background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 17  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Pochodne cząstkowe wyższych rzędów 

Niech funkcja 

R

D

R

f

n

:

 (D– otwarty) posiada pochodną cząstkową 

i

x

f

 w każdym punkcie 

D

x

. Jest więc określona funkcja  

i

x

f

R

D

 

)

(x

x

i

x

f

 

Jeżeli  powyższa  funkcja  ma  pochodną  cząstkową  po  j-tej  zmiennej 

)

(x

i

j

x

f

x

  w  punkcie 

x,  to 

nazywamy  ją  drugą  pochodną  cząstkową  funkcji  f  po  zmiennych 

j

i

x

,

  i  oznaczamy 

)

(

)

(

2

x

x

i

j

x

x

i

j

f

x

x

f

′′

=

Uwaga: Jeżeli 

j

i

=

 to będziemy stosować 

)

(

2

2

x

i

x

f

  (pochodna czysta) 

Jeżeli 

j

i

 to 

)

(

)

(

2

2

x

x

j

i

i

j

x

x

f

x

x

f

  (pochodna mieszana) 

Tw.(Schwarza)

(Malec    s.92)

  Jeżeli  pochodne 

)

(

2

x

i

j

x

x

f

  i 

)

(

2

x

j

i

x

x

f

  są  ciągłe  w  punkcie

x

,  to  są 

równe. 

 

Podobnie  definiujemy  pochodne  cząstkowe  wyższych  rzędów.  Pochodne  mieszane,  które  różnią  się 

jedynie kolejnością różniczkowania, jeżeli są ciągłe to są sobie równe. 

Przykład  

Funkcja  

=

+

=

)

0

,

0

(

)

,

(

,

0

)

0

,

0

(

)

,

(

,

)

,

(

2

2

2

2

y

x

y

x

y

x

y

x

xy

y

x

f

jest ciągła w punkcie (0,0)  i jej pochodne 

cząstkowe są równe 

y

y

x

f

=

)

,

0

(

;  

x

x

y

f

=

)

0

,

(

. Stąd 

1

)

0

,

0

(

2

=

x

y

f

 a  

1

)

0

,

0

(

2

=

y

x

f

, gdyż 

i

j

x

x

f

2

j

i

x

x

f

2

 nie są ciągłe w punkcie 

 

 
żniczki wyższych rzędów 

 

Oznaczenia  

)

,...,

(

0

0

1

0

n

x

x

=

x

  

 

x=(

x

1

,...,

 

x

n

)   

)

,

(

:

0

δ

x

Ot

f

 

R 

Różniczką funkcji f w punkcie 

x dla przyrostu 

x nazywamy wyrażenie 

df(

x

0

,

 

x)=

i

n

i

x

f

x

i

=

)

(

0

1

x

 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 17  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Jeżeli  przy  ustalonym 

x  funkcja  d

  ,

x)  : 

)

,

(

0

δ

x

Ot

R  ma  różniczkę  ,  to  nazywamy  ją 

drugą 

żniczką funkcji f  w punkcie x

 i oznaczamy d

2

(

x

0

,

 

x).  

 

Przykład. Wyprowadzić wzór na drugą różniczkę funkcji dwóch zmiennych.  

2

2

1

2

1

2

1

1

2

1

2

1

)

,

(

)

,

(

))

,

(

),

,

((

x

x

x

x

f

x

x

x

x

f

x

x

x

x

d

+

=

 

=

+

+

+

=

=

2

2

2

1

2

1

2

1

1

2

1

2

2

1

2

1

2

1

1

1

2

1

2

1

2

]

)

,

(

)

,

(

[

]

)

,

(

)

,

(

[

))

,

(

),

,

((

x

x

x

x

x

f

x

x

x

x

f

x

x

x

x

x

x

f

x

x

x

x

f

x

x

x

x

x

d

 

2

2

2

1

2

2

2

2

1

2

1

1

2

2

2

1

2

1

2

1

2

)

,

(

)

,

(

2

)

,

(

x

x

x

x

f

x

x

x

x

x

x

f

x

x

x

x

f

+

+

=

f

x

x

x

x

2

1

2

1

1





+

=

 

Druga różniczka funkcji wielu zmiennych w danym punkcie jest formą kwadratową  przyrostów  

j

i

n

j

i

i

j

n

n

x

x

x

x

f

x

x

x

x

f

d

=

=

)

(

)

,...,

(

),

,...,

((

1

,

2

1

1

2

x

 

Uwagi o zapisie macierzowym drugiej różniczki. 

[

]

=

n

n

n

n

n

n

n

x

x

x

f

x

x

f

x

x

f

x

f

x

x

x

x

x

x

d

M

L

M

L

M

L

L

1

2

2

1

2

1

2

2

1

2

1

1

1

2

)

(

)

(

)

(

)

(

))

,.

,

,

,

(

),

,...,

((

x

x

x

x

 

Wzór na m-tą różniczkę funkcji n zmiennych  

 

f

x

x

f

d

m

n

x

x

m

n

)

,...,

(

1

1

+

+

=

  

Zadanie.  Napisać  wzór  na  drugą  różniczkę  funkcji  trzech  zmiennych  i  trzecią  różniczkę  funkcji 

dwóch zmiennych 

 
Wzór Taylora  

Jeżeli funkcja  f : R

 Ot(

x

0

,

δ

)

x

 f(

x)

 R ma ciągłe pochodne cząstkowe do rzędu m w 

)

,

(

0

δ

x

Ot

,  

to istnieje 

θ

(0,1) takie , że dla każdego  x 

Ot(x

0

,

δ

) prawdziwy jest wzór 

m

m

m

r

f

d

f

d

df

f

f

+

+

+

+

+

=

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

(

)

(

0

0

1

)!

1

(

1

0

0

2

!

2

1

0

0

!

1

1

0

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

L

 

  

gdzie  

)

),

(

(

0

0

0

!

1

x

x

x

x

x

+

=

θ

f

d

r

m

m

m

 

Uwaga:  punkt „pośredni”

)

(

0

0

x

x

x

c

+

=

θ

 leży wewnątrz odcinka o końcach x

0

Dow. Parametryzujemy odcinek 

)

(

)

(

0

0

x

x

x

x

+

=

t

t

 ;

]

1

,

0

[

t

 i tworzymy funkcję jednej zmiennej 

))

(

(

)

(

0

0

x

x

x

+

=

t

f

t

ϕ

. Mamy więc rzeczywistą funkcję 

ϕ

 określoną na domkniętym odcinku 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 17  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

]

1

,

0

[

 spełniającą założenia twierdzenia Taylora dla funkcji jednej zmiennej. Stosując do niej wzór 

Maclaurina otrzymujemy 

m

m

m

m

m

m

1

)

(

!

1

1

)!

1

(

)

0

(

...

)

0

1

(

!

1

)

0

(

)

0

(

)

1

(

1

1

θ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

+

+

+

+

=

 

 

 

)

1

,

(

!

1

)

1

,

0

(

)!

1

(

1

...

)

1

,

0

(

!

1

1

)

0

(

)

1

(

1

θ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

m

m

d

m

d

m

d

+

+

+

+

=

 

Ale   

(

)

)

(

)

(

),

(

)

,

(

0

0

0

0

t

t

t

t

f

d

t

t

d

k

k

x

x

x

+

=

ϕ

. Stąd 

)

,

(

)

1

,

0

(

0

0

x

x

x

=

f

d

d

k

k

ϕ

itd. 

 

Szczególny przypadek 

2

=

m

 

+

+

=

0

0

1

1

0

0

1

0

0

1

1

)

(

),...,

(

!

1

1

)

,...,

(

)

,...,

(

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

f

x

f

x

x

f

x

x

f

M

x

x

 

[

]

+

0

0

1

1

2

2

1

2

1

2

2

1

2

0

0

1

1

)

~

(

)

~

(

)

~

(

)

~

(

,...,

!

2

1

n

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

f

x

x

x

f

x

x

x

f

x

x

f

x

x

x

x

M

O

 

 

Przykład. Napisać wzór Taylora dla funkcji f(x,y)=e

x

siny w punkcie (0,0) (wzór Maclaurina) dla m=4. 

Odp.  

4

3

6

1

2

2

1

sin

r

y

y

x

xy

y

y

e

x

+

+

+

=

 

 
Zastosowanie ró
żniczki w teorii błędów 

 

Dana jest funkcja  f  wielu zmiennych. Wektorowy argument funkcji nie jest znany lecz dysponujemy 

jego pomiarem x obarczonym błędem Niech x+

 

oznacza prawdziwą nieznaną wartość argumentu a 

błąd bezwzględny pomiaru (wektorowego) nie przekracza b (

 

x 

 b  nierówność wektorowa). 

Wówczas  

i

n

i

i

b

x

f

df

f

f

|

)

(

|

|

)

,

(

|

|

)

(

)

(

|

1

=

=

+

x

x

x

x

x

x

 . 

Wytłumaczenie przybliżonego charakteru wzoru , kiedy to przybliżenie jest „dobre” i jak postąpić gdy przybliżenia nie jest zadowalające

Przykład.  Oszacować  metodą  różniczki  zupełnej  błąd  jaki  popełniamy  obliczając  objętość 

prostopadłościanu o krawędziach 4.1,  3.2,  8.4 zmierzonych odpowiednio z dokładnością  0.1,  0.1,  

0.2.  Odp.  (błąd  bezwzględny

  8.756,      błąd  względny  8%  (wytłumaczyć  jak  rozumiemy  błąd 

względny) 

 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 17  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Funkcje uwikłane

 

 

Przykład 1.Rozważmy równanie 

0

)

,

(

=

y

x

f

 np.

0

1

2

2

=

+

y

x

 i niech 

)

,

b

a

 spełnia 

0

)

,

(

=

y

x

f

czyli 

0

)

,

(

=

b

a

f

 

Pytanie: Czy dla dowolnego 

]

1

,

1

[

x

 istnieje taki 

)

(x

y

, że 

0

))

(

,

(

=

x

y

x

f

 i 

b

a

y

=

)

(

Niech  (a,b)=(0,1). Wówczas funkcja 

2

1

)

(

x

x

y

=

 ; -1

x

1 spełnia powyższe warunki. Ale spełnia 

je  także  funkcja

)

(

]

1

,

1

[

]

1

,

1

[

1

1

)

(

2

2

Q

R

x

Q

x

x

x

x

y



=

.  Dokładając  warunek  ciągłości  funkcji  y(x

eliminujemy ten przypadek. 

Jeżeli (a,b)=(1,0), to nie istnieje funkcja  y(x) będąca rozwiązaniem problemu, ale istnieje funkcja x(y

spełniająca warunki zadania.  

Powód. 

W  punkcie   (1,0) nie istnieje  styczna  Ax+By+C=0  dająca  się rozwikłać  ze  względu  na y  ale 

daje się rozwikłać ze względu na x. 

 

Przykład 2

Wersja liniowa twierdzenia o funkcji uwikłanej

 

n

n

R

x

x

=

T

1

)

,...,

(

x

  

m

m

R

y

y

=

T

1

)

,...,

(

y

 

Rozważmy układ m równań z 

m

n

+

 niewiadomymi w postaci blokowej  

[ ]

[ ]

0

y

x

B

A

=

,

, gdzie jest macierzą o wymiarach (m,n) a B macierzą o wymiarach (m,m

Załóżmy, że B jest macierzą odwracalną (

0

det

B

). Wówczas  

Ax

B

x

y

B

0

By

Ax

1

1

)

(

=

=

+

 

Idea.  Jeżeli  rozważymy  równanie 

0

y

x

=

)

,

(

f

  z  funkcją 

1

)

,

b

a

Ot

C

f

)

)

,

(

(

0

b

a

=

f

  ,  to  funkcja  ta 

zachowuje  się  w  tym  otoczeniu  podobnie  do  pochodnej 

)

,

(

'

b

a

f

,  która  jest  odwzorowaniem 

liniowym. Badanie tego odwzorowania (pochodnej) dostarczy informacji o nieliniowej funkcji 

uwikłanej 

)

(x

g

y

=

  określonej  równaniem   

f(x,y)=0  o  wykresie  leżącym  w  otoczeniu  punktu 

(a,b). 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 17  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Twierdzenie o funkcji uwikłanej – wersja I 

( Prosty  dowód Leja F. Rachunek różniczkowy i całkowy)

 . 

Jeżeli  

 

funkcja 

f(x,y) ma ciągle pochodne cząstkowe 

x

f

y

f

w otoczeniu punktu (

x

0

,

y

0

)   

 

f(x

0

,

y

0

)=0   i  

0

)

,

(

0

0

y

x

y

f

 

to  

1.

 

dla każdej dostatecznie małej liczby 

ε

 >0 istnieje taka liczba 

δ

 >0 , że każdej wartości 

przedziału (

x

0

-

δ

x

0

+

δ

 ) odpowiada dokładnie jedno rozwiązanie 

y(x) równania f(x,y)=0 należące 

do przedziału  (

y

0

-

ε

y

0

+

ε

)  

2.

 

funkcja 

y(x) jest ciągła w przedziale (x

0

-

δ

x

0

+

δ

 ) i ma w nim ciągłą pochodną wyrażoną wzorem  

)

,

(

)

,

(

)

(

'

y

x

y

x

x

y

y

f

x

f

=

, gdzie y=y(x

 

Tw

.(o  funkcji  uwikłanej)-wersja  II.    Jeżeli 

m

m

n

R

E

R

f

+

:

  jest  klasy 

1
E

C

  (E  –  otwarty), 

E

b

a

)

,

(

  i 

0

b

a

=

)

,

(

f

  oraz 

]

,

[

)

,

(

'

y

x

f

A

A

b

a

=

,  gdzie 

y

A

-  odwracalna,  to  istnieją  zbiory 

otwarte 

m

n

R

U

+

  i 

n

R

W

  takie,  że 

U

y

x

y

W

x

)

,

(

!

  i 

0

y

x

=

)

,

(

f

,  czyli  równanie 

0

y

x

=

)

,

(

f

  określa  dokładnie  jedną  funkcję 

m

n

R

W

R

g

:

  taką,  że 

b

a

=

)

(

g

  i 

0

))

(

,

(

=

x

x

x

g

f

W

.  

Ponadto g jest klasy 

1

W

C

 i 

x

y

A

A

g

1

)

(

=

a

Np

3

=

n

  

2

=

m

 



+

=

+

+

=

3

1

1

1

2

2

1

3

2

1

2

2

1

2

2

1

3

2

1

1

2

6

cos

)

,

,

,

,

(

3

4

2

)

,

,

,

,

(

:

1

x

x

y

y

y

y

y

x

x

x

f

x

x

y

e

y

y

x

x

x

f

f

y

  

)

7

,

2

,

3

(

=

a

  

)

1

,

0

(

=

b

  

0

)

,

(

=

b

a

f

!  Czy ten układ równań ( równanie wektorowe) 



=

+

=

=

+

+

=

0

2

6

cos

)

,

,

,

,

(

0

3

4

2

)

,

,

,

,

(

3

1

1

1

2

2

1

3

2

1

2

2

1

2

2

1

3

2

1

1

1

x

x

y

y

y

y

y

x

x

x

f

x

x

y

e

y

y

x

x

x

f

y

 

określa w otoczeniu punktu 

a funkcje uwikłaną? 

Pochodna 

=

=

1

6

3

2

1

0

2

0

4

1

]

,

[

)

,

(

'

y

x

f

A

A

b

a

    i  

0

20

det

=

y

A

 

Wniosek.  W  pewnym  otoczeniu  punktu  (a,b)  równanie

0

y

x

=

)

,

(

f

  określa  w  otoczeniu  punktu 

a  

funkcję uwikłaną 

2

3

:

R

W

R

g

 taką, że 

b

a

=

)

(

g

 i  

=

=

6

1

5

6

2

1

20

3

5

1

4

1

2

6

3

1

20

1

)

7

,

2

,

3

(

x

g

A

 

 

 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 17  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

 

 

Ekstrema lokalne funkcji rzeczywistych 

Def. Funkcja 

R

E

X

f

:

 (

E

°

x

- otwarty, 

X

przestrzeń metryczna) ma w punkcie 

°

 

minimum lokalne 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

°

°

°

x

x

x

x

x

f

f

Ot

E

Ot

, a minimum lokalne właściwe 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

°

>

°

°

°

x

x

x

x

x

x

x

f

f

Ot

E

Ot

Def. Funkcja 

R

E

X

f

:

 (

E

°

x

- otwarty, 

X

przestrzeń metryczna) ma w punkcie 

°

 

maksimum lokalne 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

°

°

°

x

x

x

x

x

f

f

Ot

E

Ot

, a minimum lokalne właściwe 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

°

<

°

°

°

x

x

x

x

x

x

x

f

f

Ot

E

Ot

Tw. (warunek konieczny istnienia ekstremum ) 

 

Jeżeli funkcja 

R

E

X

f

:

 ma w punkcie 

E

°

x

 ekstremum lokalne i istnieje w 

°

 

pochodna cząstkowa 

)

(

°

x

i

x

f

 (

n

i

,...,

1

=

) , to 

0

)

(

=

°

x

i

x

f

 dla 

n

i

,...,

1

=

Dowód. dla minimum 

<

<

>

>

=

°

+

°

0

0

0

0

)

(

)

(

t

t

t

f

t

f

i

dla

dla

x

e

x

 i 

)

(

°

x

i

x

f

istnieje. Stąd

)

(

°

x

i

x

f

=0. 

 

Tw. (warunek wystarczający istnienia ekstremum

Jeżeli  f : R

 E

x

 f(x)

 R 

 

jest klasy 

2

E

 (tzn. ma drugie pochodne cząstkowe ciągłe w E

 

0

)

(

0

=

x

i

x

f

i=1,...,n 

 

d

2

f(x

0

, 

x) > 0 (<0) ,  

x

0 

to f ma w punkcie x

0

 minimum (maksimum) lokalne właściwe 

Dowód. Z wzoru Taylora dokładnie jak dla funkcji jednej zmiennej mamy  

)

),

(

(

)

(

)

(

0

0

0

2

!

2

1

0

x

x

x

x

x

x

x

+

=

θ

f

d

f

f

>0 

x

0,  gdy  d

2

f(x

0

, 

x)  >  0,  gdyż  z  ciągłości 

pochodnych rzędu drugiego, dla ustalonych przyrostów  druga różniczka jest funkcją ciągłą w x

0

 więc 

z twierdzenia o lokalnym zachowaniu znaku 

)

,

(

0

0

2

x

x

x

f

d

 i 

)

),

(

(

0

0

0

2

x

x

x

x

x

+

θ

f

d

mają ten 

sam znak dla 

x

0 

 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 17  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Uzupełnienia z algebry 

 

Niech V będzie przestrzenią liniową nad ciałem R liczb rzeczywistych. Formą dwuliniową nad V 

nazywamy funkcję 

R

V

V

Q

×

:

 spełniającą warunki: 

)

,

(

)

,

(

)

,

(

2

1

2

1

w

v

w

v

w

v

v

Q

Q

Q

+

=

+

  

 

)

,

(

)

,

(

w

v

w

v

Q

Q

λ

λ

=

 

)

,

(

)

,

(

)

,

(

2

1

2

1

w

v

w

v

w

w

v

Q

Q

Q

+

=

+

  

 

)

,

(

)

,

(

w

v

w

v

Q

Q

λ

λ

=

 

dla dowolnych wektorów 

1

v

,

2

v

,

1

w

,

2

w

 i dowolnej liczby rzeczywistej 

λ

 

Niech 

}

,...,

{

1

n

B

e

e

=

 będzie bazą przestrzeni V.  Niech 

=

n

x

x

M

1

x

=

n

y

y

M

1

y

 oznaczają współrzędne 

wektorów 

v

 i 

w

 w  bazie B  tzn.

i

n

i

i

e

v

=

=

1

 i 

j

n

j

i

y

e

w

=

=

1

.  

Wówczas  

=

=

=

=

n

j

i

j

i

ij

n

j

i

j

i

j

i

y

x

a

y

x

Q

Q

1

,

1

,

)

,

(

)

,

(

e

e

w

v

, czyli wartość formy dwuliniowej dla dowolnej 

pary wektorów jest jednoznacznie wyznaczona przez jej wartości na parach wektorów bazowych 

)

,

(

j

i

ij

Q

a

e

e

=

i,j=1,…,n , które tworzą  symetryczną (

ji

ij

a

a

=

)  macierz kwadratową 

[ ]

=

=

nn

n

n

ij

a

a

a

a

a

A

L

M

O

M

L

1

1

11

Przy ustalonej bazie B przestrzeni V możemy traktować formę dwuliniową jako funkcję 

R

R

R

Q

n

n

×

:

 określoną w przestrzeni współrzędnych wzorem  

=

=

n

j

i

j

i

ij

y

x

a

Q

1

,

)

,

y

x

który można także zapisać jako  

Ay

x

y

x

T

=

)

,

(

Q

 lub 

y

Ax

y

x

,

)

,

(

=

Q

 

gdzie 

,

oznacza klasyczny iloczyn skalarny w  R

n

Przyjmując w szczególności 

y

x

=

otrzymujemy z formy dwuliniowej  tzw. formę kwadratową 

n zmiennych rzeczywistych 

n

x

,...,

1

,czyli funkcję  

j

n

j

i

i

ij

n

n

x

x

a

x

x

Q

R

=

=

=

=

1

,

1

)

,...,

(

)

,

(

)

(

:

ϕ

ϕ

ϕ

x

x

x

x

  przy czym  a

ij

= a

ji 

Oczywiście forma kwadratowa ma przy ustalonej bazie przestrzeni V ma dokładnie jedną 

reprezentację macierzową  

x

Ax

Ax

x

x

,

)

(

=

=

T

ϕ

, gdzie A jest macierzą symetryczną. 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 17  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Przykład . Forma kwadratowa 3 zmiennych 

.

]

,

,

[

2

2

2

)

,

,

(

3

2

1

33

32

31

23

22

21

13

12

11

3

2

1

3

2

23

3

1

13

2

1

12

2

3

33

2

2

22

2

1

11

3

1

,

3

2

1

=

=

+

+

+

+

+

=

=

=

x

x

x

a

a

a

a

a

a

a

a

a

x

x

x

x

x

a

x

x

a

x

x

a

x

a

x

a

x

a

x

x

a

x

x

x

j

j

i

i

ij

ϕ

 

 

Problem. Jak zmienia się macierz formy gdy zmienimy bazę przestrzeni V

Oczywiście przechodząc od starej bazy 

}

,...,

{

1

n

B

e

e

=

 do nowej 

}

,...,

{

'

'

1

'

n

B

e

e

=

 określamy macierz 

przejścia 

[ ]

ij

p

=

P

 formułą 

i

n

i

ij

j

e

e

=

=

1

'

j=1,…,n. Związek miedzy współrzędnymi wektora v  w 

starej i nowej bazie jest zadany równością 

'

Px

x

=

. Wstawiając powyższe do równości

 

'

'

'

'

'

)

,

(

)

,

(

)

,

(

x

A

x

x

x

v

v

x

x

Ax

x

T

T

=

=

=

=

Q

Q

Q

 otrzymujemy  

'

'

'

'

'

'

'

)

(

)

(

)

(

x

A

x

x

AP

P

x

Px

A

Px

T

T

T

T

=

=

 a stąd  

AP

P

A

T

=

'

Formę kwadratową 

ϕ

 nazywamy 

 

nieujemną   

 

gdy  

x

R

n

   

ϕ

(x) 

 

 

niedodatnią   

 

gdy  

x

R

n

   

ϕ

(x) 

 

 

dodatnią 

 

gdy  

x

R

n

 ,x

0   :  

ϕ

(x) > 

 

ujemna  

 

gdy  

x

R

n

 ,x

0   :  

ϕ

(x) < 

 

dodatnio określoną 

gdy  

c>0 

x

R

n

    :  

2

)

(

x

x

c

ϕ

 

 

ujemnie określoną 

gdy  

c>0 

x

R

n

    :  

2

)

(

x

x

c

ϕ

 

 

nieokreśloną 

 

gdy  

 x

R

n

 

ϕ

(x) > 0  i  

 y

R

n

 

ϕ

(y) < 0 

Uwaga. W przypadku definiowania form kwadratowych na nieskończenie wymiarowej przestrzeni 

liniowej unormowanej należy odróżniać pojęcia. 

dodatniość formy   

 i    

dodatnia określoność formy 

ujemność formy   

 i    

ujemna określoność formy 

W przypadku  przestrzeni  skończenie wymiarowych  pojęcia te pokrywają się. Jest to konsekwencją 

zwartości sfery jednostkowej w przestrzeni skończenie wymiarowej. 

  

 

 

 

 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 17  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Badanie określoności formy kwadratowej jest szczególnie proste, gdy macierz tej formy jest macierzą 

diagonalną. Mówimy wtedy, że forma kwadratowa jest w postaci kanonicznej.  Istnieje wiele metod 

sprowadzania formy kwadratowej do postaci kanonicznej. Poniżej omówimy metodę Jakobiego, 

wykorzystującą tzw. przekształcenie trójkątne

Niech 

[ ]

=

=

nn

n

n

ij

a

a

a

a

a

A

L

M

O

M

L

1

1

11

 będzie macierzą formy kwadratowej w pewnej bazie B

Def. Minorami wiodącymi (odpowiednich stopni) macierzy 

nn

n

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

L

M

M

M

L

L

2

1

2

22

21

1

12

11

 nazywamy  

następujące wyznaczniki 

11

1

a

D

=

,  

22

21

12

11

2

a

a

a

a

D

=

,...,

nn

n

n

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

D

L

M

M

M

L

L

2

1

2

22

21

1

12

11

=

Załóżmy, że wszystkie minory wiodące są różne od 0. 

Szukać będziemy nowej bazy 

}

,...,

{

'

'

1

'

n

B

e

e

=

 postaci 

n

nn

n

n

p

p

p

p

p

e

e

e

e

e

e

e

e

+

+

=

+

=

=

L

M

1

1

'

2

22

1

12

'
2

1

11

'

1

,co odpowiada trójkątnej macierzy przejścia 

nn

n

n

p

p

p

p

p

p

L

M

O

M

M

L

L

0

0

0

2

22

1

12

11

W nowej bazie forma kwadratowa ma postać 

'

1

,

'

'

'

)

,

(

j

n

j

i

i

j

i

x

x

Q

=

e

e

. Szukać będziemy takiej bazy, aby 

0

)

,

(

'

'

=

j

i

Q

e

e

 dla 

j

i

Łatwo zauważyć, że gdy 

0

)

,

(

'

=

j

i

Q

e

e

dla j=1,…,i-1,  to 

0

)

,

(

'

'

=

j

i

Q

e

e

 dla j=1,…,i-1.  

Rzeczywiście 

0

)

,

(

)

,

(

)

,

(

1

'

1

'

'

'

=

=

=

=

=

j

k

k

i

kj

j

k

k

kj

i

j

i

Q

p

p

Q

Q

e

e

e

e

e

e

Warunki 

0

)

,

(

'

=

j

i

Q

e

e

dla i=1,…,n;  j=1,…,i-1 wyznaczają wektory  

'
i

e

 z dokładnością do stałej.  

Przyjmijmy więc, że 

1

)

,

(

'

=

i

i

Q

e

e

. Wówczas

ii

i

ii

i

i

i

p

p

Q

Q

=

=

)

,

(

)

,

(

'

'

'

e

e

e

e

. Aby wyznaczyć postać 

kanoniczną  formy wystarczy wyliczyć przekątną 

ii

p

;  i=1,…,n macierzy przejścia.  

1

)

,

(

1

'

1

=

e

e

Q

 ⇒ 

1

)

,

(

1

1

11

=

e

e

p

Q

 

1

11

11

=

a

p

 ⇒ 

1

11

1

1

11

D

a

p

=

=

 

=

=

1

)

,

(

0

)

,

(

2

'
2

1

'
2

e

e

e

e

Q

Q

   ⇒

=

1

0

22

12

22

21

12

11

p

p

a

a

a

a

 

2

1

22

D

D

p

=

 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 17  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

10 

=

=

0

)

,

(

0

)

,

(

'

1

'

n

n

k

Q

Q

e

e

e

e

M

 

=

1

0

1

1

1

11

M

M

L

M

O

M

L

kk

k

kk

k

k

p

p

a

a

a

a

k

k

D

D

kk

p

1

=

 , k=1,…,n , przy czym

1

:

0

=

D

W nowej bazie 

}

,...,

{

'

'

1

'

n

B

e

e

=

 forma kwadratowa ma postać 

2

'

1

1

i

n

i

D

D

x

i

i

Jako wniosek dostajemy. 

 

Twierdzenie. (kryterium Sylvestera).  

Forma kwadratowa 

Ax

x

x

T

=

)

(

ϕ

 jest dodatnia (dodatnio określona) 

 D

i

>0  i=1,…,n

Forma kwadratowa 

Ax

x

x

T

=

)

(

ϕ

 jest ujemna    (ujemnie określona) 

 (-1)

i

D

i

>0  i=1,…,n

Jeżeli wszystkie minory wiodące D

i

  są różne od 0 i zmieniają się inaczej niż w powyższych 

przypadkach , to forma jest nieokreślona.

 

  

Przykład. W bazie kanonicznej w R

3

 dana jest forma kwadratowa 

.

1

0

2

0

1

2

2

]

,

,

[

4

3

2

)

,

,

(

3

2

1

2

3

2

3

3

2

1

3

1

2

1

2

3

2

2

2

1

3

2

1

=

+

+

+

+

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

ϕ

 

Minory wiodące są równe 

2

1

=

D

4

1

2

3

2

3

2

1

2

=

=

D

.

1

0

2

0

1

2

2

4

17

2

3

2

3

3

=

=

D

  

Macierz przejścia do nowej bazy jest postaci 

=

33

23

22

13

12

11

0

0

0

p

p

p

p

p

p

P

. Kolejne jej kolumny są 

rozwiązaniami układów równań 

[ ][ ]

1

2

11

=

p

 

=

1

0

1

2

22

12

2

3

2

3

p

p

 

=

1

0

0

.

1

0

2

0

1

2

2

33

23

13

2

3

2

3

p

p

p

 

 Stąd uzyskujemy macierz przejścia 

=

17

1

17

12

17

8

2

1

0

0

8

0

6

P

 i kanoniczną postać formy 

.

8

)

,

,

(

2

'

3

17

1

2

'

2

2

'

1

2

1

'

3

'

2

'

1

x

x

x

x

x

x

+

=

ϕ

 Forma ta jest więc nieokreślona.