Matematika A2a 2008/4. gyakorlat

A MathWikiből
A lap korábbi változatát látod, amilyen Mozo (vitalap | szerkesztései) 2008. március 14., 17:04-kor történt szerkesztése után volt.
Ez az szócikk a Matematika A2a 2008 alszócikke.

Tartalomjegyzék

Deriváltfogalmak Rn-ben

A többdimenziós terekben több természetes általánosítására lelhetünk az egyváltozós függvények deriváltfogalmának. A következőkben konkrét esetekt nézünk.

Görbék

A görbék lényegében egyváltozós vektorértékű függvények: r: I\to R3; t  \mapsto r(t). Ezekre a deriváltat definiáló határérték válzatlan alakban írható:

\lim\limits_{\tau\to 0}\frac{\mathbf{r}(t+\tau)-\mathbf{r}(t)}{\tau}=\mathbf{r}'(t)

feltéve, hogy ez a határérték egyáltalán létezik az R3 normájában. A geometriai jelentésből az is következik, hogy a fenti határérték ugyanúgy a szelők határértékét, azaz az érintőt adják, mint az egyváltozós függvények esetén. Ekkor t jelentése: idő. A komponensenkénti határértékképzés miatt világos, hogy

\mathbf{r}'(t)=\begin{pmatrix}x'(t)\\y'(t)\\z'(t)\end{pmatrix}

Ezt még a görbe idő szerinti paraméterezésének is nevezzük, melynek fenti deriváltja a sebességet adja és vessző helyett ponttal is jelöljük a deriváltat:

\mathbf{v}(t)=\frac{\mathrm{d}\,\mathbf{r}}{\mathrm{d}\,t}(t)=\dot{\mathbf{r}}(t)

Példa.

\mathbf{r}:[0,4\pi]\longrightarrow\mathbf{R}^3;\quad \mathbf{r}(t)=\begin{pmatrix}\cos(t)\\\sin(t)\\t\end{pmatrix}
set size 0.5,0.5

set parametric set urange [0:4*pi] unset colorbox unset key unset xtics unset ytics unset ztics

splot cos(u),sin(u),u

egy spirál paraméterezése. A deriváltja:

\dot{\mathbf{r}}(t)=\begin{pmatrix}-\sin(t)\\\cos(t)\\1\end{pmatrix}

amiből látszik, hogy az [xy] síkra vett vetülete egy egyenletes körmozgás, a z tengelyre eső vetülete pedig egy egyenesvonalú egyenletes mozgás.

Felületek

Ha adott az

f:\mathbf{R}^2\supset\!\longrightarrow\mathbf{R}

kétváltozós függvény, akkor adott (x0,y0) ∈ Dom(f) pont körül ebből származtathatunk két egyváltozós függvényt:

f(\;.\;,y_0):\{x\in \mathbf{R}\mid (x,y_0)\in\mathrm{Dom}(f)\}\longrightarrow \mathbf{R};\quad\quad x\mapsto f(x,y_0)
f(x_0,\;.\;):\{y\in \mathbf{R}\mid (x_0,y)\in\mathrm{Dom}(f)\}\longrightarrow \mathbf{R};\quad\quad y\mapsto f(x_0,y)

Ezeket parciális függvényeknek nevezzük, és ha differenciálhatóak rendre az x0 és az y0 pontokban, akkor a deriváltjuk a parciális deriváltak:

\partial_1f(x_0,y_0):=\frac{\partial f}{\partial x}(x_0,y_0):=\lim\limits_{t\to 0}\frac{f(x_0+t,y_0)-f(x_0,y_0)}{t}
\partial_2f(x_0,y_0):=\frac{\partial f}{\partial y}(x_0,y_0):=\lim\limits_{t\to 0}\frac{f(x_0,y_0+t)-f(x_0,y_0)}{t}

Geometriailag ezek a (x0,y0) pontban állított [x,z] síkkal illetve az [yz] síkkal vett metszetgörbék, mint egyváltozós függvények deriváltjai. A parciális deriváltfüggvényeket már mint kétváltozós függvényekként definiáljuk:

\partial_1 f:\quad(x_0,y_0)\mapsto \frac{\partial f}{\partial x}(x_0,y_0)
\partial_2 f:\quad(x_0,y_0)\mapsto \frac{\partial f}{\partial y}(x_0,y_0)

Példa.

 f(x,y)= \sin(x) + xy^2 + y^3\,, akkor \begin{matrix}\frac{\partial f(x,y)}{\partial x}=\cos(x)+y^2\\ \\\frac{\partial f(x,y)}{\partial y}=2xy + 3y^2\end{matrix}

Vektor-skalár függvények

Ha adott az

\Phi:\mathbf{R}^3\supset\!\longrightarrow\mathbf{R}

vektorváltozós skalárfüggvény, akkor ezt általában szintfelületekkel ábrázolhatjuk. Egy (x0,y0,z0)elég kis környezetében a függvény -- ha a későbbi értelmeben differenciálható -- akkor jól közelíthető lineáris vektorváltozós skalárfüggvény, tehát valamely

L(x,y,z)=Ax+By+Cz=\mathbf{n}\cdot\mathbf{r}

függvény (x0,y0,z0) pontba való eltoltjával -- hiszen ennek az ábrázolása síkoksorokkal történik, amik a pont elég kis környzetében már a hibahatáron belül térnek el Φ-től. Ez akkor van, ha a leképezés csak elsőnél magasabbrendű tagokban különbözik a lineáristól, azaz létezik ε(r):Dom(Φ) \to R az r0 = (x0,y0,z0)-ban folytonos és ott 0 értéket felvevő függvény, hogy

\Phi(\mathbf{r})-\Phi(\mathbf{r}_0)=\mathbf{n}\cdot (\mathbf{r}-\mathbf{r_0})+\varepsilon(\mathbf{r}).||\mathbf{r}-\mathbf{r_0}||

Mindezek miatt értelmes a fenti n vektort mint a lokális viselkedés jellemzőjét, egyfajta diváltat tekinteni. n-et ekkor a Φ leképezés (x0,y0,z0) ponthoz tartozó gradiensének nevezzük és tömör definíciója a következő:

\lim\limits_{\mathbf{r}\to\mathbf{r}_0}\frac{\Phi(\mathbf{r})-\Phi(\mathbf{r}_0)-\mathrm{grad}\,\Phi(\mathbf{r}_0)\cdot(\mathbf{r}-\mathbf{r}_0)}{||\mathbf{r}-\mathbf{r}_0||}=0

Példa

\Phi:\mathbf{R}^3\rightarrow\mathbf{R};\mathbf{r}\mapsto\mathbf{r}^2

függvényt.

Ekkor a gradiensét a következőkből számítjuk ki:

\Phi(\mathbf{r}) -\Phi(\mathbf{r}_0)=\mathbf{r}^2-\mathbf{r}_0^2=(\mathbf{r}-\mathbf{r}_0)(\mathbf{r}+\mathbf{r}_0)=(\mathbf{r}-\mathbf{r}_0)(\mathbf{r}-\mathbf{r}_0+\mathbf{r}_0+\mathbf{r}_0)=
=2\mathbf{r}_0\cdot(\mathbf{r}-\mathbf{r}_0)+(\mathbf{r}-\mathbf{r}_0)^2=2\mathbf{r}_0\cdot(\mathbf{r}-\mathbf{r}_0)+||\mathbf{r}-\mathbf{r}_0||^2

ahonnan leolvasva:

\mathrm{grad}\,\Phi(\mathbf{r}_0)=2\mathbf{r}_0
\varepsilon(\mathbf{r})=||\mathbf{r}-\mathbf{r}_0||

mely utóbbi valóban folytonos r0-ban és értéke itt 0.

Differenciálhatóság

Legyen f: Rn \supset\!\longrightarrow Rm és u ∈ int Dom(f). Azt mondjuk, hogy f differenciálható az u pontban, ha létezik olyan A: Rn \to Rm lineáris leképezés, hogy

\lim\limits_{x\to u}\frac{f(x)-f(u)-\mathcal{A}(x-u)}{||x-u||_{\mathbf{R}^n}}=0_{\mathbf{R}^m}

Ekkor A egyértelmű és az f leképezés u-bent beli deriválttenzorának vagy differenciáljának nevezzük és df(u)-val vagy Df(u)-val jelöljük. Ezt a fogalmat néha teljes differenciálnak, totális differenciálnak vagy Fréchet-deriváltnak is mondjuk.


pótló gyakorlat 5. gyakorlat
Személyes eszközök