Matematika II: Pracovní listy Funkce dvou proměnných

Transkript

1 Matematika II: Pracovní listy Funkce dvou proměnných Petra Schreiberová, Petr Volný Katedra matematiky a deskriptivní geometrie VŠB - Technická univerzita Ostrava Ostrava 8

2 Obsah Funkce dvou proměnných. Definice Graf funkce dvou proměnných Limita a spojitost funkce dvou proměnných Diferenciální počet funkcí dvou proměnných 7. Parciální derivace Geometrický význam parciálních derivací Diferenciál Tečná rovina Implicitní funkce a její derivace Extrémy funkcí dvou proměnných 8. Lokální extrémy Vázané extrémy Globální extrémy

3 Kapitola Funkce dvou proměnných. Definice Definice: Bud M R, M = množina. Funkcí dvou proměnných na M rozumíme každé zobrazení f : M R, M [x, y] z = f (x, y) R. Množinu M nazýváme definičním oborem funkce f a značíme ji D f. Množina R je kartézským součinem množiny R se sebou, tedy R = R R, jejími prvky a také prvky její podmnožiny M jsou tzv. uspořádané dvojice. Poznámka: V analogii s označením používaným pro funkci jedné proměnné, y = f (x), budeme pro označení funkce dvou proměnných používat z = f (x, y). Proměnné x a y budeme nazývat nezávislé proměnné. Proměnnou z budeme nazývat závislou proměnnou. Není-li specifikován definiční obor, automaticky uvažujeme maximální přípustnou podmnožinu v R. Pro funkci tří a případně více proměnných máme zcela analogickou definici, přidáváme v podstatě pouze nezávislé proměnné. Prvek množiny M nazýváme bod z definičního oboru, obvykle se pro jeho označení používají velká písmena, tj. např. A M. Bod A je určen dvěma složkami, A = [x, y ]. Hodnota z = f (A) = f (x, y ) se nazývá funkční hodnota. Princip hledání definičního oboru pro funkci dvou proměnných je zcela analogický jako pro funkci jedné proměnné. Sestavíme a vyhodnotíme jednotlivé omezující podmínky. Příklad : Určete a graficky znázorněte definiční obor funkce z = Sestavíme omezující podmínky na definiční obor. ln( x) 6 x y. Podmínka x > zaručí existenci logaritmu x <. Jedná se o polorovinu s hraniční přímkou o rovnici x =, která ovšem do definičního oboru nepatří, bude vyznačena čárkovaně. Podmínka 6 x y zajistí existenci druhé odmocniny, podmínka 6 x y = vyloučí možnost dělení nulou. Tyto dvě podmínky se dají sloučit do jediné podmínky, 6 x y > x + y < 4. Jedná se o kruh se středem v počátku a poloměrem 4. Hraniční kružnice do definičního oboru patřit nebude, bude vyznačena čárkovaně. Definičním oborem je pak průnik obou ploch, na obrázku žlutě vyznačená plocha.

4 4 x = x + y = Příklad : Určete a graficky znázorněte definiční obor funkce z = y sin x. Sestavíme omezující podmínky na definiční obor. Podmínka y sin x zaručí existenci odmocniny. Součin y sin x je nezáporný, když jsou oba činitelé nezáporní, nebo jsou oba nekladní, tedy (y sin x ) (y sin x ). Ještě je nutné vyřešit nerovnici sin x resp. sin x, ptáme se, kdy je funkce sinus nezáporná a kdy je nekladná. sin x x + kπ, π + kπ k Z π π/ π π/ π/ π π/ π sin x x π + kπ, + kπ k Z π π/ π π/ π/ π π/ π π π/ π π/ π/ π π/ π

5 Příklady k procvičení: Určete a graficky znázorněte definiční obor funkce: a) z = x y + 8 x + y b) z = x + y c) z = y d) z = x + y y + x e) z = ln x + ln y f) z = ln(y(x + )) g) z = h) z = 6 x y arcsin x arccos x i) z = ln(xy 4) j) z = y x x y ) k) z = arccos (x + y 9 l) z = cos(x y). Graf funkce dvou proměnných Definice: Grafem funkce dvou proměnných rozumíme množinu G f = {[x, y, z = f (x, y)] [x, y] D f }. Poznámka: Množina G f je podmnožinou v R, G f R. Nejčastěji budeme pracovat s funkcemi, jejichž grafem je nějaká plocha v trojrozměrném prostoru. Nakreslit graf funkce dvou proměnných tzv. v ruce je poměrně obtížné, a často to vůbec není možné. Jednou z možností, kterou máme k dispozici, je využít průsečnice grafu zadané funkce se souřadnicovými rovinami, především s půdorysnou rovinou. K vizualizaci grafů se používá výpočetní technika, existuje řada komerčních i volně šiřitelných programů (Gnuplot, Maple, Matematika, Matlab, Wolfram atd.). Grafem funkce tří proměnných je plocha v R 4, tzv. nadplocha. Nelze ji ovšem graficky znázornit. Definice: Řezy grafu funkce z = f (x, y) rovinami rovnoběžnými s půdorysnou rovinou se nazývají vrstevnice. Vrstevnicovým grafem rozumíme průměty vrstevnic do půdorysné roviny z =. Vrstevnice je množina bodů se stejnou funkční hodnotou. S vrstevnicemi se můžeme setkat především na turistických mapách, kde vrstevnice (obvykle šedé křivky) reprezentují množiny bodů se stejnou nadmořskou výškou. Na obrázku se nachází turistická mapa okolí Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava.

6 Příklad : Nalezněte vrstevnicový graf funkce z = Dosadíme do zadané funkce z = k, kde k R, tedy k = 5x x + y + x + y + = 5x k 5x x + y +. x 5x k + y + = Výraz x 5x k jsme doplnili na úplný čtverec, x 5x ( k = x 5 ) 5 k 4k. Nyní je třeba diskutovat konkrétní hodnoty k.. Pro k = (řez grafu funkce z půdorysnou rovinou) dostáváme = osa y. ( x 5 ) + y 5 k 4k + =. 5x x + y + x =, vrstevnicí je (. Pro k = dostáváme x 5 ) + y = 5. Vrstevnicemi budou kružnice pouze v případě, kdy k 4k pravá strana rovnice bude větší než. 5 4k > 5 4k > 5 > 4k k < 5 4 k < 5 k ( 5 ) (,, 5 ). Pro k = ± 5 platí (x ± ) + y =. Jedná se o dvě singulární kružnice (body). Vrstevnicemi jsou dva body, [, ] a [, ]. 4 4 k = k = ± 5 k = ± 5 4 k = ± 5 6 k = ± 5 8 z x y Hledáme průniky grafu funkce s rovinami rovnoběžnými s půdorysnou rovinou, tj. dosazujeme z = k, k R. Číslo k je možné volit libovolně. Ovšem může se stát, že při nevhodné volbě se plochy neprotnou Příklady k procvičení: Sestrojte vrstevnicový graf funkce: a) z = x + y 4 b) z = y x + 4

7 . Limita a spojitost funkce dvou proměnných Limita s spojitost funkce dvou proměnných je definována úplně stejně, jako v případě funkcí jedné proměnné. Definice: Řekneme, že funkce z = f (x, y) má v hromadném bodě P = [x, y ] limitu a R, jestliže ɛ > existuje δ > takové, že X Oδ(P) platí f (X) a < ɛ. Pojem okolí bodu je zobecněn, v případě funkcí jedné proměnné se jedná o otevřený interval, pro funkce dvou proměnných se jedná o otevřený kruh (kruh bez hraniční kružnice). Okolí Oδ(P) je tzv. deltové prstencové okolí v bodě P, jedná se o otevřený kruh se středem v bodě P bez bodu P o poloměru δ. Definice: Bud U R, bod P R se nazývá hromadný bod množiny U, jestliže každé jeho prstencové okolí O(P) má s množinou U neprázdný průnik, O(X) U =. y Y U X Z x Body X a Y jsou hromadné body množiny U. Bod Z není hromadným bodem množiny U. V případě funkcí jedné proměnné vyšetřujeme chování funkce (počítáme limitu) na levé resp. pravé části okolí (otevřeného intervalu). Zkoumáme pouze dva případy. Problém u funkcí dvou proměnných je ten, že k limitnímu bodu se můžeme blížit nekonečně mnoha způsoby. Limity funkcí dvou proměnných řešíme většinou přímým dosazením limitního bodu. Řeší se spíše jiný typ úlohy, dokazuje se, že limita v daném bodě neexistuje. Používaná notace: lim f (X) = a, lim X P f (x, y) = a. [x,y] [x,y ] Definice: Řekneme, že funkce z = f (x, y) je spojitá v bodě P = [x, y ] D f, jestliže platí lim f (x, y) = f (x, y ). [x,y] [x,y ] Funkce je spojitá v bodě, jestliže existuje limita v tomto bodě, kterou určíme přímým dosazením limitního bodu, tj. jako funkční hodnotu v tomto bodě. Funkce je spojitá, je-li spojitá v každém bodě svého definičního oboru. Příklad 4: Vypočítejte limitu funkce z = v bodě [, ] neexistuje. Řešíme první část úlohy, y(x + ) x + v bodě [, ] a dokažte, že limita funkce z = x + x xy + y yx + y lim [x,y] [,] x + = = lim [x,y] [,] y(x + ) (x + )(x x + ) = lim [x,y] [,] y x x + =. 5

8 Ve druhé části úlohy musíme dokázat, že limita neexistuje. Na rozdíl od funkcí jedné proměnné, kdy se k limitnímu bodu můžerme blížit pouze ze dvou stran (zleva a zprava), v případě funkcí dvou i více proměnných se k limitnímu bodu můžeme blížit nekonečně mnoha způsoby. Limita neexistuje v případě, že její hodnota závisí na volbě přibližování, či se pro různé volby přibližování mění. Pokud ovšem limita na konkrétní volbě přibližování nezávisí, pak to ještě neznamená, že existuje. Zkusme se k limitnímu bodu blížit po přímkách prochazejících počátkem, tj. volíme y = kx, k R. Dosadíme y = kx do funkce z = x + x xy + y, x + x lim [x,y] [,] xy + y = y=kx = lim x x + x kx + kx = lim x x + x k(x + x) = lim x k, limita závisí na parametru k, pro různé volby parametru k vyjde různě. Tzn. limita funkce z = x + x xy + y v bodě [, ] neexistuje. z y - R \{[, ]} Příklady k procvičení: Vyřešte: z = yx + y x + [, ] x z z = x + x xy + y y = x = x - y R xy + x y a) lim [x,y] [,] x b) lim [x,y] [ π, 5π 6 ] sin(x + y) x + c) lim [x,y] [,4] y(x + ) 6

9 Kapitola Diferenciální počet funkcí dvou proměnných. Parciální derivace Definice: Řekneme, že má funkce z = f (x, y) parciální derivaci podle x (prvního řádu) v bodě A = [x, y ], jestliže existuje vlastní limita (A) = lim x h Analogicky definujeme parciální derivaci podle y, (A) = lim h f (x + h, y ) f (x, y ). h f (x, y + h) f (x, y ). h V obou případech se počítá limita z funkce proměnné h, h se mění, zbytek je fixován. Jedná se tedy o limitu funkce jedné proměnné. Poznámka: Označení parciálních derivací: z (A), x x (A), f x(a), f x(a), atd. Parciální derivace v obecném bodě, tj. x resp. jsou opět funkce dvou proměnných. Zcela analogicky se definují parciální derivace funkce tří a více proměnných. Když určujeme parciální derivaci podle x, pak vše co není x ve funkci z = f (x, y) chápeme jako konstantu. Tzn. derivujeme takovou funkci jako funkci jedné proměnné, proměnné x. U parciálních derivací podle y postupujeme stejně, co není y chápeme jako konstantu. Počítat parciální derivace funkce dvou proměnných znamená ve skutečnosti výpočet derivací funkcí jedné proměnné. Pro derivování používáme stejné formule a pravidla jako v případě funkcí jedné proměnné.. (c) = 8. (cos x) = sin x u = u(x) v = v(x). (x n ) = nx n 9. (tan x) = cos x. (e x ) = e x. (cot x) = sin x 4. (a x ) = a x ln a. (arcsin x) = x 5. (ln x) = x 6. (log a x) = x ln a. (arccos x) = x 5. [c u] = c u 6. [u ± v] = u ± v 7. [u v] = u v + u v 8. [ u v ] = u v u v. (arctan x) = + x 9. [u(v)] = u (v) v 7. (sin x) = cos x 4. (arccot x) = + x v 7

10 Věta: Necht existují parciální derivace funkcí dvou proměnných f a g podle jednotlivých proměnných x = x a y = x na Q D f D g v bodě X = [x, x ]. Pak platí pro každé i =,, ( f ± g)(x) = (X) ± g (X), x i x i x i ( f g)(x) = (X) g(x) + f (X) g (X), x i x i x i x i ( ) f g (X) = x (X) g(x) f (X) g i g (X) x (X) i.. Geometrický význam parciálních derivací Geometrický význam parciálních derivací je úplně stejný, jako v případě obyčejné derivace funkce jedné proměnné. Jedná se o směrnici tečny sestrojené v daném bodě. Rovina σ určená rovnicí y = y je rovnoběžná s rovinou xz (rovina xz je určena rovnicí y = ). Průnikem roviny σ s grafem funkce z = f (x, y) je křivka κ. Parciální derivace x (A), A = [x, y ], je směrnice tečny (tan α) t κ ke křivce κ v bodě A = [x, y, z = f (x, y )]. Rovina ν určená rovnicí x = x je rovnoběžná s rovinou yz (rovina yz je určena rovnicí x = ). Průnikem roviny ν s grafem funkce z = f (x, y) je křivka λ. Parciální derivace (A), A = [x, y ], je směrnice tečny (tan β) t λ ke křivce λ v bodě A = [x, y, z = f (x, y )]. z ν σ A = [x, y, z ] x κ y A = [x, y ] λ t λ β y t κ α x Poznámka: Parciální derivace druhého a vyšších řádů jsou definovány pomocí parciálních derivací prvního řádu. Definice: Parciální derivace druhého řádu funkce z = f (x, y) jsou definovány: f x = ( ), x x = ( ), f x = ( ), x f x = ( ). x 8

11 Věta: (Schwarzova věta) Jsou-li smíšené parciální derivace x, f x spojité v bodě A = [x, y ], pak jsou si v tomto f bodě rovny, x (A) = x (A). Příklad 5: Určete parciální derivace prvního řádu funkce z = x sin (xy ) v bodě [π, ]. Parciální derivace prvního řádu počítáme vzhledem k jednotlivým proměnným funkce z. Funkce z je funkcí dvou nezávislých proměnných, proměnné x a y. Parciální derivace tedy budeme počítat jak podle proměnné x, tak i podle proměnné y. Vzhledem k definici parciální derivace budeme postupovat tak, že s proměnnou, podle které se nederivuje, budeme pracovat jako s konstantou. To ale v konečném důsledku znamená, že ve funkci z zůstane pouze jedna nezávislá proměnná. Funkce z se stává funkcí jedné proměnné. Takovou funkci již umíme snadno zderivovat. Parciální derivace z funkce z podle proměnné x: x Funkci z derivujeme podle x, proto s proměnnou y budeme pracovat jako s konstantou. Úkolem je derivovat součin dvou funkcí proměnné x, funkce x a složené funkce sin (xy ), kterou derivujeme po jednotlivých složkách v pořadí: druhá mocnina, sinus, xy ; ve výrazu xy je y konstanta v součinu a proto se derivuje pouze x. z x = x (x ) sin (xy ) + x x (sin (xy )) = x sin (xy ) + x sin(xy ) cos(xy ) y = x sin (xy ) + x y sin(xy ) cos(xy ). Parciální derivace z funkce z podle proměnné y: Derivujeme zcela analogicky, v tomto případě budeme jako s konstantou pracovat s proměnnou x, derivujeme tedy složenou funkci; x je konstanta v součinu, proto se derivuje podle y pouze druhý činitel jako složená funkce v pořadí: druhá mocnina, sinus, xy ; ve výrazu xy je x konstanta v součinu a proto se derivuje pouze y, z = x z (sin (xy )) = x sin(xy ) cos(xy ) xy = 4x y sin(xy ) cos(xy ). Parciální derivace jsou opět funkce dvou proměnných a snadno je vyčíslíme na zadaném bodě přímým dosazením: z z (π, ) =, x (π, ) =. Příklad 6: Určete parciální derivace druhého řádu funkce z = x y v bodě [, ]. Nejdříve určíme parciální derivace prvního řádu, derivace podle x, derivujeme mocninou funkci derivace podle y, derivujeme exponenciální funkci z x z = yx y = x y ln x K určení parciálních derivací druhého řádu je třeba parciální derivace prvního řádu (opět se jedná o funkce dvou proměnných) derivovat jak podle x, tak i podle y, z x = x z x = z x = x z = ( ) z x ( ) z x ( ) z ( ) z = x (yxy ) = y(y )x y, = (yxy ) = x y + yx y ln x, = x (xy ln x) = yx y ln x + x y x, = (xy ln x) = x y ln x ln x = x y ln x. 9

12 Zdůrazněme, že v případě spojitých funkcí se spojitými parciálními derivacemi se smíšené parciální derivace podle Schwarzovy věty rovnají. Vskutku: z x = yxy ln x + x y x = yxy ln x + x y x = yx y ln x + x y = x y + yx y ln x = z x. Opět zbývá jednoduché vyčíslení parciálních derivací druhého řádu přímým dosazením zadaného bodu [, ], z (, ) =, x z (, ) =, x z (, ) =, x z (, ) =. 4 z Příklad 7: Určete parciální derivaci x funkce z = x e y + sin(xy ). Derivujeme funkci z postupně podle jednotlivých proměnných. Nejdříve derivujeme podle x, poté ještě jednou podle x a pak postupně dvakrát podle y. z x = 4xey + cos(xy ) y = 4xe y + y cos(xy ) z x = 4ey + y ( sin(xy ) y ) = 4e y y 4 sin(xy ) z x = 4ey [4y sin(xy ) + y 4 cos(xy ) xy] = 4e y 4y sin(xy ) xy 5 cos(xy ) 4 z x = 4ey [y sin(xy ) + 4y cos(xy ) xy] [xy 4 cos(xy ) + xy 5 ( sin(xy ) xy)] = 4e y y sin(xy ) 8xy 4 cos(xy ) xy 4 cos(xy ) + 4x y 6 sin(xy ) = 4e y y sin(xy ) 8xy 4 cos(xy ) + 4x y 6 sin(xy ) Příklady k procvičení: Nalezněte parciální derivace prvního řádu: a) z = x + y b) z = sin(x + y) c) z = (x + )y(x + ) d) z = xy + x y x xy e) z = ln(x y ) f) z = tan(ln(xy)) g) z = x x v bodě [, ] + y h) z = (x + y) x y v bodě [, ] i) z = ln arctan x v bodě [, ] y x Příklady k procvičení: Nalezněte parciální derivace druhého řádu: a) z = cot(x + y) y c) z = x b) z = xe (y+) d) z = x ln y v bodě [, ] e) z = ye xy v bodě [, ] Příklady k procvičení: Vypočítejte parciální derivaci 4 f x funkce z = ln(x + y).

13 . Diferenciál Definice: Řekneme, že funkce z = f (x, y) je v bodě A = [x, y ] diferencovatelná, nebo má v tomto bodě diferenciál, jestliže je možné její přírůstek z na okolí bodu A vyjádřit jako z = f (x + h, y + k) f (x, y ) = Ah + Bk + ρτ(h, k), kde A a B jsou konstanty, ρ = h + k a lim [h,k] [,] τ(h, k) =. Funkce z = f (x, y) se nazývá diferencovatelná, je-li diferencovatelná v každém bodě svého definičního oboru. Věta: Je-li funkce z = f (x, y) diferencovatelní v bodě A, pak v bodě A existují parciální derivace prvního řádu a platí A = x (A), B = (A). Poznámka: Číslo h představuje přírůstek na ose x, k je přírůstek na ose y a bývá zvykem tyto přírůstky značit h = dx resp. k = dy. Pro přírůstek na ose z v bodě A při známé hodnotně dx a dy pak dostáváme z = x (A)dx + (A)dy + ρτ(dx, dy). Definice: Je-li funkce z = f (x, y) diferencovatelná, nazývá se výraz diferenciál funkce z = f (x, y). dz = d f (x, y) = x dx + dy Věta: Je-li funkce z = f (x, y) diferencovatelná v bodě A, pak je v tomto bodě spojitá. Věta: Jsou-li parciální derivace prvního řádu funkce z = f (x, y) spojité v A, pak je funkce z = f (x, y) v bodě A diferencovatelná (a tedy i spojitá). Poznámka: Diferenciál funkce z = f (x, y) dz = x dx + dy. Diferenciál funkce z v bodě A = [x, y ] dz(a) = x (A) (x x ) + (A) (y y ). Diferenciál funkce z v bodě A = [x, y ] při známých přírůstcích dx, dy, Diferenciál druhého řádu funkce z = f (x, y) Přibližný výpočet funkčních hodnot dz(a)(dx, dy) = (A) dx + (A) dy R x d z = x dx + x dxdy + dy f (x, y) f (x, y ) + d f (x, y )(dx, dy)

14 Geometrický význam diferenciálu Diferenciál funkce z = f (x, y) v bodě A při známých přírůstcích dx a dy je přírůstek na tečné rovině ke grafu funkce f v bodě A. z f (A)(dx, dy) X = [x, y, z] z = f (x, y) X = [x, y, z] τ A = [x, y, z ] d f (A)(dx, dy) y dy = y y y y dx = x x x A = [x, y ] x x X = [x, y] Příklad 8: Vypočítejte diferenciál funkce z = f (x, y) = xy v bodě A = [, ]. Určete přibližně hodnotu f (, 4;, 99). Nejdříve určíme parciální derivace prvního řádu podle proměnných x a y, Sestavíme diferenciál funkce z, Dosadíme do diferenciálu dz bod A, dz = x = y xy, = x xy. y xy dx + x xy dy = (ydx + xdy). xy dz(a) = dz(, ) = ((x ) + (y )) = Všimněme si, že diferenciál v bodě je lineární funkce dvou proměnných. Pro přibližný vypočet funkčních hodnot použijeme vztah Určíme přírustky od bodu A = [, ] k bodu [, 4;, 99], f (x, y) f (x, y ) + d f (x, y )(dx, dy). (x + y 4). 4 dx = x x =, 4 =, 4; dy = y y =, 99 =,. Vypočteme funkční hodnotu f (A) = f (, ) = a určíme hodnotu diferenciálu dz(a)(dx, dy) při známých přírustcích, dz(a)(dx, dy) = dz(, )(, 4;, ) = (, 4, ) =, = =. Přibližná hodnota funkce f (, 4;, 99) pak bude f (, 4;, 99) f (A) + d f (A)(dx, dy) = + = ( + ).

15 Příklad 9: Vypočítejte diferenciál druhého řádu funkce z = f (x, y) = x + y x y. Nejdříve určíme parciální derivace prvního řádu podle proměnných x a y, (x y) (x + y) = x (x y) = y (x y), (x y) (x + y) ( ) = (x y) = x (x y). Určíme parciální derivace druhého řádu f x = ( ) = x x x ( y(x y) ) = y( )(x y) = 4y (x y), f x = ( ) = ( ) y x (x y) = (x y) ( y)(x y) ( ) (x + y) (x y) 4 = (x y), f x = ( ) = ( ) x x x (x y) = (x y) x (x y) (x + y) (x y) 4 = (x y), f = ( ) = (x(x y) ) = x( )(x y) ( ) = 4x (x y). Sestavíme diferenciál druhého řádu d 4y z = (x y) dx 4 x + y 4x dxdy + (x y) (x y) dy = 4 (x y) (ydx (x + y)dxdy + 4xdy ). Příklady k procvičení: Vypočítejte diferenciál funkce: a) z = tan(x + y ) x b) z = log(x + y) c) z = (x + y ) sin(xy) d) z = e x y 4 v bodě [, ] e) z = arcsin y v bodě [, ] x + Příklady k procvičení: Určete přibližně hodnotu funkce z = xy v bodě [, 8;, 99]. Příklady k procvičení: Vypočítejte diferenciál druhého řádu funkce: a) z = xy x + y b) z = sin(5x + y)

16 .4 Tečná rovina Věta: Necht je funkce z = f (x, y) diferencovatelná v bodě A = [x, y ]. Pak v bodě A = [x, y, z = f (x, y )] existuje tečná rovina ke grafu funkce z = f (x, y) určená rovnicí τ : z z = x (A)(x x ) + (A)(y y ). Přímka n kolmá k tečné rovině procházející bodem A se ( nazývá normála grafu funkce z = f (x, y). Její směrový vektor je kolineární s normálovým vektorem roviny, s n = n = x (A), ). (A), Věta: Normála ke grafu funkce z = f (x, y) v bodě A je určena parametrickými rovnicemi n : x = x + x (A)t, y = y + (A)t, z = z t t R Věta: Necht je funkce z = f (x, y) na okolí bodu A D f alespoň (m + )-krát spojitě diferencovatelná. Pak v bodě X O(A) platí f (X) = f (A) + d f (A)! + d f (A)! + + dm f (A) m! R m = dm+ f (A + κ(x A)), κ (, ). (m + )! + R m, kde Definice: Výraz z předchozí věty nazýváme Taylorovým rozvojem funkce f na okolí bodu A. Hodnota R m se nazývá Lagrangeův zbytek Taylorova rozvoje. Polynom T m (X) = f (A) + d f (A)! + d f (A)! + + dm f (A) m! se nazývá Taylorův polynom m-tého řádu funkce f v bodě A. Je-li A = [, ], hovoříme o MacLaurionovu polynomu. Příklad : Nalezněte tečnou rovinu a normálu ke grafu funkce z = f (x, y) = x y x v bodě A = [,,?]. Bod A je bod dotyku, x =, y =, určíme jeho z-ovou složku, z = f (x, y ) = f (, ) =. Vypočítáme parciální derivace prvního řádu funkce f v bodě A = [, ], x = x, = y, a tyto funkce dvou proměnných vyčíslíme na bodě A = [, ], Sestavíme rovnici tečné roviny rovnici převedeme na obecný tvar x (A) =, =. τ : z + = (x ) (y ), τ : x + y + z + =. Pro parametrické rovnice normály dostáváme x = t n : y = t, t R z = t 4

17 Příklad : Nalezněte Taylorův polynom druhého řádu funkce z = f (x, y) = x xy + y + x y + v bodě A = [, ]. Určíme hodnoty f (A), d f (A) a d f (A). Poté dosadíme do formule pro Taylorův polynom druhého řádu. Bod A = [x, y ] = [, ]. f (A) = 5 d f (A) = (4x y + ) [,] (x ) + ( x + 6y ) [,] (y ) = 4(x ) + 4(y ) = 4x + 4y 8 d f (A) = 4 [,] (x ) + ( ) [,] (x )(y ) + 6 [,] (y ) = 4x 8x + 4 xy + x + y + 6y y + 6 = 4x xy + 6y 6x y + 8 4x + 4y 8 T (A) = x xy + 6y 6x y + 8!! = 5 + 4x + 4y 8 + x xy + y x 5y + 4 = x xy + y + x y + Příklady k procvičení: a) Nalezněte tečnou rovinu τ a normálu n ke grafu funkce z = ln(x y) v bodě A = [,,?]. b) Nalezněte tečnou rovinu τ a normálu n ke grafu funkce z = x + xy + v bodě A = [, 4,?]. c) Nalezněte Taylorův polynom druhého řádu funkce z = x y + 4xy + x v bodě A = [, ]. d) Nalezněte Taylorův polynom druhého řádu funkce z = ln v bodě A = [, ]. xy.5 Implicitní funkce a její derivace Definice: Bud z = F(x, y) funkce dvou proměnných. Uvažujme křivku M = {[x, y] D F F(x, y) = }. Necht A = [x, y ] M je bod, O δ (A) R je deltové okolí bodu A, δ >. Jestliže je rovnicí F(x, y) = na intervalu (x δ, x + δ) určena funkce y = f (x) taková, že platí F(x, f (x)) = x (x δ, x + δ), pak říkáme, že funkce f je na okolí bodu A definována implicitně rovnicí F(x, y) =. y [x, f (x )] y = x x δ x x + δ x δ x x + δ x [x, f (x )] y = x 5

18 Na obrázku je kružnice se středem v počátku a poloměrem, x + y = y = x y = x, x,. Na intervalu (, ) jsou rovnicí určeny dvě implicitní funkce, y = x (horní půlkružnice) a y = x (spodní půlkružnice). V bodech [, ] a [, ] implicitní funkce neexistuje, každé okolí těchto bodů obsahuje body jak horní, tak spodní půlkružnice. Poznámka: Ne ke každé rovnici F(x, y) = existuje jediná implicitní funkce. Věta: Necht je funkce z = F(x, y) je spojitá na okolí bodu A = [x, y ] a F(A) =. Necht F má v A spojitou parciální derivaci (A) a platí (A) =. Pak existuje okolí bodu A, na kterém je rovnicí F(x, y) = definována jediná spojitá implicitní funkce y = f (x). Poznámka: Podmínka na nenulovost parciální derivace funkce F je pouze podmínkou postačující pro existenci implicitní funkce. Z rovnice y x = plyne F(x, y) = y x a v bodě [, ] platí F (, ) = y [,] =. Přesto na okolí bodu [, ] existuje jediná implicitní funkce y = x. Derivace implicitní funkce Věta: Necht jsou splněny předpoklady předchozí věty. Necht existují spojité parciální derivace funkce F. Pak má implicitní funkce f, která je na okolí bodu A dána rovnicí F(x, y) =, derivaci f v bodě x a platí f (x ) = F x (A). F (A) Věta: Tečna t resp. normála n k implicitní funkci y = f (x) dané rovnicí F(x, y) = v bodě A je určena rovnicí t : F x (A)(x x ) + F (A)(y y ) =, n : F (A)(x x ) F x (A)(y y ) =. Příklad : Oběma způsoby nalezněte derivaci implicitní funkce dané rovnicí x + y + y xy = v bodě A = [, ]. V našem případě platí Určíme parciální derivace Jedná se o spojité funkce, navíc F(x, y) = x + y + y xy. F x = x y, F = + y x. F (A) = + y x A=[, ] = =. Derivace implicitní funkce tedy existuje a je jediná. Dosadíme do formule pro derivaci implicitní funkce v bodě A = [x, y ] = [, ], f () = x y [, ] + y x [, ] = 5 = 5. Druhý způsob spočívá v předpokladu, že v rovnici F(x, y) = budeme předpokládat závislost y = y(x). Tzn., že v této rovnici zustává pouze jediná nezávislá proměnná, a to x. Rovnici poté derivujeme podle x, zvlášt pravou i levou stranu rovnice, d dx (x + y + y xy = ) x + y + yy y xy =. 6

19 Z rovnice vyjádříme y y + yy xy = x + y y ( + y x) = x + y y = x + y + y x = x y + y x. Kde se v rovnici po derivaci vzalo y? Musíme si uvědomit, že y závisí na x, y = y(x). Nevíme ale, jak konkrétně ta závislost vypadá. Derivujeme tedy pouze formálně, tj. nad y napíšeme čárku. Funkci y musíme ovšem derivovat jako složenou funkci, máme nějakou y závislost na x, na kterou působí druhá mocnina. Derivujeme nejdříve vnější složku (druhou mocninu) v tom samém bodě (v y) a poté násobíme derivací vnitřní funkce, derivací y podle x, což je formálně y. Výraz xy musíme derivovat jako součin dvou funkcí proměnné x. Příklad : Nalezněte tečnu a normálu k implicitní funkci y = f (x) dané rovnicí e xy = x + y v bodě A = [, ]. V našem případě je funkce F dána F(x, y) = e xy x y. Určíme parciální derivace funkce F v bodě A = [x, y ] = [, ], F x (A) = yexy [,] =, F (A) = xexy [,] =. Sestavíme rovnici tečny t ke grafu implicitní funkce, t : (x ) y = y = x +. Sestavíme rovnici normály n ke grafu implicitní funkce, n : (x ) + y = y = x. t n F(x, y) = Příklady k procvičení: a) Oběma způsoby nalezněte derivaci implicitní funkce dané rovnicí x + y + y xy =. b) Oběma způsoby nalezněte derivaci implicitní funkce dané rovnicí cot(y) = x y. c) Oběma způsoby nalezněte derivaci implicitní funkce dané rovnicí xy x+y = 4 v bodě A = [, ]. d) Nalezněte tečnu a normálu k implicitní funkci y = f (x) dané rovnicí x + y = v bodě A = [, ]. x y e) Nalezněte tečnu a normálu k implicitní funkci y = f (x) dané rovnicí xy = y ln + x ln v bodě A = [, ]. 7

20 Kapitola Extrémy funkcí dvou proměnných. Lokální extrémy Definice: Řekneme, že funkce z = f (x, y) má v bodě A D f lokální maximum, jestliže existuje okolí O(A) D f bodu A takové, že X O(A) platí f (X) f (A). Platí-li f (X) f (A), hovoříme o lokálním minimu v bodě A. V případě ostrých nerovností hovoříme o ostrém lokálním maximu resp. minimu. Definice: Řekneme, že bod A D f je stacionárním bodem funkce f, jestliže (A) =, x f (A) =. Fermatova věta - nutná podmínka existence extrému Věta: Necht má funkce f v bodě A lokální extrém a necht v A existují všechny parciální derivace prvního řádu. Pak je bod A stacionárním bodem funkce f. Poznámka: Fermatova věta nevylučuje možnost existence extrému v bodě, který není stacionárním bodem funkce f, protože některá z parciálních derivací neexistuje. Podmínka pro stacionární body je ekvivalentní s podmínkou d f (A) =, platí-li ovšem, že d f (A) =, pak lokální extrém v A neexistuje. Věta: Necht existují alespoň spojité parciální derivace druhého řádu funkce f ve stacionárním bodě A, pak platí-li d f (A) <, funkce f má v bodě A ostré lokální maximum, d f (A) >, funkce f má v bodě A ostré lokální minimum. Postačující podmínka pro existenci extrému Věta: Necht je funkce f na okolí bodu A dvakrát spojitě diferencovatelná. Necht A je stacionární bod. Jestliže pak má funkce f v A ostrý lokální extrém. Platí-li navíc ( D = x (A) (A) ) f x (A) >, D = (A) <, funkce f má v bodě A ostré lokální maximum, x D = (A) >, funkce f má v bodě A ostré lokální minimum. x Poznámka: Jestliže D =, nelze o existenci lokálního extrému rozhodnout. Toto lze v některých případech vyřešit prověřením lokálního chování funkce f na okolí bodu A. 8

21 Příklad 4: Nalezněte lokální extrémy funkce z = e x y (y + x ). Definičním oborem funkce z je množina R. Určíme parciální derivace prvního řádu a sestavíme rovnice pro stacionární body, x = e x y ( x)(y + x ) + e x y x = xe x y (y + x ) =, = e x y ( y)(y + x ) + e x y 4y = ye x y (y + x ) =. Exponenciální funkce e x y je kladná, tedy nikdy nemůže nabýt nulové hodnoty a lze ji z rovnic pro stacionární body vykrátit. Rovnice přejdou na tvar x(y + x ) =, y(y + x ) =. Předpokládejme nejdříve, že x =. Ze druhé rovnice y(y ) = dostaneme řešení y = a y = ±. Obdržíme tři různé stacionární body, A = [, ], A = [, ] a A = [, ]. Ve druhé rovnici předpokládejme, že y =. Z první rovnice x(x ) = dostaneme řešení x = a x = ±. Bod [, ] již máme vypočítaný, přibyly další dva nové stacionární body, bod A 4 = [, ] a A 5 = [, ]. Pokud x = i y =, řešíme následující soustavu rovnic, y + x =, y + x =. Pokud obě rovnice od sebe odečteme, dostaneme rovnici =, ale se nikdy nerovná. Soustava nemá žádné řešení. Určili jsme celkem pět stacionárních bodů: A = [, ], A = [, ], A = [, ], A 4 = [, ], A 5 = [, ]. Určíme matici druhých parciálních derivací a vyhodnotíme ji na jednotlivých stacionárních bodech A i, i =,,, 4, 5, ( ) (( + 4x )(y + x ) 4x )e x y 4xye x y (y + x ) Q = 4xye x y (y + x ) (( + 4y )(y + x ) 8y, )e x y ) ) Q(A ) = ( ) 4, Q(A ) = ( e 8 e, Q(A ) = ( e 8 e, Q(A 4 ) = ( ) 4 e e, Q(A 5 ) = ( ) 4 e e. V následující tabulce uvádíme souhrnný přehled klasifikace extrémů v jednotlivých bodech: Stacionární bod A i D D extrém o hodnotě z = f (A i ) A = [, ] > 8 > ostré lokální minimum z = A = [, ] e < 6 e > ostré lokální minimum z = e A = [, ] e < 6 e > ostré lokální minimum z = e A 4 = [, ] 4 e < 8 < e extrém neexistuje A 5 = [, ] 4 e < 8 e < extrém neexistuje A = [,, ] e A = [,, ] e A = [,, ]

22 Příklad 5: Nalezněte lokální extrémy funkce z = f (x, y) = sin x + cos y + cos(x y), x, y π. Určíme parciální derivace prvního řádu a sestavíme rovnice pro stacionární body, Ze druhé rovnice dostáváme = cos x sin(x y) =, x sin(x y) = sin y. f = sin y + sin(x y) =. Protože jak x, tak y patří do intervalu, π, bude rozdíl x y patřit do intervalu π, π. Nicméně funkce sinus je jak na intervalu, π, tak i na intervalu π, π prostá, to ale znamená, že existuje funkce inverzní, arkussinus, kterou lze aplikovat na druhou rovnici, arcsin(sin(x y) = sin y) arcsin(sin(x y)) = arcsin(sin y) x y = y y = x. Tuto rovnici dosadíme do první rovnice, cos x sin(x y) = cos x sin ( x x ) = cos x sin x =. Využijeme goniometrické identity cos x = cos x sin x a cos x = sin x, cos x sin x sin x = sin x sin x sin x = sin x + sin x =. Použijeme substituci sin x = t, sin x + sin x = t + t = t =, t =. Vzhledem k omezení x na interval, π záporné řešení neuvažujeme, sin x = k = x, sin k = k = π 6 x = π y = π 6 stacionární bod A = [ π, π 6 Určíme matici druhých parciálních derivací a vyhodnotíme ji na bodě A, ( ) sin x cos(x y) A cos(x y) A Q(A) = = cos(x y) A cos y cos(x y) A Určíme determinanty D a D, D =, D = 9 4. ( ). Protože D >, v bodě A = [ π, π ] 6 extrém existuje. Protože D <, má funkce z = f (x, y) = sin x + cos y + cos(x y) v bodě A = [ π, π ] 6 ostré lokální maximum z =. ]. z A = [ π, π 6, ] y.5 π 6 A.5 π x.5

23 Příklady k procvičení: Nalezněte lokální extrémy funkce: a) z = x + 6x + y y + b) z = xy x + y c) z = x xy + x + y + d) z = (x + 4x)y + y.. Vázané extrémy Definice: Řekneme, že funkce z = f (x, y) má v bodě A = [x, y ] lokální extrém vázaný podmínkou g(x, y) =, jestliže X O(A) D f, které vyhovují uvedené podmínce. Platí Geometrický význam vázaných extrémů f (X) f (A), funkce f má v bodě A vázané lokální maximum, f (X) f (A), funkce f má v bodě A vázané lokální minimum. Vázaný extrém může nastat pouze v bodech z definičního oboru funkce f, které leží na křivce g(x, y) =. Těmto bodům odpovídají body na ploše z = f (x, y), které tvoří prostorovou křivku κ, průsečnici plochy s válcovou plochou g(x, y) =. Z geometrického hlediska se jedná o lokální extrémy prostorové křivky. z A κ g(x, y) = A y x Lagrangeova metoda Věta: Bud dána funkce z = f (x, y) a podmínka g(x, y) =. Jestliže má funkce Φ(x, y, λ) = f (x, y) + λg(x, y), λ R, ve svém stacionárním bodě lokální extrém, má i funkce f v tomto bodě lokální extrém vázaný podmínkou g(x, y) =. Poznámka: Funkce Φ se nazývá Lagrangeova funkce, číslo λ Lagrangeův multiplikátor. Stacionární body určíme jako řešení soustavy lineárních rovnic, Φ x =, Φ =, g(x, y) =. Pokud lze jednoznačně z rovnice vyjádřit y = ϕ(x) resp. x = ψ(y), pak vázané lokální extrémy hledáme jako lokální extrémy funkce z = f (x, ϕ(x)) resp. z = f (ψ(y), y).

24 Příklad 6: Nalezněte vázané extrémy funkce z = f (x, y) = 4x + y + 5 vzhledem k podmínce x y =. Určíme nejdříve definiční obor funkce z, funkce z bude existovat, pokud bude výraz pod odmocninou nezáporný, tj. 4x + y + 5 x 4 y 5 4. y 4x 5 4 A Z rovnice vazby x y = lze jednoznačně vyjádřit jak y, tak x. Vyjádříme y, y = x. Dosadíme vazbu do předpisu funkce z, z = 4x + (x ) + 5 = 4x + 4x x = 4x 8x + 4, dostaneme funkci jedné proměnné z = z(x, ϕ(x)) (proměnné x) a snadno se přesvědčíme, že D z = R. Určíme první derivaci, poté ji položíme rovnu nule a dostaneme rovnici pro stacionární body této funkce, z = dz dx = 8x 8 4x 8x + 4 = 4x 4 = 4x 4 = x =. 4x 8x + 4 Definičním oborem první derivace je D z = R. Na intervalu (, ) je první derivace z <, funkce z je na tomto intervalu klesající. Na intervalu (, ) je první derivace z >, tzn. funkce z je na tomto intervalu rostoucí. Ve stacionárním bodě x = se mění znaménko první derivace z na + což znamená, že v bodě x = má funkce z lokální minimum. Dosadíme bod x = do rovnice vazby, dostáváme y =. Snadno ověříme, že bod A patří do definičního oboru funkce z = 4x + y + 5, viz. obrázek vpravo. Funkce z = 4x + y + 5 má v bodě A = [, ] vázané lokální minimum z = f (, ) =. Zcela analogicky budeme postupovat v případě, kdy lze z rovnice vazby vyjádřit jednoznačně x. Příklad 7: Nalezněte vázané extrémy funkce z = f (x, y) = 8x + 6y 5 vzhledem k podmínce x + y =. Sestavíme Lagrangeovu funkci pro funkci f (x) = 8x + 6y 5 a g(x, y) = x + y, Φ(x, y, λ) = 8x + 6y 5 + λ(x + y ). Vypočítáme parciální derivace prvního řádu funkce Φ, které položíme rovny nule. Získáme tak rovnice pro stacionární body funkce Φ, Φ Φ = 8 + λx =, = 6 + λy =, x ke kterým přidáme rovnici vazby, řešíme následující soustavu rovnic 8 + λx = x = 4 λ 6 + λy = y = λ

25 dosadíme do rovnice vazby za x a y, x + y = ( ) 4 ( + ) = 6 λ λ λ + 9 λ = λ = 5 λ = 4 λ, = ±. Dopočítáme stacionární body A = [x, y] dosazením λ, λ = A = [8, 6], λ = A = [ 8, 6]. Sestavíme matici parciálních derivací druhého řádu a vyhodnotíme ji na stacionárních bodech, f Q = x f x f ( ) ( ) ( ) x λ f =, Q(A ) =, Q(A ) =. λ V bodě A = [8, 6] je D >, D >. Funkce z = f (x, y) má v bodě A = [8, 6] vázané lokální minimum z = 5. V bodě A = [ 8, 6] je D <, D >. Funkce z = f (x, y) má v bodě A = [ 8, 6] vázané lokální maximum z = 95. Příklady k procvičení: Nalezněte vázané extrémy funkce z = f (x, y) vzhledem k zadané podmínce g(x, y) = : a) z = 4x + y +, y = x + x + 4 b) z = x + y, y = x +. Příklady k procvičení: Nalezněte vázané extrémy funkce z = 4x + y 4 vzhledem k zadané podmínce (x ) + (y ) =.. Globální extrémy Definice: Řekneme, že funkce z = f (x, y) má v bodě A = [x, y ] globální extrém na uzavřeném definičním oboru D f, jestliže X D f platí f (X) f (A), funkce f má v bodě A globální maximum, f (X) f (A), funkce f má v bodě A globální minimum. Poznámka: V případě ostrých nerovností hovoříme o ostrých globálních extrémech. Množina D f se nazývá uzavřená, jestliže obsahuje všechny své hraniční body. Hraničním bodem množiny D f je takový bod, jehož každé okolí obsahuje body X takové, že X D f a současně obsahuje body Y takové, že Y D f. Na rozdíl od lokálních extrémů, které hledáme na okolích bodů, hledáme globální extrémy na celém D f. Postup určování globálních extrémů určíme definiční obor D f funkce z = f (x, y), nalezneme lokální extrémy této funkce na množině D f, ze které vyloučíme hranici g(x, y) =, určíme vázané extrémy této funkce vzhledem k podmínce g(x, y) =, porovnáme funkční hodnoty všech extrémů, bod s největší funkční hodnotou bude globálním maximem, bod s nejmenší funkční hodnotou bude globálním minimem.

26 Příklad 8: Nalezněte globální extrémy funkce z = f (x, y) = x y na čtverci s vrcholy [, ], [, ], [, ], [, ]. Definičním oborem funkce z je čtverec. 4 D C A B Určíme lokální extrémy funkce z, 4 z z : x =, x : =. Je zřejmé, že druhá rovnice nemá řešení, lokální extrémy neexistují. Určíme rovnice hraničních křivek, tyto rovnice reprezentují rovnice vazeb, AB : y =, x (, ), BC : x =, y (, ), CD : y =, x (, ), DA : x =, y (, ). Jednotlivé rovnice vazeb dosadíme do funkce z a nalezneme případné vázané extrémy, AB : z = x z = x = x = (, ) extrém neexistuje, BC : z = 9 y z = = rovnice nemá řešení extrém neexistuje, CD : z = x z = x = x = (, ) extrém neexistuje, DA : z = y z = = rovnice nemá řešení extrém neexistuje. Zbývá porovnat funkční hodnoty ve vrcholech čtverce, f (A) =, f (B) = 8, f (C) = 6, f (D) = f (D) < f (A) < f (C) < f (B). Funkce z má v bodě D globální minimum o hodnotě z =, v bodě B má globální maximum o hodnotě z = 8. Příklady k procvičení: a) Nalezněte globální extrémy funkce z = x y na čtverci s vrcholy v bodech [, ], [, ], [, ] a [, ]. b) Nalezněte globální extrémy funkce z = x + y na trojúhelníku s vrcholy v bodech [, ], [, ] a [, ]. c) Nalezněte globální extrémy funkce z = x y + y na kruhu x + y 6. 4