6 Extrémy funkcí dvou proměnných



Podobné dokumenty
Definice z = f(x,y) vázané podmínkou g(x,y) = 0 jsou z geometrického hlediska lokálními extrémy prostorové křivky k, Obr Obr. 6.2.

Stanovení optimálních teplot výpalu vápenců z různých lokalit a jejich souvislostí s fyzikálními vlastnostmi vápenců

a m1 a m2 a mn zobrazení. Operaci násobení u matic budeme definovat jiným způsobem.

Matematika 1 pro PEF PaE

c sin Příklad 2 : v trojúhelníku ABC platí : a = 11,6 dm, c = 9 dm, α = Vypočtěte stranu b a zbývající úhly.

Matematika pro chemické inženýry. Drahoslava Janovská

3. Polynomy Verze 338.

Večerní kurzy matematiky Letní studentská konference Tudy Cesta Nevede

( x ) 2 ( ) Další úlohy s kvadratickými funkcemi. Předpoklady: 2501, 2502

11 Soustavy rovnic a nerovnic, Determinanty a Matice

Žáci mají k dispozici pracovní list. Formou kolektivní diskuze a výkladu si osvojí grafickou minimalizaci zápisu logické funkce

Státní maturita 2011 Maturitní testy a zadání jaro 2011 Matematika: didaktický test - základní úrove obtíºnosti MAMZD11C0T02 e²ené p íklady

M - Příprava na čtvrtletní písemnou práci

1 Funkce dvou a tří proměnných

Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky CZ.1.07/2.2.00/ Reálná čísla

1.7. Mechanické kmitání

Mechanismy. Vazby členů v mechanismech (v rovině):

MATEMATIKA I VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ JIŘÍ NOVOTNÝ ZÁKLADY LINEÁRNÍ ALGEBRY

Příprava na 1. čtvrtletní písemku pro třídu 1EB

Regresní analýza. Statistika II. Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie FEM UO Brno kancelář 69a, tel

Matematický model kamery v afinním prostoru

Zobrazení v rovině je předpis, který každému bodu X roviny připisuje právě jeden bod X roviny. Bod X se nazývá vzor, bod X se nazývá obraz.

Příklad 1.3: Mocnina matice

4 DVOJMATICOVÉ HRY. Strategie Stiskni páku Sed u koryta. Stiskni páku (8, 2) (5, 3) Sed u koryta (10, 2) (0, 0)

Kód uchazeče ID:... Varianta: 15

1. a) Přirozená čísla

Výstupy Učivo Téma. Čas. Základní škola a mateřská škola Hať. Školní vzdělávací program. Průřezová témata, kontexty a přesahy,další poznámky

Spojitost funkcí více proměnných

Metodický list pro první soustředění kombinovaného studia. předmětu MATEMATIKA A

Exponenciála matice a její užití. fundamentálních matic. Užití mocninných řad pro rovnice druhého řádu

VYUŽITÍ NEURONOVÝCH SÍTÍ PROSTŘEDÍ MATLAB K PREDIKCI HODNOT NÁKLADŮ PRO ELEKTRICKÉ OBLOUKOVÉ PECE

6. přednáška z předmětu GIS1 Souřadnicové systémy a transformace mezi nimi

Slovní úlohy II

ČÁST PÁTÁ POZEMKY V KATASTRU NEMOVITOSTÍ

Lineární Regrese Hašovací Funkce

Předmět: Ročník: Vytvořil: Datum: ŠČERBOVÁ M. PAVELKA V. NOSNÍKY NOSNÍKY

1.2.5 Reálná čísla I. Předpoklady:

Matematická analýza KMA/MA2I 3. p edná²ka Primitivní funkce

6. Matice. Algebraické vlastnosti

TEORIE MÍRY. A to jsme se docela snažili. Nešlo to jinak.

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Mikrovlny

Antény. Zpracoval: Ing. Jiří. Sehnal. 1.Napájecí vedení 2.Charakteristické vlastnosti antén a základní druhy antén

Kótování na strojnických výkresech 1.část

pracovní list studenta

Metoda konečných prvků. 6. přednáška Tělesové prvky - úvod (lineární trojúhelník a lineární čtyřstěn) Martin Vrbka, Michal Vaverka

SBÍRKA ÚLOH Z MATEMATIKY

Mezní kalibry. Druhy kalibrů podle přesnosti: - dílenské kalibry - používají ve výrobě, - porovnávací kalibry - pro kontrolu dílenských kalibrů.

2 Trochu teorie. Tab. 1: Tabulka pˇrepravních nákladů

x y +30x, 12x+30 18y 18y 18x+54

4 Vyhodnocení naměřených funkčních závislostí

Matematické metody rozhodování

3.1.4 Trojúhelník. Předpoklady: Každé tři různé body neležící v přímce určují trojúhelník. C. Co to je, víme. Jak ho definovat?

(3) Zvolíme pevné z a sledujme dráhu, kterou opisuje s postupujícím časem koncový bod vektoru E v rovině z = konst. Upravíme vztahy (2) a (3)

Změny délky s teplotou

3.cvičení. k p = {X, Y } u(x, r 1 = XA ), v(y, r 1 = XA ) u v = {A, R} q = AR. 1. Bodem A kolmici: Zvolím bod X p k(a, r 1 = XA ),

DYNAMICKÉ VÝPOČTY PROGRAMEM ESA PT

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

GEOMETRICKÁ TĚLESA. Mnohostěny

Uložení potrubí. Postupy pro navrhování, provoz, kontrolu a údržbu. Volba a hodnocení rezervy posuvu podpěr potrubí

Počítačové vidění vs. digitální zpracování obrazu Digitální obraz a jeho vlastnosti

Jednoduchý fuzzy regresní model. A simplefuzzyregressionmodel

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Mikrovlny

Daniel Velek Optimalizace 2003/2004 IS1 KI/0033 LS PRAKTICKÝ PŘÍKLAD NA MINIMALIZACI NÁKLADŮ PŘI VÝROBĚ

Gymnázium Christiana Dopplera, Zborovská 45, Praha 5. ROČNÍKOVÁ PRÁCE Teoretické řešení střech

V tabulce jsou uvedeny roční náklady na údržbu (v dolarech) a cena domu (v tis. dolarů).

IMPLEMENTACE SW NÁSTROJE PROCESNÍHO ŘÍZENÍ ATTIS

Aritmetika s didaktikou II.

matematika vás má it naupravidl

TEORETICKÝ VÝKRES LODNÍHO TĚLESA

řádově různě rostoucí rostou řádově stejně rychle dvě funkce faktor izomorfismus neorientovaných grafů souvislý graf souvislost komponenta

3.5.8 Otočení. Předpoklady: 3506

SPOJE ŠROUBOVÉ. Mezi nejdůleţitější geometrické charakteristiky závitů patří tyto veličiny:

1)Zapište jako výraz:dekadický logaritmus druhé mocniny součtu 2. odmocnin čísel p,q.

SAUT 3.1. program pro vyhodnocení výsledků zkoušení impulzní odrazovou metodou

Číslicová technika 3 učební texty (SPŠ Zlín) str.: - 1 -

2.1 Pokyny k otevřeným úlohám. 2.2 Pokyny k uzavřeným úlohám TESTOVÝ SEŠIT NEOTVÍREJTE, POČKEJTE NA POKYN!

Model IS-ALM. Ondřej Potrebuješ Studentský Ekonomický Klub

Definice globální minimum (absolutní minimum) v bodě A D f, jestliže X D f

ÚVODEM UPOZORNIT STUDENTY, ABY PŘI MANIPULACI NEPŘETRHLI ODPOROVÝ DRÁT.

TRANSFORMACE. Verze 4.0

Matematika 3. RNDr. Břetislav Fajmon, Ph.D. Mgr. Irena Růžičková ÚSTAV MATEMATIKY

L A B O R A T O R N Í C V I Č E N Í Z F Y Z I K Y

SYLABUS PŘEDNÁŠKY 6b Z INŽENÝRSKÉ GEODÉZIE (Polohové vytyčování) 4. ročník bakalářského studia studijní program G studijní obor G

Jakhrátavyhrát Robert Šámal

TVAROVÉ A ROZMĚROVÉ PARAMETRY V OBRAZOVÉ DOKUMENTACI. Druhy kót Části kót Hlavní zásady kótování Odkazová čára Soustavy kót

1 Matematické základy teorie obvodů

Lineární algebra. Vektorové prostory

Jazyk matematiky Matematická logika Množinové operace Zobrazení Rozšířená číslená osa

7. Odraz a lom. 7.1 Rovinná rozhraní dielektrik - základní pojmy

Výsledky zpracujte do tabulek a grafů; v pracovní oblasti si zvolte bod a v tomto bodě vypočítejte diferenciální odpor.

Základy zpracování obrazů

MECHANICKÁ PRÁCE A ENERGIE

Úlohy domácího kola kategorie C

MANUÁL PRO HODNOCENÍ OTEVŘENÝCH TESTOVÝCH ÚLOH MATEMATIKA SADA B (TEST PRO PŘIJÍMACÍ ZKOUŠKY DO 8LETÉHO GYMNÁZIA)

I. Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.2 Poruchy krystalické mřížky

10 je 0,1; nebo taky, že 256

Matematika II Extrémy funkcí více promìnných

TECHNICKÉ KRESLENÍ A CAD

2.06 Kovy. Projekt Trojlístek

Transkript:

Obsah 6 Extrémy funkcí dvou proměnných 2 6.1 Lokálníextrémy..... 2 6.2 Vázanélokálníextrémy.... 4 6.2.1 Metodyhledánívázanýchlokálníchextrémů..... 5 6.2.2 Přímédosazení..... 5 6.2.3 Lagrangeovametoda..... 5 6.3 Globálníextrémy.... 6 6.3.1 Postuppřihledáníglobálníchextrémů...... 7

6 Extrémy funkcí dvou proměnných Extrémy funkcí jsou jednou z nejdůležitějších aplikací diferenciálního počtu a setkáváme se s nimi takřka všude. Například ekonomické rozhodování se řídí požadavkem maximálního zisku a minimálních nákladů, přičemž tyto dvě veličiny často závisí na více proměnných. 6.1 Lokální extrémy Definice6.1 Nechť fjefunkcedvouproměnnýchanechť(x 0,y 0 ) D f. Řekneme,žefunkce fmávbodě(x 0,y 0 )lokálníminimum,jestližeexistujeokolí U(x 0,y 0 )tak, že f(x,y) f(x 0,y 0 ) (x,y) U(x 0,y 0 ) D f. Řekneme,žefunkce fmávbodě(x 0,y 0 )lokálnímaximum,jestližeexistujeokolí U(x 0,y 0 )tak, že f(x,y) f(x 0,y 0 ) (x,y) U(x 0,y 0 ) D f. Řekneme,žefunkce f mávbodě(x 0,y 0 )ostrélokálníminimum,jestližeexistujeredukované okolí U (x 0,y 0 )tak,že f(x,y) > f(x 0,y 0 ) (x,y) U (x 0,y 0 ) D f. Řekneme,žefunkce f mávbodě(x 0,y 0 )ostrélokálnímaximum,jestližeexistujeredukované okolí U (x 0,y 0 )tak,že f(x,y) < f(x 0,y 0 ) (x,y) U (x 0,y 0 ) D f. (Ostrá) lokální minima a(ostrá) lokální maxima se souhrnně nazývají(ostré) lokální extrémy. Hodnota f(x 0,y 0 )senazývá(ostré)lokálníminimum,resp.(ostré)lokálnímaximum;bod(x 0,y 0 ) se nazývá bod příslušného lokálního extrému. Věta6.1(Nutnápodmínkaexistencelokálníhoextrému) Nechťmáfunkce f vbodě(x 0,y 0 ) lokálníextrém.existují-livbodě(x 0,y 0 )parciálníderivaceprvníhořádu,pakjsourovnynule,tj. f x (x 0,y 0 )= f y (x 0,y 0 )=0. Definice6.2 Bod(x 0,y 0 ) D f senazývástacionárníbodfunkce f,jestliževněmexistujíoběparciální derivace prvního řádu a platí f x (x 0,y 0 )= f y (x 0,y 0 )=0. Věta 6.2(Postačující podmínka existence lokálního extrému) Nechť má funkce f na okolí bodu (x 0,y 0 )spojitéparciálníderivacedruhéhořádu.označme D 1 = f xx (x f xx(x 0,y 0 ) f xy(x 0,y 0 ) 0,y 0 ) a D 2 = f yx (x 0,y 0 ) f yy (x 0,y 0 ). Potom jestliže D 2 >0,funkce fmáv(x 0,y 0 )ostrýlokálníextrém;přitom je-li D 1 >0,pakjdeoostrélokálníminimum je-li D 1 <0,pakjdeoostrélokálnímaximum jestliže D 2 <0,funkce fnemávbodě(x 0,y 0 )lokálníextrém jestliže D 2 =0,nelzetímtozpůsobemrozhodnout. 2

Body podezřelé z lokálního extrému a) stacionární body b) body, v nichž alespoň jedna parciální derivace neexistuje a zbývající je rovna nule nebo body, v nichž neexistuje ani jedna parciální derivace O existenci a typu extrému pak rozhodneme podle postačující podmínky pro lok. extrém(lze pouze v případě a)) nebo podle definice. Geometrická interpretace lokálních extrémů Výpočet lokálních extrémů funkce dvou proměnných vede ke stacionárním bodům plochy z = f(x,y),vnichžjetečnárovinarovnoběžnásrovinou(xy),tj.kbodůmvjejichžokolí seplocha z= f(x,y)nacházíbuďjenpodnebojennadtečnourovinou τ. Stacionárním bodům, které nevedou k lokálním extrémům, odpovídají na ploše z = f(x, y) body, v jejichž okolí má plocha tvar sedla(tzv. sedlové body). Příklady: ostré lokální maximum v A; f x = f y =0vbodě A; tečná rovina τ lze sestrojit ostré lokální maximum v A; f xani f yvbodě Aneexistují; neostré lokální maximum v A; přímka p je rovnoběžná s rovinou(xy); f x= f y=0vbodě A; tečná rovina τ lze sestrojit neostré lokální maximum v A; přímka pjerovnoběžnásrovinou(xy)isosou y; f xneexistuje, f y=0vbodě A; neostré lokální maximum v A; přímka p je rovnoběžná s rovinou(xy) anenírovnoběžnásosou y; f x ani f y vbodě Aneexistují; 3

funkcemávasedlo,tj.nemávalok.extrém; f x= f y=0vbodě A; 6.2 Vázané lokální extrémy V praxi je obvyklá situace, kdy hledáme extrémy funkce nikoli na celém jejím definičním oboru, alepouzenanějakéjejípodmnožině.typickytutopodmnožinutvořítybodyzd f,kterésplňující zadanou podmínku, příp. podmínky. Nechťjedánafunkce fnad f R 2. Označme M množinu těch bodů (x,y)zd f,jejichžsouřadnicevyhovujírovnici g(x,y)=0,tj. M= {(x,y) D f ; g(x,y)=0} Úlohou je najít lokálně extrémní hodnoty funkce f na množině M. Tyto lokální extrémy se nazývají vázanélokálníextrémyfunkce f.rovnice,kteráurčujemnožinu Msenazývá vazba. Definice6.3 Nechť M= {(x,y) D f ; g(x,y)=0}. Řekneme,žefunkce fmávbodě(x 0,y 0 )vázanélokálnímaximumpřivazbě g(x,y)=0,jestliže existujeokolí U(x 0,y 0 )tak,že f(x,y) f(x 0,y 0 ) (x,y) U(x 0,y 0 ) M. Řekneme,žefunkce fmávbodě(x 0,y 0 )vázanélokálníminimumpřivazbě g(x,y)=0,jestliže existujeokolí U(x 0,y 0 )tak,že f(x,y) f(x 0,y 0 ) (x,y) U(x 0,y 0 ) M. Poznámka:Množinou Mbodů(x,y) D f vyhovujícíchrovnici g(x,y)=0jerovinnákřivka q R 2. Grafemfunkce f definovanénamnožině M jeprostorovákřivka q R 3 -jetoprůsečniceplochy 4

z= f(x,y)srovinoukolmounarovinu(xy),jejížprůsečnicesrovinou(xy)jetvořenakřivkou q.najít lokálníextrémyfunkce f na M znamenánajíttybodykřivky q,kterémajínasvémokolínejvětší, resp. nejmenší z-ovou souřadnici. 6.2.1 Metody hledání vázaných lokálních extrémů Úkolemjenaléztvázanélokálníextrémyfunkce fdvouproměnnýchsvazbou g(x,y)=0.máme k dispozici dvě metody a to přímé dosazení a tzv. Lagrangeovu metodu(případně jejich kombinaci). Cílemoboumetodjepřevéstpůvodníúlohusvazbaminaúlohubezvazeb,tj.nahledání(volných) lokáních extrémů. 6.2.2 Přímé dosazení Předpokládejme, že z rovnice g(x, y) = 0 lze explicitně vyjádřit jednu nebo druhou proměnnou, tj.želzevyjádřit y=ϕ(x),resp. x=φ(y).tentovztahdosadímedofunkce f adostanemefunkci jednéproměnnédefinovanouna M,konkrétněbuďfunkci F(x)=f(x,ϕ(x))proměnné xnebofunkci F(y)=f(ψ(y),y)proměnné y.lokálníextrémytétofunkce F jsoupakvázanýmilokálnímiextrémy funkce fpřivazbě g(x,y)=0. Úlohu najít vázané lokální extrémy funkce dvou proměnných jsme převedli na úlohu najít lokální extrémy funkce jedné proměnné. 6.2.3 Lagrangeova metoda Jestližezvazby g(x,y)=0nelzevyjádřitanijednuzproměnnýchnebojetotovyjádřenípříliš složité, užívá se tzv. Lagrangeova metoda neurčitých koeficientů. Věta 6.3(Lagrange) Nechť mají funkce f a g spojité parciální derivace prvního řádu na nějaké otevřené množině U obsahující množinu M. Definujme Lagrangeovu funkci L vztahem L(x,y)=f(x,y)+λ g(x,y) (x,y) U, kde λje(neurčitá)reálnákonstanta(tzv.lagrangeůvmultiplikátor).nechťjetrojice(x 0,y 0,λ 0 )řešením soustavy L x(x,y) = 0 L y(x,y) = 0 g(x,y) = 0 Má-lifunkce Lvbodě(x 0,y 0 )provypočtenouhodnotu λ 0 lokálníextrém,pakmáfunkce f vtomto boděvázanýlokálníextrémstejnéhotypusvazbou g(x,y)=0. Poznámka:Protožeprovšechna(x,y) Mplatí g(x,y)=0,dostáváme L(x,y)=f(x,y)na M. Poznámka: Obrácená věta neplatí! Nevkaždémbodě,vněmžmáfunkce fvázanýlokálníextrémsvazbou g(x,y)=0,málokálníextrém i příslušná Lagrangeova funkce L. Znamená to, že Lagrangeovou metodou nemusíme najít všechny vázané lokální extrémy funkce f. Postup při hledání vázaných lokálních extrémů Lagrangeovou metodou VytvořímeLagrangeovufunkci L(x,y)=f(x,y)+λ g(x,y) Předpokládejme, že existují parciální derivace funkcí f a g. Potom funkce L může mít lokální extrémy pouze ve stacionárních bodech, tj. v bodech, jejichž souřadnice vyhovují rovnicím L x (x,y)=0 a L y (x,y)=0 5

Protože nás zajímají jen ty stacionární body, které leží v množině M, přidáme ještě podmínku g(x,y)=0(vazba). Dostáváme tak soustavu tří(obecně nelineárních) rovnic o třech neznámých(x, y, λ), kterou je nutné vyřešit: L x (x,y) = 0 L y (x,y) = 0 g(x,y) = 0 O tom, zda v takto nalezeném stacionárním bodě má L(při nalezené hodnotě λ) lokální extrém, rozhodneme podle postačující podmínky pro lokální extrém. Poznámka:Pokudvnějakémboděnenastaneextrémfunkce L,taksemůžepřestostát,žefunkce f bude mít v tomto bodě vázaný lokální extrém. Případnou existenci tohoto extrému musíme vyšetřit jiným způsobem(např. z definice vázaného lokálního extrému nebo pomocí druhého diferenciálu a vazby). 6.3 Globální extrémy Definice6.4 Říkáme,žefunkce fmánamnožině M D f globálnímaximum(resp.globálníminimum),existuje-lialespoňjedenbod(x 0,y 0 ) Mtakový,že f(x 0,y 0 ) f(x,y) (x,y) M, resp. f(x 0,y 0 ) f(x,y) (x,y) M. Souhrnněmluvímeoglobálníchextrémechfunkce f namnožině M.Číslo f(x 0,y 0 ) Rsenazývá globálnímaximum(resp.globálníminimum)funkce fna Maznačíse f(x 0,y 0 )= max f(x,y)=max{f(x,y);(x,y) M}, (x,y) M resp. f(x 0,y 0 )= min f(x,y)=min{f(x,y);(x,y) M}. (x,y) M Poznámka: Existence globálních extrémů je zaručena v případě, že funkce f je spojitá na neprázdné kompaktní množině(weierstrassova věta). Není-li M kompaktní, je situace obvykle komplikovaná a je nutno v každém případě postupovat odlišně. Globální maximum(globální minimum) je jen jedno, ale funkce ho může nabývat i v nekonečně mnoha různých bodech. Následující věta nám říká, ve kterých bodech Z M mohou nastat globální extrémy. Věta6.4 Nechť M D f jekompaktnímnožinaanechťfunkce fjespojitáne M.Potomfunkce f nabývá svých globálních extrémů buď v bodech lokálního extrému ležících uvnitř M nebo v některém hraničním bodě. 6

6.3.1 Postup při hledání globálních extrémů Cílemjeurčitglobálníextrémyfunkce fdvouproměnnýchnamnožině M D f. 1. Ověříme,zdajemnožina Mkompaktníafunkce fna Mspojitá.Pakexistujíglobálníextrémy. 2. Určíme body, které jsou podezřelé z globálních extrémů, tj. (α) body podezřelé z lokálních extrémů ležící uvnitř M (β) body z hranice množiny M podezřelé z vázaných lokálních extrémů (γ) bodyzhranice M,kterédoposudnebylyuvažovány(vnichžsehraniceláme,krajníbody intervalů,...) 3. Vypočítáme funkční hodnoty ve všech podezřelých bodech. Největší a nejmenší z nich jsou globálníextrémy fna M. Poznámka: V bodě 3. nemusíme ověřovat existenci extrému v podezřelém bodě ani určovat, zda se jedná o lokální maximum nebo minimum. Poznámka:Pokudjemnožina Motevřená,nemusífunkce fmítna Mglobálníextrémy.Pokudjeale má,taktojsoubodytypu(α). 7