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

Hasonló dokumentumok
Matematika III előadás

Kétváltozós függvények differenciálszámítása

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Kalkulus 2., Matematika BSc 1. Házi feladat

11. gyakorlat megoldásai

11. gyakorlat megoldásai

Többváltozós függvények Feladatok

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

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

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

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

Többváltozós, valós értékű függvények

Feladatsor A differenciálgeometria alapja c. kurzus gyakorlatához

Szélsőérték-számítás

Óravázlatok: Matematika 2.

Többváltozós, valós értékű függvények

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

MATEMATIKA 2. dolgozat megoldása (A csoport)

9. feladatsor: Többváltozós függvények deriválása (megoldás)

ANALÍZIS II. Példatár

I. feladatsor. 9x x x 2 6x x 9x. 12x 9x2 3. 9x 2 + x. x(x + 3) 50 (d) f(x) = 8x + 4 x(x 2 25)

Analízis III. gyakorlat október

A legjobb közeĺıtés itt most azt jelentette, hogy a lineáris

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

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

1. Parciális függvény, parciális derivált (ismétlés)

Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

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

Matematika A1a Analízis

Kétváltozós függvény szélsőértéke

Matematika I. NÉV:... FELADATOK:

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

Feladatok megoldásokkal a 9. gyakorlathoz (Newton-Leibniz formula, közelítő integrálás, az integrálszámítás alkalmazásai 1.

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Matematika III előadás

Matematika I. Vektorok, egyenesek, síkok

Függvények vizsgálata

Szélsőérték feladatok megoldása

Matematikai analízis II.

Dierenciálhatóság. Wettl Ferenc el adása alapján és

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit. (L Hospital szabály, Taylor-polinom,

Feladatgyûjtemény. Analízis III. Sáfár Zoltán

Függvények szélsőérték vizsgálata

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Többváltozós analízis gyakorlat, megoldások

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

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

Kettős integrál Hármas integrál. Többes integrálok. Sáfár Orsolya május 13.

Számítógépes programok alkalmazása az analízisben

2. sillabusz a Többváltozós függvények kurzushoz

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

Feladatok megoldásokkal az első gyakorlathoz (differencia- és differenciálhányados fogalma, geometriai és fizikai jelentése) (x 1)(x + 1) x 1

A képzetes számok az isteni szellem e gyönyörű és csodálatos hordozói már majdnem a lét és nemlét megtestesítői. (Carl Friedrich Gauss)

Dierenciálhányados, derivált

Függvények Megoldások

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

Losonczi László. Debreceni Egyetem, Közgazdaság- és Gazdaságtudományi Kar

Differenciálszámítás. 8. előadás. Farkas István. DE ATC Gazdaságelemzési és Statisztikai Tanszék. Differenciálszámítás p. 1/1

Nemlineáris programozás 2.

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat megoldása, június 10

2. SZÉLSŽÉRTÉKSZÁMÍTÁS. 2.1 A széls érték fogalma, létezése

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉPSZINT Függvények

10. Differenciálszámítás

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

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

2014/2015. tavaszi félév

A L Hospital-szabály, elaszticitás, monotonitás, konvexitás

Matematika A1a Analízis

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Függvények

A fontosabb definíciók

Matematika (mesterképzés)

Matematika III előadás

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

Matematika II. Feladatgyűjtemény GEMAN012B. Anyagmérnök BSc szakos hallgatók részére

x 2 e x dx c) (3x 2 2x)e 2x dx x sin x dx f) x cosxdx (1 x 2 )(sin 2x 2 cos 3x) dx e 2x cos x dx k) e x sin x cosxdx x ln x dx n) (2x + 1) ln 2 x dx

3. Lineáris differenciálegyenletek

1/1. Házi feladat. 1. Legyen p és q igaz vagy hamis matematikai kifejezés. Mutassuk meg, hogy

Matematika M1 1. zárthelyi megoldások, 2017 tavasz

Figyelem, próbálja önállóan megoldani, csak ellenőrzésre használja a következő oldalak megoldásait!

Felületek differenciálgeometriai vizsgálata

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

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Függvények

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

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

cos 2 (2x) 1 dx c) sin(2x)dx c) cos(3x)dx π 4 cos(2x) dx c) 5sin 2 (x)cos(x)dx x3 5 x 4 +11dx arctg 11 (2x) 4x 2 +1 π 4

Integrálszámítás. a Matematika A1a-Analízis nevű tárgyhoz november

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

Matematika elméleti összefoglaló

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Példatár Lineáris algebra és többváltozós függvények

Integrálszámítás (Gyakorló feladatok)

x = cos αx sin αy y = sin αx + cos αy 2. Mi a X/Y/Z tengely körüli forgatás transzformációs mátrixa 3D-ben?

LNM folytonos Az interpoláció Lagrange interpoláció. Lineáris algebra numerikus módszerei

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit. (Derivált)

1. Oldja meg a z 3 (5 + 3j) (8 + 2j) 2. Adottak az A(1,4,3), B(3,1, 1), C( 5,2,4) pontok a térben.

Miskolci Egyetem GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR. Polárkoordinátás és paraméteres megadású görbék. oktatási segédanyag

Átírás:

1. Többváltozós függvények 1. Bevezetés Ennek a fejezetnek a célja a kétváltozós függvények vizsgálata, ami során a 3-dimenziós felületeket szeretnénénk megérteni. 1. definíció. Legyen D R n. Ekkor az f : D R függvényt n-változós valós függvénynek hívjuk. Az n-változós valós függvény másik jelölése: Speciális esetek: w f(x 1, x 2,..., x n ), ahol w, x i R 1. Kétváltozós függvények: D R 2, f : D R, azaz z f(x, y) Ezt az x, y, z 3-dimenziós térben ábrázolva egy felületet kapunk. Néhány természetes kérdés ezzel kapcsolatban: (a) Határozzuk meg a felület egy P 0 pontjában az érintősíkot! (b) Határozza meg a felület lokális minimumait és maximumait! (c) Határozza meg a felület és az xy sík közötti térrész térfogatát! 2. Háromváltozós függvények: D R 3, f : D R, azaz w f(x, y, z) Egy természetes kérdés ezzel kapcsolatban: Legyen f(x, y, z) a D térrész sűrűségfüggvénye. Mekkora D tömege? 2. Felületek megadása térben A felületek megadására három módszert ismertetünk: 1. Explicit megadási mód: azaz a felület pontjai z f(x, y), {(x, y, f(x, y)) : (x, y) D} (a) z x + y: sík, melynek egy pontja: P 0 (0, 0, 0), normálvektora: n (1, 1, 1) (b) z x 2 + y 2 : 90 -os nyílásszögű kúp, z szimmetriatengellyel az xy sik felett. A fenti kúp egy z tengellyel rendelkező forgásszimmetrikus alakzat. Általában a z szimmetriatengelyű forgásszimmetrikus alakzat arról ismerhető fel, hogy z g( x 2 + y 2 ) alakú és ekkor ez az xz síkban lévő z g(x) függvény z tengely körüli megforgatásával kapható meg. Például a fenti kúp esetén g( x 2 + y 2 ) x2 + y 2, ezért g(x) x, így az xz síkban lévő z x, x 0 félegyenes megforgatásával kapjuk a felületet, ami egy kúp. (c) z x 2 + y 2 : szintén egy forgásfelület, ahol g( x 2 + y 2 ) x 2 + y 2, ezért g(x) x 2, így az xz síkban lévő z x 2, x 0 félparabola megforgatásával kapjuk a felületet, ami egy ún. forgásparaboloid. 2. Implicit megadási nód: F (x, y, z) 0, azaz a felület pontjai: {(x, y, z) : F (x, y, z) 0} (a) x 2 + y 2 + z 2 R 2 0: O középpontú R sugarú kör (b) z 2 x 2 y 2 0: z szimmetriatengelyű mindkét irányban végtelen, 90 os nyilásszögű kúp (c) x 2 + y 2 z 2 1 0: egyköpenyű hiperboloid 3. Paraméters megadási mód. Legyen T R 2. Legyen r 1 : T R, r 2 : T R, r 3 : T R függvények. A felület: {(r 1 (u, v), r 2 (u, v), r 3 (u, v)) : (u, v) T } (a) (5 cos u, 5 sin u, v), 0 u 2π, 0 v 10: z szimmetriatengelyű r 5 sugarú 0 z 10 közt lévő henger palástja (b) Hogyan paraméterezhtjük az R sugarú O középpontú gömböt? Ha az xz síkban adott az (r 1 (u), r 2 (u)), a u b paraméterezésű görbe, ezt a z tengely körül megforgatva az {(r 1 (u) cos v, r 1 (u) sin v, r 2 (u)) : a u b, 0 v 2π} paraméterezésú felületet kapjuk. 1

A fenti gömbhöz az xz síkban lévő (R sin u, R cos u), 0 u π félkört megforgatva jutunk. Így a gömb paraméterezése: {(R sin u cos v, R sin u sin v, R cos u) : 0 u π, 0 v 2π} 3. Határérték, parciális derivált Ebben a fejezetben a kétváltozós valós függvények vizsgálatához szükséges alapfogalmakat, tételeket adjuk meg. 2. definíció. Legyen D R 2 és f : D R. Azt mondjuk, hogy az (x 0, y 0 ) D az f(x, y) függvény belső pontja, ha létezik olyan (x 0, y 0 ) középpontú kör, mely benne van D-ben. 3. definíció. Legyen D R 2 és f : D R. Azt mondjuk, hogy a D tartomány nyílt, ha minden (x 0, y 0 ) D pont belső pont.. definíció. Legyen D R 2 és f : D R. Legyen az f(x, y) függvény értelmezve az (x 0, y 0 ) körüli kicsi körön legfeljebb az (x 0, y 0 )t kivéve. Ekkor azt mondjuk, hogy az f(x, y) függvény határértéke az L szám, ha minden ɛ > 0 esetén létezik δ > 0 szám úgy, hogy ha Jelölés: 1. 2. 3. A mert f(x, y) L < ɛ 0 < (x x 0 ) 2 + (y y 0 ) 2 < δ f(x, y) L (x,y) (x 0,y 0) sin(x + y) sin(π (x,y) (π/,π/) + π ) 1 (x,y) (0,0) x 2 y x 2 + y 2 0, x 2 y x 2 + y 2 0 x 2 x 2 y y, + y2 ezért δ ɛ választás megfelelő. (x,y) (0,0) x 2 x 2 + y 2 határérték nem létezik, mert ha y mx egyenes mentén közelítjük meg az O-t, f(x, y) f(x, mx) x 2 x 2 + (mx) 2 1 1 + m 2, ami ugyan állandó, de különböző m-ek esetén különböző. A folytonosság fogalma hasonló az egyváltozós függvények esetén ltátthoz: 5. definíció. Az f(x, y) függvény folytonos az (x 0, y 0 ) pontban, ha 1. létezik a f(x, y) (x,y) (x 0,y 0) 2. létezik a f(x 0, y 0 ) 3. (x,y) (x 0,y 0) f(x, y) f(x 0, y 0 ) 6. definíció. Az f(x, y) függvény folytonos, ha az értelmezési tartománya minden pontjában folytonos. Az egyváltozós függvényeknél megszokott tulajdonságok érvényesek a hatáérték és folytonos függvényekre, amikor összeadunk, kivonunk, számmal szorzunk stb.. Parciális dervált Legyen az f(x, y) függvény egy belső pontja (x 0, y 0 ). Tekintsük az xy síkban lévő y y 0 egyenesnek az értelmezési tartományba eső részét. Ennek a képe a felületen lévő görbe, mely az {(x, y 0, z) : x, z R} síkban vannak. Ennek a görbének az (x 0, y 0 ) pontban vett érintőjének meredekségét az egyváltozós függvényeknél tanultakhoz hasonlóan értelmezzük: m x x 0 f(x, y 0 ) f(x 0, y 0 ) x x 0 f(x 0 +, y 0 ) f(x 0, y 0 ) 0 Hasonlóan: tekintsük az xy síkban lévő x x 0 egyenesnek az értelmezési tartományba eső részét. Ennek a képe a felületen lévő görbe, mely az {(x 0, y, z) : y, z R} síkban vannak. Ennek a görbének az (x 0, y 0 ) pontban vett érintőjének meredekségét az egyváltozós függvényeknél tanultakhoz hasonlóan értelmezzük: m y y 0 f(x 0, y) f(x 0, y 0 ) y y 0 f(x 0, y 0 + y) f(x 0, y 0 ) y 0 y 7. definíció. Az f(x, y) függvény (x 0, y 0 ) pontjában vett x szerinti parciális deriváltja: f(x, y 0 ) f(x 0, y 0 ) x x 0 x x 0 f(x 0 +, y 0 ) f(x 0, y 0 ) 0 2

és y-szerinti parciális deriváltja: f(x 0, y) f(x 0, y 0 ) y y 0 y y 0 f(x 0, y 0 + y) f(x 0, y 0 ) y 0 y Jelölés: x-szerinti parciális derivált (x 0, y 0 )-ban: x (x 0, y 0 ), f x(x 0, y 0 ) y-szerinti parciális derivált (x 0, y 0 )-ban: y (x 0, y 0 ) vagy f y(x 0, y 0 ) Az x-szerinti parciális deriváltat úgy számoljuk, hogy y- t konstansnak tekintjük és x-szerint, mint változó szerint deriválunk az egyváltozós függvényeknél megszokott szabályok szerint. Hasonlóan, az y-szerinti parciális deriváltat úgy számoljuk, hogy x-t konstansnak tekintjük és y-szerint, mint változó szerint deriválunk az egyváltozós függvényeknél megszokott szabályok szerint. 1. f(x, y) x 2 y + xy 3 esetén 2xy + y3 x y x2 + 3xy 2 2. f(x, y) x 2 + ye x esetén x 1 2 (x2 + y) 1/2 2xe x + x 2 + ye x y 1 2 (x2 + y) 1/2 e x 3. f(x, y, z) x 3 y 2 sin(x + z 2 ) x 3x2 y 2 sin(x + z 2 ) + x 3 y 2 cos(x + z 2 ) y 2x3 y sin(x + z 2 ) z 2x3 y 2 cos(x + z 2 )2z Mejegyzés: A parciális deriváltak létezéséből nem következik a folytonosság, mint azt az { 0 ha xy 0 f(x, y) 1 ha xy 0 A második parciális deriváltakat az első parciális derivált továbbderiválásával kapjuk: 8. definíció. Az f(x, y) függvény x-szerinti második parciális deriváltja: ( ) x x x 2 f xx Hasonlóan kapjuk a további három második parciális deriváltat: ( ) y x y x f yx x y ( ) y x y f xy ( ) y y 2 f yy Példa: f(x, y) x 2 + xy 2 + x 3 y 2 + y 3. Ekkor f x 2x + y 2 + 3x 2 y 2 f y 2xy + 2x 3 y + 3y 2 xx 2 + 6xy 2 yx 2y + 6x 2 y xy 2y + 6x 2 y yy 2x + 2x 3 + 6y A példában yx xy. Ez általában is igaz: 1. tétel (Young). Ha f(x, y) és parciális deriváltjai f x, f y, f yx, f xy léteznek egy olyan nyílt tartományon, ami tartalmazza az (x 0, y 0 ) pontot, és valamennyi folytonos az (x 0, y 0 ) pontban, yx(x 0, y 0 ) xy(x 0, y 0 ) Az egyváltozós függvényeknél a derivált fogalma a következőtt jelentette: ha ahol ɛ 0, amint 0. y f(x 0 + ) f(x 0 ), y f (x 0 ) + ɛ, Ennek mintájára igaz az alábbi tétel: 2. tétel. Tegyük fel, hogy f(x, y) parciális deriváltjai léteznek egy T nyílt tartományon, mely tartalmazza az (x 0, y 0 ) pontot és tegyük fel, hogy f x és f y folytonosak (x 0, y 0 )-ban. Ekkor az f(x, y) függvény változása kifejezhető z f(x 0 +, y 0 + y) f(x 0, y 0 ) z f x(x 0, y 0 ) + f y(x 0, y 0 ) y + ɛ 1 + ɛ 2 y alakba, ahol ɛ 1, ɛ 2 0, amint, y 0 mindketten. 3

Ez motiválja az alábbi definíciót: 9. definíció. Tegyük fel, hogy f(x, y) értelmezve van egy (x 0, y 0 ) pontot tartalmazó nyílt tartományon. Az f(x, y) függvény differenciálható az (x 0, y 0 ) pontban, ha f x(x 0, y 0 ) és f y(x 0, y 0 ) létezik, és z f x(x 0, y 0 ) + f y(x 0, y 0 ) y + ɛ 1 + ɛ 2 y alakba, ahol ɛ 1, ɛ 2 0, amint, y 0 mindketten. Az f(x, y) függvényt differenciálhatónak mondjuk, ha az értelmezési tartomány minden pontjában differenciálható. Tehát 3. tétel. Ha az f(x, y) függvény f x és f y parciális deriváltjai folytonosak egy nyílt T halmazon, f(x, y) differenciálható a T minden pontjában. A folytonosság definíciójából könnyen látszik az alábbi tétel:. tétel. Ha f(x, y) differenciálható az (x 0, y 0 ) pontban, ott folytonos. 5. Iránymenti derivált, érintősík Legyen az f(x, y) függvény értelmezési tartománya a D R 2 és legyen az (x(t), y(t)), a t b görbe D-ben. Ekkor a w f(x(t), y(t)), a t b egy egyváltozós valós függvény. Ennek deriváltjáról szól az ún. láncszabály: 5. tétel (Láncszabály). Ha az f(x, y) függvény f x, f y parciális deriváltjai folytonosak és x(t), y(t) differenciálható függvényei t-nek, továbbá az (x(t), y(t)) görbe az f(x, y) függvény értelmezési tartományában található, a w f(x(t), y(t)), a t b egyváltozós valós függvény deriváltja: vagy másképp dw dt f x(x(t), y(t))ẋ + f y(x(t), y(t))ẏ dw dt dx x dt + dy y dt Példa: számítsuk ki a láncszabállyal és közvetlenül is az f(x, y) xy függvény t szerinti deriváltját az (x(t), y(t)) (cos t sin t) görbe mentén! A parciális deriváltak mintájára tekinsük az alábbi kérdést. Legyen az f(x, y) függvény értelmezési tartományának egy belső pontja (x 0, y 0 ), és legyen v (v 1, v 2 ) egy v 1 vektor. Tekintsük az (x 0, y 0 ) ponton átmenű v irányvektorú egyenesnek azt a részét, mely az értelmezési tartományba esik. Ez a felületen meghatároz egy görbét. Kérdés: Mekkora ennek a görbének az (x 0, y 0 ) ponthoz tartozó meredeksége? Megoldás: A kérdésre a f(x 0 + v 1 t, y 0 + v 2 t) f(x 0, y 0 ) t 0 t határérték adja meg. Ezt a láncszabállyal számljuk ki, ahol x(t) x 0 + v 1 t y(t) y 0 + v 2 t A láncszabály az alábbit adja: m f x(x 0, y 0 )v 1 + f y(x0, y 0 )v 2 10. definíció. Legyen az f(x, y) függvény értelmezési tartományának egy belső pontja (x 0, y 0 ) és v (v 1, v 2 ) egy v 1 vektor. Ekkor az f(x, y) függvény (x 0, y 0 ) pontjában vett v irányú iránymenti deriváltja: Jelölés: f x(x 0, y 0 )v 1 + f y(x0, y 0 )v 2 v (x 0, y 0 ) Példa: Legyen f(x, y) x 2 + xy 3, (x 0, y 0 ) (1, 2), és v ( 3 5, 5 ). Ekkor f x 2x + y 3, ezért így f y 3xy 2, f x(1, 2) 10, f y(1, 2) 12, v (1, 2) 10 3 5 + 12 5 15, 6 11. definíció. Tegyük fel, hogy az f(x, y) függvény mindkét parciális deriváltja létezik az (x 0, y 0 ) pontban. Ekkor a gradf (f x, f y) vektort gradiensvektornak hívjuk. A gradiensvektor egy másik jelölése: f A gradinsvektort használva az iránymenti derivált az alábbi skalárszorzatként is írható: v gradfv Kérdés: Melyik irányba kapjuk a legnagyobb iránymenti deriváltat, azaz merre emelkedik legjobban a felület? Megoldás: Jelölje γ a gradf és a v vektorok közti szöget. Ekkor a skalárszorzat definíciója szerint: v gradf v cos γ gradf cos γ,

ami maximális, ha γ 0, azaz, ha v a gradf irányába mutató egységvektor. Hasonlóan okoskodva kapjuk, hogy a legkisebb iránymenti deriváltat gradf irányába kapjuk. 13. definíció. At f(x, y) függvény egy kritikus pontja az (x 0, y 0 ), ha vagy vagy legalább az egyik parciális derivált nem létezik. Feladat: Határozza meg az f(x, y) felület (x 0, y 0, f(x 0, y 0 )) pontjához tartozó érintősíkot! Megjegyzés. lehet. Tehát szélsőérték csak kritikus pontban Megoldás: A sík egyenletének meghatározásához egy pontra és a normálvektorra van szükség. Most egy pontját ismerjük, a normálvektort kell meghatároznunk. Ha ismerjük a sík két nem párhuzamos vektorát, ezek vektoriális szorzata lesz a normálvektor. Nyilván az érinitősíkban lesz az x- ill y-szerinti parciális deriváltnál bevezetett felületi görbék érintővektorai. Ezek: v x (1, 0, f x) v y (0, 1, f y) Ekkor a vektoriális szorzat: i j k v x v y 1 0 f x 0 1 f y ( f x,.f y, 1), ezért ennek ( 1)-szerese jó lesz normálvektornak: ezért az érintősík egyenlete: n (f x, f y, 1), f x(x 0, y 0 )(x x 0 ) + f y(x 0, y 0 )(y y 0 ) (z f(x 0, y 0 )) 0 Példa: f(x, y) 2x 2 + xy + 3y 2 érintősíkja (2, 1)-ben Az érintősík z f(x 0, y 0 ) + f x(x 0, y 0 )(x x 0 ) + f y(x 0, y 0 )(y y 0 ) alakba is írható, ahol a jobboldalt az f(x, y) függvény (x 0, y 0 )-ban vett elsőrendő Taylor-polinomjának mondjuk. 6. Kétváltozós függvény lokális szélsőértéke 12. definíció. Az f(x, y) függvény egy (x 0, y 0 ) belső pontjában lokális minimuma (maximuma) van, ha létezik egy olyan (x 0, y 0 )-t tartalmazó kis kör, hogy minden abban lévő (x, y) pont esetén f(x, y) f(x 0, y 0 ) (f(x, y) f(x 0, y 0 )). Megjegyzés: Ha egy (x 0, y 0 ) pontban szélsőérték van és ott létezik érintősík, ott az vízszintes, ami azt jelenti, hogy At f(x, y) függvény (x 0, y 0 ) pontban vett másodrendű Taylor-polinomja: T 2 (x, y) f(x 0, y 0 )+f x(x 0, y 0 )(x x 0 )+f y(x 0, y 0 )(y y 0 )+ 1 (f 2 xx(x 0, y 0 )(x x 0 ) 2 + 2f xy(x 0, y 0 )(x x 0 )(y y 0 )+ Ha yy(x 0, y 0 )(y y 0 ) 2 ) x x 0, y y y 0, T 2 (x, y) f(x 0, y 0 ) + f x(x 0, y 0 ) + f y(x 0, y 0 ) y+ 1 (f 2 xx(x 0, y 0 )() 2 +2f xy(x 0, y 0 ) y+f yy(x 0, y 0 )( y) 2 )+ pici ahol a pici jelentése az, hogy ha és y elég kicsi, ez a rész elhanyogolhatóan pici az összegben szereplő tagokhoz képest, ezért a felület szélsőértékeinek meghatározásánál ezzel nem kell foglalkozni, elég eldöntenünk azt, hogy a másodrendő Taylor-polinomnak van-e szélsőértéke (x 0, y 0 )-ban. Tudjuk, hogy ha van szélsőértéke, és f(x 0, y 0 ) csak a magasságot határozza meg, ezért elég az f xx(x 0, y 0 )() 2 +2f xy(x 0, y 0 ) y+f yy(x 0, y 0 )( y) 2 ( () 2 f xx(x 0, y 0 ) + 2f xy(x 0, y 0 ) y + f yy(x 0, y 0 ) kifejezést megvizsgálnunk a szélsőérték szempontjából. A szorzat második tényezője y -ben egy másodfokú polinom. Ez állandó előjelű, ha a diszkrimináns negatív. Most a diszkrimináns: Emiatt ha és (2 xy(x 0, y 0 )) 2 xx(x 0, y 0 ) yy(x 0, y 0 ). (2 xy(x 0, y 0 )) 2 xx(x 0, y 0 ) yy(x 0, y 0 ) < 0 5

1. xx(x 0, y 0 ) > 0, () 2 ( xx(x 0, y 0 ) + 2 xy(x 0, y 0 ) y + f yy(x 0, y 0 ) 0, (b) H(x i, y i ) < 0, nincs szélsőérték, ún. nyeregpont van. (c) Ha H(x i, y i ) 0, további vizsgálatra van szükség. így (x 0, y 0 )-ban lokális minimum van 2. xx(x 0, y 0 ) < 0, () 2 ( xx(x 0, y 0 ) + 2 xy(x 0, y 0 ) y + f yy(x 0, y 0 ) 0, így (x 0, y 0 )-ban lokális maximum van. Ha a diszkrimináns pozitív, azaz (2 xy(x 0, y 0 )) 2 xx(x 0, y 0 ) yy(x 0, y 0 ) > 0, ( () 2 f xx(x 0, y 0 ) + 2f xy(x 0, y 0 ) y + f yy(x 0, y 0 ) értéke pozitív és negatív is lesz, emiatt nem lesz szélsőérték, ekkor azt mondjuk, hogy (x 0, y 0 ) pont nyeregpont. Öszzefoglalva: a lokális szélsőértékek megkeresése két lépésből áll f(x, y) mindenhol legalább kétszer parciálisan differenciálható függvények esetén: 1. Megkeressük a kritikus pontokat az egyenletrendszer megoldásával. Igy kapjuk a P 1 (x 1, y 1 ), P 2 (x 2, y 2 ),..., P n (x n, y n ) pontokat. 2. Felírjuk az ún. Hesse-determinást: H f xx f xy f xy f yy és megvizsgáljuk a P i pontokban. (a) Ha H(x i, y i ) > 0 i. f xx(x i, y i ) > 0 esetén lokális minimum van P i -ben ii. f xx(x i, y i ) < 0 esetén lokális maximum van P i -ben 6 1. Határozza meg az f(x, y) x + y + xy szélsőértekeit! (a) (b) f x x 3 + y 0, f y y 3 + x 0 megoldásai: P 1 ( 1, 1), P 2 (0, 0), P 3 (1, 1). ezért Innen i. ii. iii. xx 12x 2 xy yy 12y 2, H 1x 2 y 2 16. P 1 : H( 1, 1) 128 > 0, xx( 1, 1) 12 > 0, ezért lokális minimum P 1 -ben P 2 : H(0, 0) 16 < 0, ezért nyeregpont van P 2 -ben. P 3 : H(1, 1) 128 > 0, xx(1, 1) 12 > 0, ezért lokális minimum van P 3 -ban. 2. Határozza meg az R sugarú félgömbből kivágható legnagyobb térfogatú téglatest oldalainak hosszát (feltesszük, hogy minden csúcs a felszínen van). Megoldás: A félgömböt egy félgömbhéj és egy körlemez határolja. Legyen a téglatest körlemezen lévő lapjának oldalai: x, y. Ekkor a Pitagorasztételből kapjuk, hogy a harmadik oldal: z R 2 x2, tehát a téglatest térfogata V V (x, y) xy R 2 x2

Ennek maximumát keressük meg. V x y R 2 x2 x 2 y R 2 x2 V y x R 2 x2 xy 2 R 2 x2 0 0 Ennek - figyelembe véve, hogy x, y > 0 - a megoldása x y 2 3 R, és a Hesse-determináns felírása után látszik, hoy itt maximum van. 3. Legkisebb négyzetek módszere: Határozza meg az P 1 (x 1, y 1 ), P 2 (x 2, y 2 ),..., P n (x n, y n ) pontokat legjobban közelítő Ax + B egyenesben szereplő A, B értékeket, ahol a legjobb közelítést a (y i (Ax i + B)) 2 minimálissá tételével szeretnénk elérni. (b) Ezért 2 f A 2 2 B A 2 f B 2 n x 2 i n x i n H n( x 2 i ) ( x i ) 2 > 0 n (ez az ún. számtani-négyzetes egyenlőtlenség, ha nem minden x i megegyezik.) Megoldás: Legyen f(a, B) (y i (Ax i + B)) 2 Ennek a minimumát kell meghatároznunk. Ehhez (a) A B n n 2(y i (Ax i + B))( x i ) 0 2(y i (Ax i + B))( 1) 0 Az egyenleteket ( 2)-vel osztva kapjuk: x i y i A x 2 i B x i 0 y i A x i Bn 0 Ezt az A, B-ben lineáris egyenletrendszert megoldva a következőt kapjuk: A ( n x i)( n y i) n n x iy i ( n )2 n n x2 i B 1 n n ( y i A x i ) 7