Definice 6.2.1. z = f(x,y) vázané podmínkou g(x,y) = 0 jsou z geometrického hlediska lokálními extrémy prostorové křivky k, Obr. 6.2.1. Obr. 6.2.



Podobné dokumenty
Lineární algebra. Vektorové prostory

(a) = (a) = 0. x (a) > 0 a 2 ( pak funkce má v bodě a ostré lokální maximum, resp. ostré lokální minimum. Pokud je. x 2 (a) 2 y (a) f.

6 Extrémy funkcí dvou proměnných

Gymnázium, Praha 10, Voděradská 2 Projekt OBZORY

UŽITÍ DERIVACÍ, PRŮBĚH FUNKCE

2.1. Pojem funkce a její vlastnosti. Reálná funkce f jedné reálné proměnné x je taková

Numerická integrace. 6. listopadu 2012

Výrazy lze též zavést v nečíselných oborech, pak konstanty označuji jeden určitý prvek a obor proměnné není množina čísel.

INŽENÝRSKÁ MATEMATIKA LOKÁLNÍ EXTRÉMY

Průvodce studiem. do bodu B se snažíme najít nejkratší cestu. Ve firmách je snaha minimalizovat

Grafické řešení soustav lineárních rovnic a nerovnic

(k 1)x k + 1. pro k 1 a x = 0 pro k = 1.

IRACIONÁLNÍ ROVNICE. x /() 2 (umocnění obou stran rovnice na druhou) 2x 4 9 /(-4) (ekvivalentní úpravy) Motivace: Teorie: Řešené úlohy:

KVADRATICKÉ ROVNICE A NEROVNICE (početní a grafická řešení)

Matematická analýza III.

CHOVÁNÍ FUNKCÍ VÍCE PROMĚNNÝCH Z HLEDISKA EXTRÉMŮ

Rostislav Horčík. 13. října 2006

Inženýrská matematika Lokální extrémy funkcí dvou proměnných

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

Matematika pro chemické inženýry. Drahoslava Janovská

Asymptoty grafu funkce

2 Trochu teorie. Tab. 1: Tabulka pˇrepravních nákladů

3. Polynomy Verze 338.

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

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

1.7. Mechanické kmitání

Hra a hry. Václav Vopravil. Teorie kombinatorických her se zabývá abstraktními hrami dvou hráčů. Hra je definována R },

2.6.4 Lineární lomené funkce s absolutní hodnotou

2.8.8 Kvadratické nerovnice s parametrem

Goniometrie trigonometrie

Matematický model kamery v afinním prostoru

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

MODEL MOSTU. Ing.Jiřina Strnadová. Evropský sociální fond Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti. Předmět:Fyzika

Učební dokument FUNKCE. Vyšetřování průběhu funkce. Mgr. Petra MIHULOVÁ. 4.roč.

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

Analytická geometrie ( lekce)

4 Soustavy lineárních rovnic

1) Určete ohniskové vzdálenosti čoček, jsou-li jejich optické mohutnosti 2 D, 16 D, - 4 D, - 12 D.

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

11 Soustavy rovnic a nerovnic, Determinanty a Matice

Druhá mocnina. Druhá odmocnina Druhá odmocnina. Předpoklady: V této hodině jsou kalkulačky zakázány.

1. POLOVODIČOVÁ DIODA 1N4148 JAKO USMĚRŇOVAČ

UŽITÍ DERIVACÍ, PRŮBĚH FUNKCE

7. DIFERENCIÁLNÍ POČET FUNKCÍ DVOU PROMĚNNÝCH Definiční oblasti Úlohy k samostatnému řešení... 83

Matematika 1 pro PEF PaE

7. Silně zakřivený prut

4. R O V N I C E A N E R O V N I C E

Lokální a globální extrémy funkcí jedné reálné proměnné

Jednofázový alternátor

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

Metodický list pro první soustředění kombinovaného studia. předmětu MATEMATIKA A

VÝZNAMOVÉ POMĚRY MEZI VH

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

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

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

Příprava na 1. čtvrtletní písemku pro třídu 1EB

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

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

( ) ( ) Sčítání vektorů. Předpoklady: 7201

Matematika pro 9. ročník základní školy

4 Vyhodnocení naměřených funkčních závislostí

1 Matematické základy teorie obvodů

( ) ( ) Podmíněné pravděpodobnosti I. Předpoklady: 9207

Předmět: Ročník: Vytvořil: Datum: MATEMATIKA TŘETÍ MGR. JÜTTNEROVÁ Název zpracovaného celku: KOMBINACE, POČÍTÁNÍ S KOMBINAČNÍM ČÍSLY

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

M - Příprava na čtvrtletní písemnou práci

4. cvičení: Pole kruhové, rovinné, Tělesa editace těles (sjednocení, rozdíl, ), tvorba složených objektů

Jan Březina. Technical University of Liberec. 17. března 2015

Digitální učební materiál

Řešení lineárních a kvadratických funkcí v prostředí programu GeoGebra

Definice Řekneme, že funkce z = f(x,y) je v bodě A = [x 0,y 0 ] diferencovatelná, nebo. z f(x 0 + h,y 0 + k) f(x 0,y 0 ) = Ah + Bk + ρτ(h,k),

Elasticita a její aplikace

CVIČENÍ č. 8 BERNOULLIHO ROVNICE

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2014

Průniky rotačních ploch

MMEE cv Stanovení množství obchodovatelného zboží mezi zákazníkem a dodavatelem

Pokud není uvedeno jinak, uvedený materiál je z vlastních zdrojů autora

KOMPLEXNÍ ČÍSLA (druhá část)

SMĚŠOVACÍ KALORIMETR -tepelně izolovaná nádoba s míchačkou a teploměrem, která je naplněná kapalinou

Matematické metody rozhodování

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

POČÍTAČOVÁ PODPORA ZPRACOVÁNÍ TÝMOVÝCH PROJEKTŮ - MATHCAD

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

MECHANIKA HORNIN A ZEMIN

Rovnice s neznámou pod odmocninou I

Kód uchazeče ID:... Varianta: 15

Pravoúhlá axonometrie - řezy hranatých těles

pracovní list studenta

Řešené příklady z OPTIKY II

MODELOVÁNÍ CENOVÉ ELASTICITY POPTÁVKY PO VJEZDU NA AUTOBUSOVÉ NÁDRAŽÍ MODELLING OF PRICE DEMAND ELASTICITY FOR ENTRY TO BUS TERMINAL

5. cvičení 4ST201_řešení

Funkce více proměnných

na tyč působit moment síly M, určený ze vztahu (9). Periodu kmitu T tohoto kyvadla lze určit ze vztahu:

( ) Slovní úlohy o společné práci I. Předpoklady: Sepiš postup na řešení příkladů o společné práci.

má spojité parciální derivace druhého řádu ve všech bodech této množiny. Výpočtem postupně dostaneme: y = 9xy2 + 2,

Stavební mechanika přednáška, 2. května 2016

Úlohy domácího kola kategorie C

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

Definice a vlastnosti funkcí

Transkript:

Výklad Dalším typem extrémů, kterým se budeme zabývat jsou tzv. vázané extrémy. Hledáme extrémy nějaké funkce vzhledem k předem zadaným podmínkám. Definice 6.2.1. Řekneme, že funkce f : R n D f R má v bodě A D f lokální extrém vázaný m podmínkami, m < n, g 1 (x 1,x 2,...x n ) = 0, g 2 (x 1,x 2,...x n ) = 0,..., g m (x 1,x 2,...x n ) = 0, jestliže pro všechny body X O(A) D f, které vyhovují uvedeným podmínkám, platí jeden ze vztahů: 1. f(x) f(a), pak má funkce f v bodě A vázané lokální minimum, 2. f(x) f(a), pak má funkce f v bodě A vázané lokální maximum. Geometrický význam vázaných extrémů. Necht z = f(x,y), n = 2. Bud dána podmínka g(x,y) = 0. Hledáme vázané extrémy funkce f vzhledem k podmínce g(x,y) = 0. Extrém může nastat pouze v bodech z definičního oboru funkce f, které leží na křivce o rovnici g(x,y) = 0. Těmto bodům odpovídají body na ploše z = f(x,y), které tvoří prostorovou křivku k (průsečnice plochy z = f(x,y) s přímou válcovou plochou g(x,y) = 0). Lokální extrémy funkce z = f(x,y) vázané podmínkou g(x,y) = 0 jsou z geometrického hlediska lokálními extrémy prostorové křivky k, Obr. 6.2.1. z A k x A 0 y g(x,y) = 0 Obr. 6.2.1-308 -

Věta 6.2.1. Bud dána funkce f : R n D f R a necht je dáno m, m < n, podmínek g j (x 1,x 2,...,x n ) = 0. Jestliže má funkce Φ m Φ(x 1,x 2,...,x n,λ 1,λ 2,...,λ m )=f(x 1,x 2,...,x n )+ λ j g j (x 1,x 2,...,x n ), kde λ j R, j = 1, 2,...,m, ve svém stacionárním bodě lokální extrém, má i funkce f v tomto bodě lokální extrém vázaný podmínkami g j (x 1,x 2,...,x n ) = 0. j=1 Poznámka Předchozí věta reprezentuje tzv. Lagrangeovu metodu hledání vázaného extrému. Funkce Φ se nazývá Lagrangeova funkce. Reálná čísla λ j se nazývají Lagrangeovy multiplikátory. Stacionární body Lagrangeovy funkce Φ určíme jako řešení soustavy rovnic = 0 i = 1, 2,...,n, x i g j (x 1,x 2,...,x n ) = 0 j = 1, 2,...,m. Omezme se nyní na funkci dvou proměnných z = f(x,y). V určitých případech při hledání vázaného extrému nemusíme Lagrangeovu metodu použít. Poznámka Jestliže lze z rovnice g(x, y) = 0 jednoznačně vyjádřit y = ϕ(x) resp. x = ψ(y), pak lokální extrémy funkce z = f(x,y) vázané podmínkou g(x,y) = 0 můžeme určit jako lokální extrémy funkce jedné proměnné z = f(x,ϕ(x)) resp. z = f(ψ(y),y). - 309 -

Řešené úlohy Příklad 6.2.1. Nalezněte vázané extrémy funkce f(x,y) = x + y, vzhledem k podmínce 1 x + 1 2 y = 1. 2 Řešení: Definiční obor funkce f je D f = R 2, g(x,y) = 1 x 2 + 1 y 2 1 = 0. 1. Sestavíme Lagrangeovu funkci, ( 1 Φ(x,y,λ) = f(x,y) + λg(x,y) = x + y + λ x + 1 ) 2 y 1. 2 2. Hledáme lokální extrémy Lagrangeovy funkce Φ. Nejdříve určíme parciální derivace funkce Φ podle proměnných x, y, x = 1 2λ x, 3 y = 1 2λ y. 3 3. Sestavíme soustavu rovnic pro stacionární body funkce Φ, x = 0, 1 2λ x = 0, 3 x3 2λ = 0, = 0, y 2λ 1 y = 0, 3 y3 2λ = 0, g(x,y) = 0, 1 x + 1 2 y 1 = 0, 2 x2 + y 2 x 2 y 2 = 0, pro x 0, y 0. 4. Soustavu vyřešíme. Z první rovnice přímo plyne x = 3 2λ. Ze druhé rovnice dostáváme y = 3 2λ. Dosadíme do třetí rovnice za x a za y, dostaneme rovnici o jedné neznámé λ, 3 (2λ)2 + 3 (2λ) 2 3 (2λ) 2 3 (2λ) 2 = 0, 2 3 4λ 2 3 4λ 2 4λ 2 = 0, 2 3 4λ 2 2 3 2λ 4 = 0, 3 2λ4 = 3 4λ 2 2λ 4 = 4λ 2, λ 4 2λ 2 = 0, λ 2 (λ 2 2) = 0. - 310 -

Dostáváme řešení ve tvaru: λ 1 = 2, λ 2 = 2, λ 3 = λ 4 = 0. Hodnoty λ i, i = 1, 2, 3, 4 dosadíme do prvních dvou rovnic a vypočítáme x a y. Tedy λ 1 = 2 x = 3 2 8 3 2 = 3 = 8 = 2 = y, λ 2 = 2 x = 3 2 8 3 2 = 3 = 8 = 2 = y, λ 3 = λ 4 = 0 x = 0 = y. Celá soustava byla řešena za podmínky, že x 0 a y 0. Pro hodnotu λ 3 = λ 4 = 0 se x = 0 a y = 0, to je ovšem ve sporu s podmínkou a tedy λ 3, λ 4 není řešení naší soustavy rovnic. Řešením soustavy jsou tedy pouze dva stacionární body, a to A 1 = [ 2, 2] pro λ 1 = 2 a A 2 = [ 2, 2] pro λ 2 = 2. 5. Sestavíme matici druhých parciálních derivací funkce Φ, 2 Φ 2 Φ 6λ Q = x 2 x y 2 Φ 2 Φ = 0 x 4 6λ. 0 y x y 2 y 4 6. Dosadíme do Q jednotlivé stacionární body a odpovídající hodnoty λ, λ 1 = 2 : Q(A 1 ) = 3 2 2 0, 3 0 2 2 λ 2 = 2 : Q(A 2 ) = 3 2 ( 2) 0 0 3 2 ( 2) 7. Podle determinantů D 1 a D 2 rozhodneme o charakteru vázaných extrémů. Stac. boda i D 1 D 2 vázaný extrémz = Φ(A i ) A 1 = [ 2, 3 2] 2 2 > 0 9 > 0 vázané lokální minimumz = 2 2 2 A 2 = [ 2, 2] 3 2 2 < 0 9 2 > 0 vázané lokální maximumz = 2 2. - 311 -

Poznámka Pokud Lagrangeova funkce Φ nemá v některém svém stacionárním bodě extrém, pak to ještě neznamená, že i funkce f nemá v tomto bodě lokální extrém, viz. příklad 6.2.2. Příklad 6.2.2. Určete vázané extrémy funkce f(x,y) = 27(x + y 1) vzhledem k podmínce 9(x 2 + y 2 ) = 2x 2 y 2. Řešení: Definičním oborem funkce f je množina D f = R 2, g(x,y) = 9(x 2 + y 2 ) 2x 2 y 2 = 0. 1. Sestavíme Lagrangeovu funkci, Φ(x,y,λ) = 27(x + y 1) + λ(9(x 2 + y 2 ) 2x 2 y 2 ). 2. Určíme parciální derivace Lagrangeovy funkce Φ podle x, y, x = 27 + 18λx 4λxy2, y = 27 + 18λy 4λx2 y. 3. Sestavíme soustavu rovnic pro stacionární body funkce Φ, 27 + 18λx 4λxy 2 = 0, 27 + 18λy 4λx 2 y = 0, 9(x 2 + y 2 ) 2x 2 y 2 = 0. 4. Soustavu vyřešíme. Odečteme od sebe první dvě rovnice, tj. dostáváme y x, 2λ(y x)(9 + 2xy) = 0 λ = 0 y = x y = 9 2x. Jestliže λ = 0, pak první dvě rovnice nejsou splněny. Proto se v tomto případě nejedná o řešení soustavy. Další dva mezivýsledky postupně dosadíme do třetí - 312 -

rovnice. Uvažujme nejdříve y = 9 2x, 9x 2 + 9 81 81 2x2 = 0, x 0, 4x2 4x2 4x 4 18x 2 + 81 = 0. Použijeme substituci x 2 = t, dostáváme kvadratickou rovnici 4t 2 18t + 81 = 0. Diskriminant této rovnice D = ( 18) 2 16 81 < 0, tzn. rovnice nemá žádné řešení. Dosad me nyní y = x do třetí rovnice, 9x 2 + 9x 2 2x 2 x 2 = 0, 18x 2 + 2x 4 = 0, 2x 2 (9 x 2 ) = 0. Dostáváme řešení ve tvaru x 1 = 3, x 2 = 3, x 3 = x 4 = 0. Hodnoty y i, i = 1, 2, 3, 4 získáme z podmínky y = x, λ i vypočítáme z libovolné z prvních dvou rovnic soustavy. Tedy x 1 = 3 y 1 = 3 λ 1 = 1 2, x 2 = 3 y 2 = 3 λ 2 = 1 2, x 3 = x 4 = 0 y 3 = y 4 = 0 řešení neexistuje. Získali jsme dva stacionární body funkce Φ, A 1 = [3, 3] pro λ 1 = 1 2, A 2 = [ 3, 3] pro λ 2 = 1 2. 5. Sestavíme matici druhých parciálních derivací funkce Φ, 2 Φ 2 Φ Q = x 2 x y 2 Φ 2 Φ = 18λ 4λy2 8λxy. 8λxy 18λ 4λx 2 y x y 2-313 -

6. Dosadíme do Q jednotlivé stacionární body a odpovídající hodnoty λ, λ 1 = 1 : Q(A 2 1) = 9 36, 36 9 λ 2 = 1 2 : Q(A 2) = 9 36 36 9. 7. Podle determinantů D 1 a D 2 rozhodneme o charakteru vázaných extrémů. Stac. boda i D 1 D 2 vázaný extrémz = Φ(A i ) A 1 = [3, 3] 9 < 0 81 36 2 < 0 extrém neexistuje A 2 = [ 3, 3] 9 > 0 81 36 2 < 0 extrém neexistuje Lagrangeova funkce Φ v bodech A 1, A 2 nemá extrém, ovšem to ještě neznamená, že i funkce f v těchto bodech nemá extrém. a tedy 8. Využijeme větu?? Určíme d 2 Φ, d 2 Φ = 2 Φ x 2 dx2 + 2 2 Φ x y dxdy + 2 Φ y 2 dy2, d 2 Φ = (18λ 4λy 2 )dx 2 16λxydxdy + (18λ 4λx 2 )dy 2. 9. Hodnota d 2 Φ ve stacionárních bodech funkce Φ rozhodne o vázaných extrémech funkce f. Dosadíme postupně do d 2 Φ bod A 1 a bod A 2, d 2 Φ(A 1 ) = 9dx 2 72dxdy 9dy 2, d 2 Φ(A 2 ) = 9dx 2 + 72dxdy + 9dy 2. 10. Diferencujeme podmínku g(x,y) = 0, 18xdx + 18ydy + 4xy 2 dx + 4x 2 ydy =0 (18x + 4xy 2 )dx + (18x + 4x 2 y)dy =0. Dosadíme za x a y souřadnice stacionárních bodů, A 1 : (18 3 + 12 9)dx + (18 3 + 12 9)dy = 0 dy = dx, A 2 : (18 ( 3) 12 9)dx + (18 ( 3) 12 9)dy = 0 dy = dx. - 314 -

V jistém okolí jak bodu A 1, tak bodu A 2 platí dy = dx. Tento vztah využijeme v bodě 9. a dostáváme A 1 : d 2 Φ(A 1 ) = 54dx 2 > 0 vázáné lokální minimumz = f(a 1 ) = 135, A 2 : d 2 Φ(A 2 ) = 54dx 2 < 0 vázáné lokální maximumz = f(a 2 ) = 189. Příklad 6.2.3. Určete vázané extrémy funkce f(x,y) = xy x + y 1, vzhledem k podmínce x + y = 1. Řešení: Definiční obor funkce D f = R 2. 1. Z podmínky x + y = 1 můžeme vypočítat jak x, tak i y. Z podmínky vyjádříme např. y, y = 1 x. 2. Dosadíme y = 1 x do funkce z = f(x,y) = xy x + y 1 a dostaneme funkci jedné proměnné x, z = x(1 x) x + 1 x 1 = x 2 x. 3. Hledáme extrémy funkce jedné proměnné. z = 2x 1 = 0 x = 1 2, z = 2 < 0. Druhá derivace je záporná pro všechny body definičního oboru funkce jedné proměnné z, a tedy i v bodě x = 1 je druhá derivace záporná, 2 z ( 1 ) = 2 < 0. 2 Funkce z má v bodě x = 1 2 ostré lokální maximum. Dopočítáme hodnotu y, y = 1 ( 1 2 ) = 3 2. Funkce f(x,y) = xy x+y 1 má v bodě A = [ 1, 3 ] vázané lokální maximum 2 2 z = 1 4. - 315 -

Úlohy k samostatnému řešení 1. Určete vázané extrémy funkce f(x,y) = 4x + 2y + 1 vzhledem k podmínce y = x 2 + x + 1. 4 2. Určete vázané extrémy funkce f(x,y) = 12x + y 3 vzhledem k podmínce y = x 3 + 3. 3. Určete vázané extrémy funkce f(x,y) = 3y + 2x 4 + 9x 2 + 6 vzhledem k podmínce y = x 4 + 3x 2 2. 4. Určete vázané extrémy funkce f(x,y) = e x2 +y vzhledem k podmínce y = x 3. 5. Určete vázané extrémy funkce f(x,y) = ln(x 2 + y 2 ) vzhledem k podmínce y = x + 3. 6. Určete vázané extrémy funkce f(x,y) = 4x + y 2 + 5 vzhledem k podmínce y = 2x 3. 7. Určete vázané extrémy funkce f(x,y) = x 3 + y 3 vzhledem k podmínce 2x + 2y = 1. 8. Určete vázané extrémy funkce f(x,y) = 8x+6y 5 vzhledem k podmínce x 2 + y 2 = 100. 9. Určete vázané extrémy funkce f(x,y) = 4x + 3y 4 vzhledem k podmínce (x 1) 2 + (y 2) 2 = 1. 10. Určete vázané extrémy funkce f(x,y) = 3x 9 vzhledem k podmínce 3y y 3 = x 2. Výsledky úlohy k samostatnému řešení 1. [ 3, 1] - vázané lokální minimum. 2 2. [ 2, 11] - vázané lokální minimum, [2, 5] - vázané lokální maximum. 3. [0, 2] - vázané lokální minimum, [3, 56] - vázané lokální maximum, [ 3, 56] - vázané lokální maximum. - 316 -

4. [0, 0] - vázané lokální minimum, [ 2, 8 ] - vázané lokální maximum. 3 27 5. [ 3, 3 ] - vázané lokální minimum. 2 2 6. [1, 1] - vázané lokální minimum. 7. [ 1, 1 ] - vázané lokální minimum. 4 4 8. [8, 6] - vázané lokální minimum, [ 8, 6] - vázané lokální maximum. 9. [ 1, 7] - vázané lokální minimum, 5 5 [9, 13 ] - vázané lokální maximum. 5 5 10. [ 2, 1] - vázané lokální minimum, [ 2, 1] - vázané lokální maximum. - 317 -