvények határértéke, folytonossága FÜGGVÉNYEK TULAJDONSÁGAI, SZÉLSŐÉRTÉK FELADATOK MEGOLDÁSA

Alapfogalmak, valós számok Sorozatok, határérték Függvények határértéke, folytonosság A differenciálszámítás Függvénydiszkusszió Otthoni munka

Többváltozós függvények Feladatok

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat, megoldással,

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

Sorozatok. 5. előadás. Farkas István. DE ATC Gazdaságelemzési és Statisztikai Tanszék. Sorozatok p. 1/2

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉPSZINT Függvények

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Függvények

Valós függvények tulajdonságai és határérték-számítása

Tartalomjegyzék Feltétel nélküli szélsőérték számítás

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat megoldása, június 10

Matematika A1. 9. feladatsor. A derivált alkalmazásai. Függvény széls értékei

2012. október 2 és 4. Dr. Vincze Szilvia

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

Boros Zoltán február

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

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

Számsorok. 1. Definíció. Legyen adott valós számoknak egy (a n ) n=1 = (a 1, a 2,..., a n,...) végtelen sorozata. Az. a n

függvény grafikonja milyen transzformációkkal származtatható az f0 : R R, f0(

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

SZÉLSŐÉRTÉKKEL KAPCSOLATOS TÉTELEK, PÉLDÁK, SZAKDOLGOZAT ELLENPÉLDÁK. TÉMAVEZETŐ: Gémes Margit. Matematika Bsc, tanári szakirány

Módszerek széls érték feladatok vizsgálatára

Szélsőérték-számítás

Függvény határérték összefoglalás

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

6. Függvények. Legyen függvény és nem üreshalmaz. A függvényt az f K-ra való kiterjesztésének

KONVEXITÁS, SZÉLSŐÉRTÉK

A lineáris programozás alapjai

Függvények Megoldások

Gazdasági matematika II.

A Matematika I. előadás részletes tematikája

Matematika I. NÉV:... FELADATOK:

9. feladatsor: Többváltozós függvények deriválása (megoldás)

Matematika elméleti összefoglaló

6. Függvények. 1. Az alábbi függvények közül melyik szigorúan monoton növekvő a 0;1 intervallumban?

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Lagrange-féle multiplikátor módszer és alkalmazása

Matematika (mesterképzés)

Feladatok megoldásokkal az ötödik gyakorlathoz (Taylor polinom, szöveges szélsőérték problémák)

Ellenőrző kérdések a Matematika I. tantárgy elméleti részéhez, 2. rész

b) Ábrázolja ugyanabban a koordinátarendszerben a g függvényt! (2 pont) c) Oldja meg az ( x ) 2

Konjugált gradiens módszer

Számítógépes programok alkalmazása az analízisben

E-tananyag Matematika 9. évfolyam Függvények

Többváltozós analízis gyakorlat, megoldások

5 1 6 (2x3 + 4) 7. 4 ( ctg(4x + 2)) + c = 3 4 ctg(4x + 2) + c ] 12 (2x6 + 9) 20 ln(5x4 + 17) + c ch(8x) 20 ln 5x c = 11

Analízis tételek alkalmazása KöMaL és más versenyfeladatokon

Descartes-féle, derékszögű koordináta-rendszer

MÉSZÁROS JÓZSEFNÉ, NUMERIKUS MÓDSZEREK

Ez a fejezet az eddig tanult lineáris algebra tananyag alkalmazásaként megmutatja,

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

352 Nevezetes egyenlôtlenségek. , az átfogó hossza 81 cm

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT Függvények

2. Hogyan számíthatjuk ki két komplex szám szorzatát, ha azok a+bi alakban, illetve trigonometrikus alakban vannak megadva?

Matematika III. harmadik előadás

f(x) a (x x 0 )-t használjuk.

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

Trigonometria Megoldások. 1) Igazolja, hogy ha egy háromszög szögeire érvényes az alábbi összefüggés: sin : sin = cos + : cos +, ( ) ( )

MATE-INFO UBB verseny, március 25. MATEMATIKA írásbeli vizsga

FÜGGVÉNYEK. A derékszögű koordináta-rendszer

Átírás:

Matematika III. - 3. előadás Vinczéné Varga Adrienn Debreceni Egyetem Műszaki Kar, Műszaki Alaptárgyi Tanszék Előadáskövető fóliák Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 1 / 19

Skalármezők szélsőértéke Definition Azt mondjuk, hogy az f : D R n R függvénynek az r 0 D pontban lokális (helyi) maximuma (minimuma) van, ha van olyan ε > 0, hogy f (r 0 ) f (r) (f (r 0 ) f (r)) teljesül minden r K ε (r 0 ) D esetén. Lokális szélsőértékhelyek R 2 R típusú függvénynél: Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 2 / 19

Definíció Azt mondjuk, hogy az f : D R n R függvénynek az r 0 D pontban szigorú lokális (helyi) maximuma (minimuma) van, ha van olyan ε > 0, hogy f (r 0 ) > f (r) (f (r 0 ) < f (r)) teljesül minden r K ε (r 0 ) D, r r 0 esetén. Definíció Azt mondjuk, hogy az f : D R n R függvénynek az r 0 D pontban globális (abszolút) maximuma (minimuma) van, ha f (r 0 ) f (r) (f (r 0 ) f (r)) teljesül minden r D esetén. Azt mondjuk, hogy az f : D R n R függvénynek az r 0 D pontban szigorú globális (abszolút) maximuma (minimuma) van, ha f (r 0 ) > f (r) (f (r 0 ) < f (r)) teljesül minden r D, r r 0 esetén. Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 3 / 19

Szélsőérték létezésének elegendő feltétele Korlátos zárt halmazon folytonos függvény felveszi a függvényértékek infimumát és supremumát is függvényértékként, ami azt jelenti, hogy a függvénynek az illető korlátos zárt halmazon van minimuma és maximuma. Szélsőérték létezésének elsőrendű szükséges feltétele Ha az f : D R n R függvénynek az r 0 D belső pontban lokális szélsőértéke van és léteznek f első parciális deriváltjai r 0 -ban, akkor ( ) 1 f (r 0 ) = 2 f (r 0 ) =... = n f (r 0 ) = 0. A ( ) feltételt kielégítő r 0 pontokat az f függvény stacionárius pontjainak nevezzük. Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 4 / 19

Szélsőérték létezésének elegendő feltétele Tegyük fel, hogy az f : D R n R függvény összes második parciális deriváltjai folytonosak az r 0 D belső pont egy környezetében, továbbá 1 f (r 0 ) = 2 f (r 0 ) =... = n f (r 0 ) = 0, azaz r 0 stacionárius pontja f -nek. I. Ha a Q(h) = Q(h 1,..., h n ) := n j=1 i=1 n j i f (r 0 )h i h j kvadratikus függvény pozitív definit, azaz Q(h) > 0 minden h R n, h 0 esetén, akkor f -nek szigorú lokális minimuma van r 0 -ban. II. Ha a Q kvadratikus függvény negatív definit, azaz Q(h) < 0 minden h R n, h 0 esetén, akkor f -nek szigorú lokális maximuma van r 0 -ban. III. Ha a Q kvadratikus függvény indefinit, azaz Q(h) felvesz pozitív és negatív értékeket is, akkor f -nek nincs szélsőértéke r 0 -ban. Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 5 / 19

Q definitsége megállapítható az ún. sarokdeterminánsok előjeleiből: 1 (r 0 ) := 1 1 f (r 0 ) ( ) 1 1 f (r 0 ) 1 2 f (r 0 ) 2 (r 0 ) := det 2 1 f (r 0 ) 2 2 f (r 0 ) 1 1 f (r 0 ) 1 2 f (r 0 ) 1 3 f (r 0 ) 3 (r 0 ) := det 2 1 f (r 0 ) 2 2 f (r 0 ) 2 3 f (r 0 ) 3 1 f (r 0 ) 3 2 f (r 0 ) 3 3 f (r 0 ) 1 1 f (r 0 )... 1 n f (r 0 ) n (r 0 ) := det......... n 1 f (r 0 )... n n f (r 0 ) Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 6 / 19

A definitség megállapítása sarokdeterminánsokkal Egy kvadratikus függvény pontosan akkor pozitív definit, ha mátrixának bal felső sarokdeterminánsai pozitívak: 1 (r 0 ) > 0, 2 (r 0 ) > 0,..., n (r 0 ) > 0 Egy kvadratikus függvény pontosan akkor negatív definit, ha mátrixának bal felső sarokdeterminánsai váltakozó előjelűek úgy, hogy 1 (r 0 ) negatív: 1 (r 0 ) < 0, 2 (r 0 ) > 0, 3 (r 0 ) < 0,... Ha egy kvadratikus függvény mátrixának bal felső sarokdeterminánsai nullától különbözőek, és a fenti két eset nem áll fenn, akkor a kvadratikus függvény indefinit. Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 7 / 19

Lokális szélsőérték keresése (szabad szélsőérték feladatok) 1.lépés: Az elsőrendű parciális derivált függvények meghatározása 2.lépés: A 1 f = 2 f =... = n f = 0 egyenletrendszer megoldása (Úgynevezett stacionárius pontok - több ilyen pont is lehet) 3.lépés: A másodrendű parciális derivált függvények meghatározása 4.lépés: A másodrendű parciális derivált függvények értékének meghatározása a stacionárius pontokban. 5.lépés: A stacionárius pontokhoz tartozó Q kvadratikus függvény definitségének eldöntése a sarokdeterminánsok segítségével. 6.lépés: Az "Szélsőérték létezésének elegendő feltétele" tétel alkalmazása. Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 8 / 19

Feltételes szélsőérték Definíció Legyen f : D R n+m R, h i : D R n+m R (i = 1,..., m) adott függvények. Azt mondjuk, hogy az f függvénynek az r 0 D pontban a h 1 (r) = 0, h 2 (r) = 0,..., h m (r) = 0 feltételek mellett lokális feltételes maximuma (minimuma) van, ha van olyan ε > 0, hogy f (r 0 ) f (r) (f (r 0 ) f (r)) teljesül minden r D K ε (r 0 ) mellett, melyre h 1 (r) = h 2 (r) =... = h m (r) = 0 Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 9 / 19

A feltételes szélsőérték szükséges feltétele Tegyük fel, hogy f, h i : D R n+m R (i = 1,..., m), az f függvénynek az r 0 D belső pontban a h 1 (r) = 0, h 2 (r) = 0,..., h m (r) = 0 feltételek mellett lokális feltételes szélsőértéke van; továbbá az f és h i függvények parciális deriváltjai folytonosak r 0 egy környezetében és a ( j h i (r 0 ) ) (j = 1,..., n + m, i = 1,..., m) mátrixnak van nemzérus m-edrendű aldeterminánsa. Ekkor vannak olyan λ 1,..., λ m R valós számok, hogy az F(r) := f (r) + λ 1 h 1 (r) +... + λ m h m (r) (r D) függvényre 1 F(r 0 ) =... = n+m F(r 0 ) = 0. A λ 1,..., λ m számokat Lagrange-féle multiplikátoroknak nevezzük, az F függvényt feltételes szélsőérték probléma Lagrange-féle függvényének nevezzük. Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 10 / 19

Példa Egy szállító cég csak olyan téglatest alakú dobozokat fogad el, amelyeknél a leghosszabb oldal hossza és a rá merőleges oldallap kerülete együttesen nem haladja meg a 270 centimétert. Milyen méretek mellett lesz a küldemény térfogata maximális? Jelölje x, y, z a hosszat, a magasságot és a szélességet. A változók szimmetrikus szerepére való tekintettel tegyük fel, hogy x y 0, x z 0. A V (x, y, z) = xyz térfogat maximumát keressük az x + 2y + 2z = 270 feltétel mellett. A Tétel jelöléseivel az f (x, y, z) = xyz függvény maximumát keressük a h(x, y, z) := x + 2y + 2z 270 = 0 feltétel mellett. Ekkor F(x, y, z, λ) = xyz + λ(x + 2y + 2z 270). Az x y 0 és x z 0 feltételek teljesülését az F függvény stacionárius pontjainak megkeresése után direkt módon ellenőrizzük. Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 11 / 19

Példa Határozzuk meg az f (x, y) = y 2 + 2x 2 y + x 4 (x, y R) függvény szélsőértékeit! Megoldás: Szélsőérték ott lehet, ahol 1 f = 2 f = 0: 1 f (x, y) = 4xy + 4x 3 2 f (x, y) = 2y + 2x 2 Az I. 4xy + 4x 3 = 0 II. 2y + 2x 2 = 0 egyenletrendszer I. egyenlete 4x (y + x 2 ) = 0 alakban írható, melyből kapjuk, hogy x = 0 vagy y = x 2. Ezt visszahelyettesítve II.-be: x = 0 y = 0 y = x 2 helyettesítéssel azonosságot kapunk. Ez azt jelenti, hogy f -nek a D = {(x, y) R 2 y = x 2 } halmaz elemei lehetséges szélsőértékhelyek. Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 12 / 19

1 1 f (x, y) = 4y + 12x 2 1 2 f (x, y) = 4x 2 1 f (x, y) = 4x 2 2 f (x, y) = 2 A másodrendű deriváltfüggvények értékének meghatározása a D halmaz pontjaiban: 1 1 f (x, x 2 ) = 4x 2 + 12x 2 = 8x 2 1 2 f (x, x 2 ) = 4x Mivel det ( 8x 2 4x 4x 2 2 1 f (x, x 2 ) = 4x 2 2 f (x, x 2 ) = 2 ) = 16x 2 16x 2 = 0, a sarokdeterminánsok segítségével nem tudjuk eldönteni, hogy az (x, x 2 ) pontok szélsőértékhelyek-e vagy sem. Az f függvény f (x, y) = y 2 + 2x 2 y + x 4 = (y + x 2 ) 2 alakban írható, így könnyen látható, hogy értékkészlete a nemnegatív valós számok halmaza. A minimum értéke így 0, melyet f a D halmaz pontjaiban vesz fel. Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 13 / 19

Az f (x, y) = y 2 + 2x 2 y + x 4 függvény grafikus képe Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 14 / 19

Példa A lapos kerek tányér alakja az x 2 + y 2 1 egyenlőtlenséggel jellemezhető. A tányért úgy melegítjük, hogy a hőmérséklet az (x, y) pontban: T (x, y) = x 2 + 2y 2 x. Találjuk meg a tányér legmelegebb és leghidegebb pontját! Megoldás: A T (x, y) = x 2 + 2y 2 x függvény abszolút szélsőértékeit keressük az x 2 + y 2 1 feltétel mellett, azaz az origó középpontú egység sugarú zárt D körlapon. (D = {(x, y) R 2 x 2 + y 2 1}) D korlátos zárt halmaz, ezért a T folytonos függvény felveszi e halmazon a maximumát és minimumát is; vagy D belsejében (D o ) lokális szélsőérték formájában, vagy D határán: x 2 + y 2 = 1. Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 15 / 19

I. Szélsőérték keresése a D o halmazon: 1 T (x, y) = 2x 1 2 T (x, y) = 4y I. 2x 1 = 0 II. 4y = 0 Az egyenletrendszer megoldása x = 1 2, y = 0, így szélsőérték lehet az r 0 = ( 1 2, 0) D o helyen. A másodrendű deriváltfüggvények: 1 1 T (x, y) = 2 1 2 T (x, y) = 0 2 1 T (x, y) = 0 2 2 T (x, y) = 4 Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 16 / 19

Mivel 1 1 T (r 0 ) = 2 > 0 és det ( 2 0 0 4 ) = 8 0 > 0, r 0 lokális minimumhelye T -nek és T (r 0 ) = T ( 1 2, 0) = 1 4. II. Szélsőérték keresése D határán: A T (x, y) = x 2 + 2y 2 x függvény abszolút szélsőértékeit keressük az x 2 + y 2 = 1 feltétel mellett, azaz az origó középpontú egység sugarú zárt K körvonalon. (K = {(x, y) R 2 x 2 + y 2 = 1}) K korlátos zárt halmaz, ezért a T folytonos függvény felveszi e halmazon a maximumát és minimumát is. Mivel x 2 + y 2 = 1 y 2 = 1 x 2, így a t(x) := x 2 + 2(1 x 2 ) x = x 2 x + 2, x [ 1, 1] függvény szélsőértékét keressük a [ 1, 1] korlátos, zárt intervallumon. Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 17 / 19

szélsőérték keresése ] 1, 1[-on: t (x) = 2x 1, t (x) = 0 x = 1 2 t ( 1 2) = 2 < 0 x = 1 2 lokális maximumhelye t-nek Mivel y = ± 1 x 2, így x = 1 2 1 esetén y = ± 1 4 = ± 3 2. Ekkor T ( 1 2, 3 2 ) = T ( 1 2, 3 2 ) = 9 4. értékek a [ 1, 1] határán: x = 1 y = 0 és T ( 1, 0) = 2 x = 1 y = 0 és T (1, 0) = 0 Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 18 / 19

Összegezve az eddigieket: A T ( 1, 0) = 2, T (1, 0) = 0, T T ( 1 2, 3 2 ) = T ( ) 1 2, 0 = 1 4 ( 1 ) 3 2, = 9 2 4 adatok között a fentiek miatt T abszolút minimuma és maximuma is szerepel. A tányér leghidegebb pontjának koordinátái: ( 1 ( 2, 0), a tányér legmelegebb pontjának koordinátái: 1 ) ( 2, 3 2 és 1 ) 2, 3 2. Vinczéné Varga Adrienn (DE-MK) Matematika III. 2016/2017/I 19 / 19