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

Podobné dokumenty
Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

II.7.* Derivace složené funkce. Necht jsou dány diferencovatelné funkce z = f(x,y), x = x(u,v), y = y(u,v). Pak. z u = f. x x. u + f. y y. u, z.

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:

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).

7. Derivace složené funkce. Budeme uvažovat složenou funkci F = f(g), kde některá z jejich součástí

VI. Derivace složené funkce.

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

Matematika 1 pro PEF PaE

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

Implicitní funkce. 2 + arcsin(x + y2 ) = arccos(y + x 2 ), [0, 0] , 5] stacionární bod?

Extrémy funkce dvou proměnných

Matematická analýza III.

5.3. Implicitní funkce a její derivace

13. cvičení z Matematické analýzy 2

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek (2015)

{ } Ox ( 0) 4.2. Konvexnost, konkávnost, inflexe. Definice Obr. 52. Poznámka. nad tečnou

5. cvičení z Matematické analýzy 2

Analytická geometrie lineárních útvarů

+ 2y y = nf ; x 0. závisí pouze na vzdálenosti bodu (x, y) od počátku, vyhovuje rovnici. y F x x F y = 0. x y. x x + y F. y = F

14. přednáška. Přímka

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

1. DIFERENCIÁLNÍ POČET FUNKCE DVOU PROMĚNNÝCH

6. DIFERENCIÁLNÍ POČET FUNKCE VÍCE PROMĚNNÝCH

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

Derivace úvod. Jak zjistit míru změny?

X = A + tu. Obr x = a 1 + tu 1 y = a 2 + tu 2, t R, y = kx + q, k, q R (6.1)

Úvodní informace. 17. února 2018

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

Určete a graficky znázorněte definiční obor funkce

Funkce dvou a více proměnných

5. cvičení z Matematiky 2

1. Funkce dvou a více proměnných. Úvod, limita a spojitost. Definiční obor, obor hodnot a vrstevnice grafu

Napište rovnici tečné roviny ke grafu funkce f(x, y) = xy, která je kolmá na přímku. x = y + 2 = 1 z

Monotonie a lokální extrémy. Konvexnost, konkávnost a inflexní body. 266 I. Diferenciální počet funkcí jedné proměnné

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

Příklad 1. Řešení 1a. Řešení 1b ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1B ČÁST 5

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ

Parametrická rovnice přímky v rovině

Lineární algebra : Metrická geometrie

ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ V ROVINĚ

1 Analytická geometrie

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),

VZÁJEMNÁ POLOHA DVOU PŘÍMEK V ROVINĚ

Kristýna Kuncová. Matematika B3

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

f(x) = arccotg x 2 x lim f(x). Určete všechny asymptoty grafu x 2 2 =

dx se nazývá diferenciál funkce f ( x )

Cvičení 1 Elementární funkce

Takže platí : x > 0 : x y 1 x = x+1 y x+1 x < 0 : x y 1 x = x+1 y x+1 D 1 = {[x,y] E 2 : x < 0, x+1 y 1 x}, D 2 = {[x,y] E 2 : x > 0, 1 x y x+1}.

Limita a spojitost funkce

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

4. Diferenciál a Taylorova věta

1 Funkce dvou a tří proměnných

Matematika 1 MA1. 1 Analytická geometrie v prostoru - základní pojmy. 4 Vzdálenosti. 12. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 32

1 L Hospitalovo pravidlo

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.

x 2(A), x y (A) y x (A), 2 f

1. Cvičení: Opakování derivace a integrály

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

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

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

Matematická analýza III.

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

Homogenní rovnice. Uvažujme rovnici. y = f(x, y), (4) kde

Limita a spojitost funkce

Obsah. Aplikovaná matematika I. Gottfried Wilhelm Leibniz. Základní vlastnosti a vzorce

Drsná matematika III 3. přednáška Funkce více proměnných: Inverzní a implicitně definovaná zobrazení, vázané extrémy

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

Vlastní čísla a vlastní vektory

Cvičení 1 Elementární funkce

VZÁJEMNÁ POLOHA DVOU PŘÍMEK

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.

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

Derivace funkce. Přednáška MATEMATIKA č Jiří Neubauer

VZOROVÝ TEST PRO 3. ROČNÍK (3. A, 5. C)

Analytická geometrie kvadratických útvarů v rovině

I. Diferenciální rovnice. 3. Rovnici y = x+y+1. převeďte vhodnou transformací na rovnici homogenní (vzniklou

2 Fyzikální aplikace. Předpokládejme, že f (x 0 ) existuje. Je-li f (x 0 ) vlastní, pak rovnice tečny ke grafu funkce f v bodě [x 0, f(x 0 )] je

Matematika I, část I Vzájemná poloha lineárních útvarů v E 3

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

Matematika I (KX001) Užití derivace v geometrii, ve fyzice 3. října f (x 0 ) (x x 0) Je-li f (x 0 ) = 0, tečna: x = 3, normála: y = 0

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

4.1 Řešení základních typů diferenciálních rovnic 1.řádu

INTEGRÁLY S PARAMETREM

1 Topologie roviny a prostoru

(0, y) 1.3. Základní pojmy a graf funkce. Nyní se již budeme zabývat pouze reálnými funkcemi reálné proměnné a proto budeme zobrazení

0.1 Úvod do matematické analýzy

( + ) ( ) f x x f x. x bude zmenšovat nekonečně přesný. = derivace funkce f v bodě x. nazýváme ji derivací funkce f v bodě x. - náš základní zápis

5. Lokální, vázané a globální extrémy

Definice derivace v bodě

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

DERIVACE FUKNCÍ VÍCE PROMĚNNÝCH

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2018

Označení derivace čárkami, resp. římskými číslicemi, volíme při nižším řádu derivace, jinak užíváme horní index v závorce f (5), f (6),... x c g (x).

DERIVACE FUNKCE, L HOSPITALOVO PRAVIDLO

Drsná matematika III 1. přednáška Funkce více proměnných: křivky, směrové derivace, diferenciál

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.

To je samozřejmě základní pojem konvergence, ale v mnoha případech je příliš obecný a nestačí na dokazování některých užitečných tvrzení.

Limita a spojitost funkce a zobrazení jedné reálné proměnné

Transkript:

Diferenciální počet příklad 1 Dokažte, že funkce F, = n f 2, kde f je spojitě diferencovatelná funkce, vhovuje vztahu + 2 = nf ; 0 Řešení: Označme u = 2. Pak je F, = n fu a platí Podle vět o derivaci složené funkce je = 2 3 a = 1 2. = nn 1 fu + n df du = nn 1 fu 2 n 3 f u df = n du = n 2 f u Ted platí + 2 = nn fu 2 n 2 f + 2 n 2 f = n n fu = nf. Ukažte, že každá funkce F,, která má spojité parciální derivace a jejíž hodnota závisí pouze na vzdálenosti bodu, od počátku, vhovuje rovnici = 0 Řešení: Podle zadání je funkce F, = fr, kde r = 2 + 2 je vzdálenost bodu [; ] od počátku souřadnic. Protože r = 2 +, 2 r = 2 +, 2 je podle vět o derivování složené funkce = df dr r = 2 + 2 f r, = df dr r = 2 + 2 f r. Ted platí = 2 + 2 f r 2 + 2 f r = 0. Určete, jaká funkce tvaru F, = f, vhovuje rovnici + = F Tpeset b AMS-TEX 1

Řešení: Jedná se o derivace složené funkce F, = fu, v, kde u = a v =. Protože parciální derivace jsou = 1, platí pro derivace funkce F, vztah Po dosazení do dané rovnice dostaneme 2 = 0, = 2, = 1, = + = 2 = + = 1. + 1 = = u = f. Nechť F, = fρ, ϕ, kde = ρ cos ϕ, = ρ sin ϕ jsou polární souřadnice v rovině a funkce f má spojité parciální derivace. Vjádřete v polárních souřadnicích grad F 2 = 2 2 + Řešení: Jedná se o derivace složené funkce. Kdbchom chtěli počítat přímo derivace, které potřebujeme k dosazení do daného vztahu, tj. = ρ ρ + ϕ ϕ, dostaneme derivace, které neumíme počítat přímo z definičního vztahu. Proto najdeme ρ = ρ + ρ ϕ = ϕ + = cos ϕ + sin ϕ = ρ sin ϕ + ρ cos ϕ ϕ. Hledané parciální derivace pak najdeme jako řešení této soustav. Tím dostaneme = cos ϕ ρ sin ϕ ρ ϕ, = sin ϕ ρ + cos ϕ ρ ϕ. Jestliže tto derivace dosadíme do daného vztahu, dostaneme 2 2 + = 2 + 1 2 ρ ρ 2. ϕ Nechť F, = fρ, ϕ, kde = ρ cos ϕ, = ρ sin ϕ jsou polární souřadnice v rovině a funkce f má spojité parciální derivace. Vjádřete v polárních souřadnicích. 2

Řešení: Jedná se o derivace složené funkce. Kdbchom chtěli počítat přímo derivace, které potřebujeme k dosazení do daného vztahu, tj. = ρ ρ + ϕ ϕ, dostaneme derivace, které neumíme počítat přímo z definičního vztahu. Proto najdeme ρ = ρ + ρ ϕ = ϕ + = cos ϕ + sin ϕ = ρ sin ϕ + ρ cos ϕ ϕ. Hledané parciální derivace pak najdeme jako řešení této soustav. Tím dostaneme = cos ϕ ρ sin ϕ ρ ϕ, = sin ϕ ρ + cos ϕ ρ ϕ. Jestliže tto derivace dosadíme do daného vztahu, dostaneme = ϕ. 2 + 2, kde f je spojitě diferencov- Dokažte, že všechn normál ke grafu funkce F, = f atelná funkce, protínají osu z. Řešení: Parametrické rovnice přímk, která prochází bodem [ 0 ; 0 ; z 0 ] a je rovnoběžná s vektorem a, b, c jsou = 0 + at, = 0 + bt, z = z 0 + ct, t R a osa z má rovnici = = 0. Přímka ted protíná osu z, pokud eistuje řešení soustav rovnic Nechť je 0 = 0 + at, 0 = 0 + bt. [ 0 ; 0 ; z 0 = f 2 0 + 2 0 ] libovolný bod ploch, která je dána rovnicí z = F, = fr, kde r = 2 + 2. Vektor normál k této ploše je úměrný vektoru n = Podle vět o derivování složené funkce je,, 1. = df dr r = 2 + 2 f r, = df dr r = 2 + 2 f r. Za vektor normál v bodě [ 0 ; 0 ; z 0 ] lze zvolit např. vektor n = 0 f r 0, 0 f r 0, 2 0 + 2 0, kde r 0 = 2 0 + 2 0. Parametrické rovnice normál jsou = 0 + 0 f r 0 t, = 0 + 0 f r 0 t, z = z 0 2 0 + 2 0 t, t R. 3

Protože soustava rovnic 0 + 0 f r 0 t = 0, 0 + 0 f r 0 t = 0 má za předpokladu f r 0 0, tj. kdž není normála rovnoběžná s osou z, řešení t = [ f r 0 ] 1, protíná normála osu z. Ukažte, že funkce F, = f 2 2, kde f má spojitou derivaci, vhovuje rovnici 1 + 1 = F 2 Řešení: Označme u = 2 2 a F, = fu. Podle vět o derivaci složené funkce je = df du = 2f u, = f + df du = fu 22 f u. Jestliže dosadíme tto výraz do dané rovnice, dostaneme 1 + 1 = 2f u + 1 f 2 2 f u = fu F, = 2. Ukažte, že každá funkce F, = vhovuje vztahu f 2 2, kde f je nenulová funkce mající spojitou derivaci, 2 + F = 0 Řešení: Najdeme derivace složené funkce F, = podílu a derivaci složené funkce je = f 2 u = df du fu df du Po dosazení do dané rovnice dostaneme = 2 f 2 u f u fu, kde u = 2 2. Podle vět o derivaci f 2 u = fu + 22 f u f 2. u 23 f 2 u + fu + 22 f u f f 2 u fu = 0. Do rovnice + = 0 zaveďte nové proměnné u = ln 2 + 2, v = arctg. Řešení: Najdeme parciální derivace funkce F, = fu, v, kde u = ln 2 + 2 a v = arctg. Protože platí = 2 + 2, = 2 + 2, = 2 + 2, = 2 + 2, 4

je podle vět o derivaci složené funkce = + = + Po dosazení do dané rovnice získáme + = + 2 + 2 = 1 2 + 2 = 1 2 + 2 +. 2 + 2 + = = 0. Ukažte, že funkce F, = e f e 2 2 2, kde f je libovolná diferencovatelná funkce, vhovuje rovnici 2 2 + = F. Řešení: Nejprve nalezneme derivace složené funkce F, = e 2 fu, kde u = ep 2 2. Protože = 2 ep 2 2, je podle vět o derivaci součinu a složené funkce A po dosazení dostaneme df = e du = e = 2 2 2 2 ep 2 2 f u = e fu + e df du = e fu + e 2 2 2 2 ep 2 2, 2 ep 2 2 f u. 2 2 + = 2 2 e 2 ep 2 2 f u + [e fu + e 2 2 2 = e fu = F,. Ukažte, že funkce F,, z = n f rovnici ] 2 ep 2 2 f u = a, z, kde f je spojitě diferencovatelná funkce, vhovuje b + + z = nf. Řešení: Jedná se o parciální derivace funkce F,, z = n fu, v, kde u = a a v = z b. Protože = a 2, = 0, = 1 a, = z b 2, = 0, = 1 b, 5

je podle vět o derivaci součinu a vět o derivaci složené funkce = nn 1 f + n = n = n + + + = n 1 a = n b Po dosazení do dané rovnice dostaneme + + z n = n 1 f n 2 a = n n fu, v = nf,, z., kde f je spojitě diferencovatelná funkce, v- Ukažte, že funkce F,, z = z ln + f, z hovuje vztahu = n n 1 f n 2 a n z b 2 n 1 + a n z b 2 + + z = F + z + n z b = Řešení: Označme u = a v = z. Pak je podle vět o derivaci složené funkce u, v Z toho dostaneme = 2 z 2, u, v = 1, u, v = 1. = ln + z z + f = ln + z ln = z 2 +. Kdž dosadíme tto derivace do dané rovnice, dostaneme + + z ln = + z z + f z = z + ln z + fu, v = z z ln + + ln + z z z 2 + = + F,, z. Napište Talorův rozvoj funkce v bodě 0, 0. f, = e ln1 + Řešení: Protože je dk e d k = e a pro l 1 platí dokáže se indukcí d l ln1 + d l = 1l 1 l 1! 1 + l, 6

je Z toho dostanu k f k, = e ln1 +, k+l f k l, = e 1l 1 l 1! 1 + l pro l > 0. k+l { f 0 pro l = 0, k 0, 0 = l 1 l 1 l 1! pro l > 0. Ted n tý diferenciál funkce f, v bodě [0; 0] je d n f0, 0;, = n l=0 n n f l n l l 0, 0 n l l = A Talorův rozvoj funkce f, v bodě [0; 0] je podle definice T f, = n=0 1 n! dn f0, 0;, = n n=1 l=1 n l=1 1 l 1 l n l! n l l = n! l n l! n l l k=0 l=1 1 l 1 l k! k l. Nechť funkce f a g mají spojité derivace druhého řádu. Dokažte, že funkce F, = f + + g + vhovuje rovnici 2 2 2 F + 2 F 2 = 0. Řešení: Máme najít druhé derivace funkce F, = fu + gu, kde u = +. Protože = = 1, jsou podle vět o derivaci složené funkce první derivace rovn = f + f + g, = f + g + g a pro druhé derivace snadno dostaneme F 2 = 2f + f + g, F = f + f + g + g, F 2 = f + 2g + g A po dosazení do dané rovnice získáme 2 2 2 F + 2 F 2 = 2f + f + g 2 f + f + g + g + f + 2g + g = 0. Laplaceův operátor f = 2 f 2 + 2 f 1 2 +... + 2 f 2 2 n v R n vjádřete pro funkci, která závisí pouze na vzdálenosti bodu = 1,..., n od počátku souřadnicové soustav, tj. f 1,... n = F r, r = 2 1 + 2 2,... + 2 n. 7

Řešení: Jedná se o derivaci složené funkce. Protože pro každé k = 1, 2,..., n je platí r = k k 2 1 + 2 2 +... + = k 2 r, n = df k dr r = k k r F. Pro druhou derivaci dostanu počítám ji jako součin tří funkcí 2 k Ted hledaný Laplaceův operátor je f = n F k=1 = 1 k k r F = F r 2 k r 3 F + 2 k r 2 F. r 2 k r 3 F + 2 k r 2 F = nf r r2 r 3 F + r2 r 2 F = F + n 1 F. r Výraz 2 f 2 + 2 f přetransformujte pro funkci F u, v = f,, kde u =, v =. Řešení: Musíme najít druhé parciální derivace složené funkce. Podle vět o derivování složených funkcí platí Podobně zjistíme, že druhé derivace jsou 2 = 2 3 = = + = 2 = + = + 1 2 + 1 Kdž tto derivace dosadíme do dané rovnice, dostaneme = 2 3 + 2 4 2 2 f 2 + 2 f 2 = 3 + 2 2 f 4 2 + 2 = 2 2 2 = 2 3 2 1 2 3 2 1 2 = Ze vztahů u = a v = plne = u v a = u. jestliže dosadíme dostaneme výsledek 2 f 2 + 2 f = v2 u 8 v2 2 F.

Ukažte, že je-li funkce f, řešením rovnice 2 + 2 f 2 = 0, pak funkce F u, v = f,, kde je řešením rovnice u = 2 + 2, v = 2 + 2 2 + 2 F 2 = 0, Řešení: Nejprve nalezneme první parciální derivace složené funkce. Protože = 2 2 2 + 2 2, = jsou první parciální derivace rovn = = + + 2 2 + 2 2, = = 2 2 2 + 2 2 = 2 2 + 2 2 2 2 + 2 2, = 2 2 2 + 2 2, + 2 2 + 2 2 + 2 2 2 + 2 2. Výpočet druhých derivací je, jak to už bývá, trochu pracnější. Ale kdž se to umí, tak se hned napíše 2 2 = 2 2 2 + 2 4 2 = 42 2 2 + 2 4 2 + 4 2 2 2 + 2 4 2 4 2 2 2 + 2 4 + 42 2 2 + 2 4 2 2 2 + 2 + 2 2 3 2 2 + 2 3 2 + 2 4 2 2 2 3 2 2 + 2 3 + 2 2 3 2 2 + 2 3 2 2 3 2 2 + 2 3 A kdž tto výraz sečteme dostaneme rovnost ze které plne dokazované tvrzení. Výraz vjádřete pro funkci F u, v = f,, kde 0 = 2 f 2 + 2 f 2 = 1 2 F 2 + 2 2 2 + 2 F 2, 2 2 f 2 2 2 f 2 u =, v =. Řešení: Protože =, = 1, =, = 2, 9

platí podle vět o derivaci složené funkce pro parciální derivace každé funkce g, = Gu, v vztah g = G + G = G + 1 g = G + G G = G G 2 Ted pro funkci F u, v = f, jsou první parciální derivace rovn = + 1, = 2. Pro druhé parciální derivace pak dostaneme 2 = 2 = + 1 2 Po dosazení do daného výrazu dostaneme = 2 2 F 2 + 2 2 F + 1 2 2 + 2 3 = 2 2 F 2 22 2 + 2 4 2 + 2 3 2 2 f 2 2 2 f 2 = 42 2 F 2. Protože z definičních vztahů plne = uv a = u v je transformovaný výraz 2 2 f 2 2 2 f 2 = 4uv 2 F 2u. Dokažte, že funkce f, = ln 2 + 2 vhovuje rovnici 2 + 2 f 2 = 0. Řešení: Musíme najít druhé parciální derivace funkce f, = ln 2 + 2. Její první derivace jsou = 2 + 2, = 2 + 2. Druhé parciální derivace, které potřebujeme, jsou f 2 = 2 = Jejich sečtením pak ověříme dokazovanou rovnost. = 2 + 2 = 2 2 2 + 2 2 = 2 + 2 = 2 2 2 + 2 2 Dokažte, že funkce f, = 2 a 2 2 10

vhovuje rovnici 2 a2 2 f 2 = 0. Řešení: Musíme najít druhé parciální derivace funkce f, = = 2a 2 2 a 2 2 2, = 2 + a 2 2 2 a 2 2 2. Druhé parciální derivace, které potřebujeme, jsou 2 = 2 = = 2a 2 2 a 2 2 2 = 2a2 2 + 3a 2 2 2 a 2 2 3 = 2 + a 2 2 2 a 2 2 2 = 22 + 3a 2 2 2 a 2 2 3 Jejich dosazením do daného vztahu pak ověříme dokazovanou rovnost. 2 a 2. Její první derivace jsou 2 Ukažte, že funkce vhovuje rovnici f,, z = 1 2 + 2 + z 2 2 + 2 f 2 + 2 f 2 = 0. Řešení: Musíme najít druhé parciální derivace funkce f,, z = derivace jsou 1 2 + 2 + z 2. Její první = 2 + 2 + z 2, 3/2 = Druhé parciální derivace, které potřebujeme, jsou f 2 = f 2 = f 2 = = = = Jejich sečtením pak získáme dokazovanou rovnost. 2 + 2 + z 2, 3/2 = 2 + 2 + z 2 3/2 2 + 2 + z 2 3/2 z 2 + 2 + z 2 3/2 Ukažte, že funkce f,, z = ln 2 + 2 + z 2 vhovuje rovnici 2 + 2 f 2 + 2 f 2 = 1 2 + 2 + z 2. = 22 2 z 2 2 + 2 + z 2 5/2 = 2 + 2 2 z 2 2 + 2 + z 2 5/2 = 2 2 + 2z 2 2 + 2 + z 2 5/2 z 2 + 2 + z 2 3/2. 11

Řešení: Musíme najít druhé parciální derivace funkce f,, z = ln 2 + 2 + z 2. derivace jsou Její první = 2 + 2 + z 2, = 2 + 2 + z 2, = z 2 + 2 + z 2. Druhé parciální derivace, které potřebujeme, jsou f 2 = f 2 = f 2 = Jejich sečtením pak získáme dokazovanou rovnost. = = = 2 + 2 + z 2 = 2 + 2 + z 2 2 + 2 + z 2 2 = 2 + 2 + z 2 2 2 + z 2 2 + 2 + z 2 2 = z 2 + 2 + z 2 2 + 2 z 2 2 + 2 + z 2 2 Nechť f a g mají spojité derivace druhého řádu. Dokažte, že funkce F, = f + g vhovuje rovnici 2 2 F 2 + 2 2 F + 2 2 F 2 = 0. Řešení: Označme u =. Pak pro každou diferencovatelnou funkci hu platí podle vět o derivaci složené funkce hu = 2 h u, hu = 1 h u. Protože daná funkce je F, = fu + gu, jsou její první parciální derivace = 2 f + g g, = 1 f + g. Druhé parciální derivace funkce F, jsou 2 = 2 4 f + 2 3 g + 2 3 f = 3 f 2 g 1 2 f 2 = 1 2 f + 1 g Jestliže dosadíme do daného vztahu, dostaneme 2 2 F 2 + 2 2 F + 2 2 F 2 2 = 2 4 f + 2 3 g + 2 3 f + + 2 3 f 2 g 1 1 2 f + 2 2 f + 1 g = 0. 12

Jsou-li f a g funkce, které mají spojitou derivaci druhého řádu, dokažte, že funkce F, = 1 [fa + + ga ] vhovuje rovnici 2 2 F 2 = a2 2. Řešení: Označme u = a + a v = a. Podle vět o derivaci složené funkce jsou první parciální derivace funkcí fu a gv rovn u = af u, gv = ag v, u = f u, gv = g v. Protože F, = fu + gv, je = a f + g, = f g f + g 2. Abchom dokázali danou rovnost, najdeme příslušné parciální derivace. T jsou 2 = a2 f + g 2 = f g f g = f + g. Spočtěte je-li 2 + 2 F 2 = F, F, = + f kde f je funkce, která má spojité derivace druhého řádu., Řešení: Označme u =. Podle vět o derivaci složené funkce jsou první parciální derivace funkce fu rovn u = 1 f, Ted pro funkci F, = + fu platí u = 2 f. = + f, = + f f. Protože pro druhé parciální derivace dostaneme 2 = f, 2 = 2 3 f, je F = 2 + 2 3 f. 13

Výraz 2 2 f 2 1 2 vjádřete pro funkci F u, v = f,, kde u = 2, v = + 2. Řešení: Podle vět o parciálních derivacích složené funkce je Pro potřebné druhé derivace dostaneme 2 = 2 = = 1 2 2 = + = + = + = 1 + 1. = + = 1 Po dosazení do daného výrazu pak dostaneme 2 2 f 2 1 F 2 = 2 = 2 F + 1 2 + 2 2 F + 2 F 2 + 1 2 + 1 2 3/2 1 2 3/2 1 2 2 + 2 2 F + 2 F 1 1 2 + 1 2 2 = 4 2 F. + 1 2 3/2 1 2 3/2 = + 1 2 + 1 2 3/2 1 2 3/2 Jsou-li f a g funkce, které mají spojité derivace druhého řádu, ukažte, že funkce u, t = f + at + g at vhovuje rovnici 2 u t 2 = a2 2 u 2. Řešení: Označme u = + at a v = at. Máme najít druhé parciální derivace funkce u, t = fu + gv. Podle vět o parciálních derivacích složené funkce platí = f u + g v, 2 u 2 = f u + g v, =af u ag v, t 2 u t 2 =a2 f u + a 2 g v = a 2 2 u 2. Spočtěte první dvě derivace funkce, která je řešením rovnice v okolí bodu 0, 1. e + e = 0 14

Řešení: Funkce = je řešením rovnice F, = e + e = 0 a splňuje podmínku 0 = 1. Protože protože F 0, 1 = 0, může taková funkce eistovat. Abchom našli derivaci, derivujeme rovnici F, = 0 podle. Dostaneme e + + = 0 e + + = 0. To je vztah mezi, a. V bodě = 0, = 1 je tato rovnice e 0 + 1 = 0 0 = e 1. Protože je tato rovnice v uvažovaném bodě jednoznačně řešitelná, to je podmínka 0, 1 0, funkce = eistuje. Abchom našli druhou derivaci, derivujeme rovnic pro první derivaci. Dostaneme rovnici e + + e + 1 + = 0. Kdž dosadíme do této rovnice známe hodnot = 0, = 1, = e 1, dostaneme e 0 e 1 = 0 0 = e 2. Určete dz a d 2 z funkce z, definované rovnicí v bodě 2; 1; 0. + + z 2 = e z Řešení: Předpokládejme, že eistuje řešení rovnice F,, z, = + + z 2, e z, = 0, které splňuje podmínku z2, 1 = 0. Protože F 2, 1, 0 = 0, může takové řešení eistovat. Abchom našli dz a d 2 z v bodě = 2, = 1, určíme všechn první a druhé parciální derivace funkce z = z, v tomto bodě. T najdeme tak, že derivujeme definiční rovnici F,, z, = 0 podle a. Tím dostaneme 1 + 2z e z = 0, 1 + 2z e z = 0. 1 Protože v daném bodě je 2z +e z = 0, funkce z = z, eistuje. Její první parciální derivace najdeme z 1, kde dosadíme = 2, = 1 a z = 0. Takto dostaneme 1 2, 1 = 0, 1 2, 1 = 0 Druhé parciální derivace získáme derivováním vztahu 1. To dává Ted podle definice je 2, 1 = 2, 1 = 1. 2 e z + 2z e z 2 z 2 = 0 = 1 2 z 2, 1 = 0 2 z 2, 1 = 1 2 2 2 e z + 2z e z 2 z = 0 = 1 2 z 2, 1 = 0 2 z 2, 1 = 1 2 e z + 2z e z 2 z 2 = 0 = 1 2 z 2 2, 1 = 0 2 z 2, 1 = 1. 2 dz2, 1 = 2, 1 d + 2, 1 d = d + d d 2 z2, 1 = 2 z 2 2, 1 d2 + 2 2 z 2, 1 dd + 2 z 2 2, 1 d2 = d 2 + 2dd + d 2. 15

Nechť f : R R má spojitou derivaci. Dokažte, že funkce z,, která je řešením rovnice a + b + cz = f 2 + 2 + z 2 vhovuje rovnici c bz + az c = b a. Řešení: Předpokládejme, že funkce z = z, je řešení rovnice F,, z, = a + b + cz f 2 + 2 + z 2, = 0. Označme u = 2 + 2 + z 2 a derivujme definiční rovnici postupně podle proměnných a. Pomocí vět o derivaci složené funkce dostaneme vztah a + c f u 2 + 2z = 0, b + c f u 2 + 2z = 0, ze kterých plne = a 2f u 2zf u c, = b 2f u 2zf u c. Dosadíme-li tto derivace do daného vztahu, dostaneme po kratších úpravách dokazovanou rovnost. Určete a pro funkci, která je definována implicitně rovnicí v okolí bodu 1; 0. ln 2 + 2 arctg = 0 Řešení: Předpokládejme, že eistuje hladká funkce =, která je řešením rovnice F, = ln 2 + 2 arctg = 0 a platí pro ní 1 = 0. Protože F 1, 0 = 0, může taková funkce eistovat. Abchom našli její derivace, derivujeme definiční vztah. Tak dostaneme + + 2 + 2 2 + 2 = 0 + = 0. 1 Protože 1, 0 = 1 0, funkce = eistuje v okolí bodu = 1, = 0 a její derivaci najdeme z rovnice 1 v tomto bodě. Takto dostaneme 1 1 = 0 1 = 1. Druhou derivaci nalezneme derivováním rovnice 1. To dává vztah ze kterého v bodě = 1, = 0, = 1 plne 1 + 1 = 0, 1 = 2. Určete a pro funkci, která je definována implicitně rovnicí 3 + 3 3 = 0. 16

Řešení: Máme najít první dvě derivace diferencovatelné funkce, která je zadána jako řešení rovnice F, = 3 + 3 3 = 0. Kdž derivujeme definiční vztah, dostaneme pro první derivaci rovnici 3 2 + 3 2 3 3 = 0 2 2 = 0. 1 Mimo množinu, kde je 3 + 3 3 = 0 a 2 = 0, tj. mimo bod = = 0 a = 3 4, = 3 2, plne z této rovnice = 2 2. 2 Druhou derivaci nalezneme pomocí derivace rovnice 1. Po derivovaní dostaneme 2 1 2 2 = 0 = 2 + 2 2, kde je funkce dána rovnicí 2. Určete dz a d 2 z funkce z,, která je řešením rovnice v bodě 0; 1; 1. z ln z = 0 Řešení: Abchom našli první a druhý diferenciál funkce z = z, v daném bodě, najdeme její všechn první a druhé parciální derivace v tomto bodě. Funkce z = z, je dána v okolí bodu = 0, = z = 1 implicitně rovnicí F,, z, = z, ln = 0. Protože F 0, 1, 1 = 0, z, může taková funkce eistovat. Derivací definičního vztahu podle a dostaneme 1 z z 2 1 z = 0, z 2 1 z + 1 = 0. Pro zjednodušení dalších výpočtů vnásobím první rovnici z 2 0 a druhou z 2 0. Po úpravě dostanu z + z = 0, z2 + z = 0. 1 Hodnot prvních parciálních derivací najdeme jako řešení rovnic 1 v bodě = 0, = z = 1. Takto dostaneme 0, 1 = 1, 0, 1 = 1 = dz0, 1 = 0, 1 d + 0, 1 d = d + d. Druhé parciální derivace najdu derivováním rovnic 1. Tím dostanu vztah A ted druhý diferenciál je 1 + + z 2 z 2 = 0 = 2 z 0, 1 = 1 2 + z 2 z = 0 = 2 z 0, 1 = 0 2z + z + z 2 z 2 = 0 = 2 z 0, 1 = 0. 2 d 2 z0, 1 = 2 z 2 0, 1 d2 + 2 2 z 0, 1 dd + 2 z 2 0, 1 d2 = d 2. 17

2 z Určete derivaci 0; 0 funkce z,, která je řešením rovnice 2 + 2 + z 2 2z 4 = 0 v okolí bodu 0; 0; 2. Řešení: Funkce z = z, je dána jako spojité řešeni rovnice F,, z, = 2 + 2 +z 2 4 = 0. Nejjednodušší je vřešit kvadratickou rovnici a napsat z, = ± 4 2 2 2 2. Protože nás zajímá funkce, pro kterou platí z0, 0 = 2, musíme volit znaménko plus. Ted z, = + 4 2 2 2 2, = 1 + 2 4 2 2 2, 2 2 z = 1 2 4 2 2 2 1 + 2 1 + 2 2 4 2 2 2 2 = 2 z 0, 0 = 1. 3/2 Jiná možnost je najít derivaci pomocí vět o implicitních funkcích. Postupně dostaneme z + z = 0, z + z = 0 = 0, 0 = 0, 0 = 1. A derivací prvního vztahu podle dostaneme a po dosazení = = 0, z0, 0 = 2, Zjistěte, zda soustava rovnic z + + z 2 z = 0 0, 0 = 0, 0 = 1, dostaneme opět e u+v + 2uv = 1, e u v u 1 + v = 2 má v okolí bodu 1; 2; 0; 0 řešení ve tvaru u,, v, a určete du1, 2, dv1, 2. Řešení: Funkce u = u, a v = v, jsou dán jako spojitá řešení soustav rovnic F,, u,, v, = e u,+v, + 2u, v, 1 = 0, G,, u,, v, = e u, v, u, 2 = 0, 1 + v, 2 z 0, 0 = 1. které splňují podmínk u1, 2 = v1, 2 = 0. Protože F 1, 2, 0, 0 = G1, 2, 0, 0 = 0, mohli b funkce u, a v, eistovat. Abchom našli diferenciál du1, 2 a dv1, 2 stačí najít všechn parciální rovnice prvního řádu. T bchom mohli najít tak, že bchom derivovali oba definiční vztah podle a. Ale také lze diferenciál najít přímo. Vezmeme úplné diferenciál obou definičních vztahů a získáme soustavu e u+v d + e u+v du + dv + 2vdu + 2udv = 0, e u v d + e u v du dv du 1 + v + udv 1 + v 2 2d = 0. 18

Kdž do této soustav dosadíme = 1, = 2 a u = v = 0, dostaneme soustavu d + du + dv = 0, d + 2du dv du 2d = 0 pro neznámé du a dv. Její řešení, a ted i hledané diferenciál jsou du1, 2 = 1 3 d, dv1, 2 = d + 1 3 d. Dokažte,že funkce z,, která je implicitně definována rovnicí 2 sin + 2 3z 2 + 3z = 0 vhovuje vztahu + = 1. Řešení: Uvažujme funkci u = + 2 3z. Pak má daná rovnice tvar 2 sin u u = 0, která má tři řešení třeba si nakreslete její graf u k, k = 1, 2, 3.. Jedná se ted o jednu z funkcí + 2 3z = u k z = 1 3 + 2 3 1 3 u k. V každém případě je Ted ve všech případech platí rovnost = 1 3, = 2 3. + = 1 3 + 2 3 = 1. Dokažte, že funkce z,, která je určena implicitně rovnicí + z 2 + + z 2 = 0, vhovuje rovnici + = z. Řešení: Daná rovnice má tvar a 2 + b 2 = 0. Ale jediné řešení této rovnice je a = b = 0. Ted musí platit + z = 0, + z = 0 = z =. A protože =, =, je + = 2 = z. 19