Vybrané kapitoly z matematiky

Podobné dokumenty
Protože se neobejdeme bez základních poznatků vektorové algebry, připomeneme si nejdůležitější pojmy., pak - skalární součin vektorů u,

VEKTOROVÁ POLE Otázky

VEKTOROVÁ POLE VEKTOROVÁ POLE

Úvodní informace. 17. února 2018

VEKTOROVÁ POLE VEKTOROVÁ POLE

Matematika III. Miroslava Dubcová, Drahoslava Janovská, Daniel Turzík. Ústav matematiky

Otázky k ústní zkoušce, přehled témat A. Číselné řady

Matematická analýza III.

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Funkce zadané implicitně

Občas se používá značení f x (x 0, y 0 ), resp. f y (x 0, y 0 ). Parciální derivace f. rovnoběžného s osou y a z:

Diferenciál funkce dvou proměnných. Má-li funkce f = f(x, y) spojité parciální derivace v bodě a, pak lineární formu (funkci)

DERIVACE FUNKCE KOMPLEXNÍ PROMĚNNÉ

Vybrané kapitoly z matematiky

1 Funkce dvou a tří proměnných

Skalární a vektorový popis silového pole

5. cvičení z Matematiky 2

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

14. Věty Gauss-Ostrogradského, Greenova a Stokesova věta

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Funkce v ıce promˇ enn ych Extr emy Pˇredn aˇska p at a 12.bˇrezna 2018

Kristýna Kuncová. Matematika B3

y = 2x2 + 10xy + 5. (a) = 7. y Úloha 2.: Určete rovnici tečné roviny a normály ke grafu funkce f = f(x, y) v bodě (a, f(a)). f(x, y) = x, a = (1, 1).

Parciální derivace a diferenciál

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

verze 1.3 kde ρ(, ) je vzdálenost dvou bodů v R r. Redukovaným ε-ovým okolím nazveme ε-ové okolí bodu x 0 mimo tohoto bodu, tedy množinu

III. Diferenciál funkce a tečná rovina 8. Diferenciál funkce. Přírůstek funkce. a = (x 0, y 0 ), h = (h 1, h 2 ).

Potenciál vektorového pole

1. Cvičení: Opakování derivace a integrály

Parciální derivace a diferenciál

U V W xy 2 x 2 +2z 3yz

10 Funkce více proměnných

Cvičení z AM-DI. Petr Hasil, Ph.D. Verze: 1. března 2017

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

Úvod. Integrování je inverzní proces k derivování Máme zderivovanou funkci a integrací získáme původní funkci kterou jsme derivovali

Zavedeme-li souřadnicový systém {0, x, y, z}, pak můžeme křivku definovat pomocí vektorové funkce.

Matematická analýza pro informatiky I.

Požadavky ke zkoušce

Derivace funkce. Přednáška MATEMATIKA č Jiří Neubauer

Přednášky z předmětu Aplikovaná matematika, rok 2012

5.3. Implicitní funkce a její derivace

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

Dodatek 2: Funkce dvou proměnných 1/9

MFT - Matamatika a fyzika pro techniky

11. Skalární součin a ortogonalita p. 1/16

Derivace funkce. Obsah. Aplikovaná matematika I. Isaac Newton. Mendelu Brno. 2 Derivace a její geometrický význam. 3 Definice derivace

13. cvičení z Matematické analýzy 2

PŘÍKLADY K MATEMATICE 3

Euklidovský prostor. Funkce dvou proměnných: základní pojmy, limita a spojitost.

Nalezněte hladiny následujících funkcí. Pro které hodnoty C R jsou hladiny neprázdné

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství MATEMATIKA 2

Potenciální proudění

+ 2y. a y = 1 x 2. du x = nxn 1 f(u) 2x n 3 yf (u)

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Matematika pro chemické inženýry

Vybrané kapitoly z matematiky

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek (2015)

Matematika 1 pro PEF PaE

FAKULTA STAVEBNÍ MATEMATIKA II MODUL 2 STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

terminologie předchozí kapitoly: (ϕ, Ω) - plocha, S - geometrický obraz plochy

Otázku, kterými body prochází větev implicitní funkce řeší následující věta.

Derivace funkcí více proměnných

D I F E R E N C I Á L N Í O P E R Á T O R Y V E K T O R O V É A N A L Ý Z Y

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

1. a) Určete parciální derivace prvního řádu funkce z = z(x, y) dané rovnicí z 3 3xy 8 = 0 v

Extrémy funkce dvou proměnných

VEKTORY. Obrázek 1: Jediný vektor. Souřadnice vektoru jsou jeho průměty do souřadných os x a y u dvojrozměrného vektoru, AB = B A

1. Je dána funkce f(x, y) a g(x, y, z). Vypište symbolicky všechny 1., 2. a 3. parciální derivace funkce f a funkce g.

Lineární algebra : Metrická geometrie

3.2. ANALYTICKÁ GEOMETRIE ROVINY

6 Skalární součin. u v = (u 1 v 1 ) 2 +(u 2 v 2 ) 2 +(u 3 v 3 ) 2

Kristýna Kuncová. Matematika B2

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

Řešení: Nejprve musíme napsat parametrické rovnice křivky C. Asi nejjednodušší parametrizace je. t t dt = t 1. x = A + ( B A ) t, 0 t 1,

Diferenciální operátory vektorové analýzy verze 1.1

y ds, z T = 1 z ds, kde S = S

Petr Hasil. Prvákoviny c Petr Hasil (MUNI) Úvod do infinitezimálního počtu Prvákoviny / 57

1.1 Existence a jednoznačnost řešení. Příklad 1.1: [M2-P1] diferenciální rovnice (DR) řádu n: speciálně nás budou zajímat rovnice typu

A[a 1 ; a 2 ; a 3 ] souřadnice bodu A v kartézské soustavě souřadnic O xyz

7 Analytické vyjádření shodnosti

Parametrické rovnice křivky

INTEGRÁLY S PARAMETREM

Matematika I 12a Euklidovská geometrie

Matematika I, část I. Rovnici (1) nazýváme vektorovou rovnicí roviny ABC. Rovina ABC prochází bodem A a říkáme, že má zaměření u, v. X=A+r.u+s.

Derivace a monotónnost funkce

VIDEOSBÍRKA DERIVACE

Dynamika tekutin popisuje kinematiku (pohyb částice v času a prostoru) a silové působení v tekutině.

NALG 001 Lineární algebra a geometrie 1, zimní semestr MFF UK Doba řešení: 3 hodiny

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Skalární součin. študenti MFF 15. augusta 2008

6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE

PRIMITIVNÍ FUNKCE. Primitivní funkce primitivní funkce. geometrický popis integrály 1 integrály 2 spojité funkce konstrukce prim.

Teorie. Hinty. kunck6am

Co jsme udělali: Au = f, u D(A)

F n = F 1 n 1 + F 2 n 2 + F 3 n 3.

Afinita je stručný název pro afinní transformaci prostoru, tj.vzájemně jednoznačné afinní zobrazení bodového prostoru A n na sebe.

Plošný integrál Studijní text, 16. května Plošný integrál

1/15. Kapitola 2: Reálné funkce více proměnných

Transkript:

Vybrané kapitoly z matematiky VŠB-TU Ostrava 2018-2019 Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 1 / 18

Vektorová analýza a teorie pole Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 2 / 18

Vektorová funkce jedné proměnné je zobrazení f : a,b R 3, f(t) = [x(t),y(t),z(t)] = x(t)i +y(t)j +z(t)k, t a,b. Poznámky grafickému znázornění vektorové funkce se říká hodograf hodografem je křivka ve fyzice popisuje trajektorii hmotného bodu po složkách se definují pojmy jako limita, spojitost, derivace, integrál Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 3 / 18

Příklad Pro f(t) = 3cost i +3sint j, t 0,2π : nakreslete hodograf vypočítejte derivaci vypočítejte neurčitý integrál Příklad Předpokládejme, že předchozí vektorová funkce f popisuje pohyb hmotného bodu. Určete: rychlost a její velikost v čase t = π 3 zrychlení a jeho velikost v čase t = π 3 Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 4 / 18

Skalární pole v oblasti Ω R 3 je u : Ω R, u = u(x,y,z) Hladinou skalárního pole je plocha u(x,y,z) = C, kde C R. (vrstevnice, izobary, izotermy) derivace skalárního pole u ve směru s = [s 1,s 2,s 3 ], s = 1, v bodě A: platí: du(a) ds du(a) ds = u(a) x = lim t 0 u(a+ts) u(a) t s 1 + u(a) y s 2 + u(a) s 3 z Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 5 / 18

Definice Gradientem skalárního pole u nazýváme vektorovou funkci: [ u gradu = x, u y, u ] z Značení grad u = u, operátor nabla (Hamiltonián) [ = x, y, ] z vyjádření směrové derivace pomocí skalárního součinu du ds = u s = gradu s Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 6 / 18

Věta (vlastnosti gradientu) 1 Gradient je kolmý k hladině. 2 Gradient je směr největšího růstu, opačný směr určuje největší pokles. 3 Velikost největšího růstu je grad u. Z rovnice hladiny u(x,y,z) C = 0 a rovnice tečné roviny k implicitní funkci z = z(x,y) v bodě A = [x 0,y 0,z 0 ], u x (A)(x x 0)+ u y (A)(y y 0)+ u z (A)(z z 0) = 0, dostáváme 1. tvrzení. 2. tvrzení plyne z vlastnosti skalárního součinu: du(a) ds = gradu s = gradu s cosα = gradu cosα, kde dostaneme maximální hodnotu pro α = 0, tj. když s a gradu mají stejný směr. Odtud plyne i 3. tvrzení. Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 7 / 18

Příklady 1 Vypočítejte derivaci v bodě A = [1,2,1] ve směru v = [3,4,5] pro: u(x,y,z) = 3x 2 4y 3 +2z 4 2 Vypočítejte směr maximálního růstu a největší hodnotu směrové derivace v bodě A = [1,2,1] pro: u(x,y,z) = x 2 +y 2 +z 2 2xy +2xz +2yz 3 Určete množinu bodů, v nichž je velikost gradientu rovna 12 pro: u(x,y) = (x 2 +y 2 ) 3 Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 8 / 18

Vektorové pole v oblasti Ω R 3 je vektorová funkce tří proměnných f : Ω R 3, f(x,y,z) = [P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)] Graficky se vektorové pole znázorňuje vektorovými čarami. (siločáry, indukční čáry, proudnice) Definice Potenciálem vektorového pole f nazýváme skalární pole φ, jestliže platí: f = gradφ. Má-li vektorové pole potenciál, nazývá se potenciálové. Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 9 / 18

Věta Necht f je vektorové pole v Ω R 3. (A) Je-li f potenciálové, pak platí: P y = Q x, P z = R x, Q z = R y (1) (B) Je-li splněno (1), pak je pole f potenciálové. Důkaz: Je-li f potenciálové, existuje potenciál φ a podle Schwarzovy věty o záměnnosti pořadí derivování u smíšené derivace dostáváme tvrzení (A). Např.: P y = 2 φ x y = Q x Opačné tvrzení (B) dokazovat nebudeme. Důkaz je konstruktivní a sleduje ideu, která se použije při výpočtu potenciálu v konkrétních příkladech. Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 10 / 18

Příklad Rozhodněte, zda je pole f = [2xy,x 2 z,2z y] potenciálové. Řešení: Najdeme potenciál φ. Postupně integrujeme a zjišt ujeme přitom jak vypadají integrační konstanty: φ x = 2xy φ(x,y,z) = x2 y +C 1 (y,z) φ y = x2 z x 2 + C 1 y = x2 z C 1 y = z C 1(y,z) = yz +C 2 (z) φ(x,y,z) = x 2 y yz +C 2 (z) φ z = 2z y y +C 2(z) = 2z y C 2 (z) = z 2 +0 φ(x,y,z) = x 2 y yz +z 2 Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 11 / 18

Definice Necht f je vektorové pole v oblasti Ω. Divergencí pole f nazýváme skalární pole: divf(x) = P x + Q y + R z = f Je-li divf = 0 v každém bodě X Ω, nazývá se pole f nezřídlové (solenoidální). Body, v nichž platí divf(x) > 0 resp. divf(x) < 0, se nazývají zřídla resp. nory. Pro proudění kapaliny udává divergence množství kapaliny, které vyteče za jednotku času z jednotkového objemu v okoĺı bodu X, tj. vydatnost zřídla. Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 12 / 18

Definice Necht f je vektorové pole v oblasti Ω. Rotací pole f nazýváme vektorové pole: i j k rotf(x) = x y z P(X) Q(X) R(X) = f(x) Jestliže rotf = 0 v každém bodě X Ω, nazývá se pole f nevírové (laminární). Rotace vektorového pole v bodě X určuje osu kolem které kapalina v malém okoĺı tohoto bodu rotuje. Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 13 / 18

Věta Vektorové pole f je potenciálové právě tehdy, když je nevírové. Stačí si uvědomit, kdy je pole nevírové. Podle definice máme [ R rotf = y Q z, P z R x, Q x P ], y což je nulový vektor právě, když platí: R y = Q z, P z = R x, Q x = P y Podle předchozí věty tyto rovnosti nastanou právě, když f je pole poteciálové. Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 14 / 18

Příklady 1 Rozhodněta zda je pole f nezřídlové, nevírové a určete jeho potenciál, pokud existuje: f(x,y,z) = [x 2,y 2,z 2 ] 2 Silové pole f směřuje do počátku systému souřadnic a jeho velikost v bodě X je rovna převrácené hodnotě čtverce vzdálenosti tohoto bodu od počátku. Zjistěte, zda je toto pole potenciálové. Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 15 / 18

Operace druhého řádu grad : skalární pole vektorové pole div : vektorové pole skalární pole rot : vektorové pole vektorové pole je 9 možností jak tyto operace kombinovat, ale 4 kombinace nelze utvořit dvě jsou vždy nulové: rotgradu = 0 a divrotf = 0 zbývají tři: graddivf, divrotf a divgradu = 2 u x 2 + 2 u y 2 + 2 u z 2, pro jejiž označení se zavádí Laplaceův operátor = 2 x 2 + 2 y 2 + 2 z 2 = Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 16 / 18

Příklady 1 Vypočítejte u pro: 2 Vypočítejte grad div f pro: u(x,y,z) = 3x 2 +4y 3 2z 4 f(x,y,z) = [xyz,xyz,xyz] Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 17 / 18

Shrnutí vektorové funkce Zdroj skalární pole, směrová derivace, gradient vektorové pole, divergence a rotace operace druhého řádu, Laplaceův operátor skripta Matematika III str. 130 172 Vybrané kapitoly z matematiky 2018-2019 18 / 18