SIMR 2010/2011, Analiza 2, wykład 3, 2011-03-07

Pochodna

Definicja:

Niech będzie dana funkcja f : D → R m , gdzie D ⊂

k

R , punkt x leżący wewnątrz zbioru D. Wtedy

pochodną funkcji f w punkcie x, f 0( x) nazywamy przekształcenie liniowe L : k

m

R → R

takie, że:

f ( x + h) − f ( x) − L( h) lim

= 0

h→ 0

||h||

Jeżeli takie przekształcenie istnieje to mówimy, że funkcja f jest różniczkowalna w punkcie x (ma pochodną). Jeżeli nie istnieje to funkcja f nie jest różniczkowalna w punkcie x (nie ma pochodnej).

Uwaga 1 Pochodnej f 0( x) odpowiada macierz o m wierszach i k kolumnach. Jest to macierz przekształcenia liniowego L w standardowych bazach.

Uwaga 2 Jeżeli k = 1 to pochodną można utożsamiać z elementem przestrzeni wartośći funkcji f .

Jeżeli m = 1 to pochodną można utożsamiać z elementem przestrzeni argumentów funkcji f .

W ogólnym przypadku k > 1 , m > 1 pochodna jest elementem przestrzennni k · m wymiarowej.

Uwaga 3 Dla ustalonego x elementy tej macierzy są stałymi liczbami rzeczywistymi. Jeśli zmienia się punkt x to elementy tej macierzy też mogą sie zmieniać; wtedy pochodną trzeba traktować jak macierz funkcji lub jak funkcję o wartościach macierzowych.

Definicja:

Niech będzie dana funkcja f : D → R m , gdzie D ⊂ R k jest zbiorem otwartym. Mówimy, że funkcja jest różniczkowalna wtedy i tylko wtedy, gdy jest różniczkowalna dla każdego x ∈ D .

Związek różniczkowalności z ciągłością

Twierdzenie:

Niech będzie dana funkcja f : D → R m , gdzie D ⊂ R k jest zbiorem otwartym. Jeżeli funkcja jest różniczkowalna w x ∈ D to jest w tym punkcie ciągła. Jeżeli jest różniczkowalna (na całej dziedzinie) to jest ciągła.

Związek pochodnej z pochodnymi cząstkowymi i kierunkowymi

Z istnienia pochodnej wynika istnienie pochodnych cząstkowych i kierunkowych.

Twierdzenie:

Niech będzie dana funkcja f : D → R m , gdzie D ⊂ R k , punkt x leżący wewnątrz zbioru D i niech istnieje pochodna funkcji f w punkcie x, f 0( x). Wtedy dla każdego niezerowego wektora v ∈ R k istnieje 0

pochodna kierunkowa f ( x) i jest ona równa:

v

0

f 0( x) · v

f ( x) =

v

||v||

Uwaga 1 Z tego twierdzenia wynika, że istnieją wszystkie pochodne cząstkowe i są równe:

∂f ( x) = f0( x) · ei

∂xi

Uwaga 2 Oznaczmy f ( x) = ( f 1( x) , f 2( x) , . . . fm( x)) . Wtedy pochodna funkcji jest równa:

" ∂f

#

f 0

i

( x) =

( x) , i = 1 , 2 , . . . m, j = 1 , 2 , . . . k

∂xj

1

Z istnienia pochodnych cząstkowych nie wynika jeszcze istnienie pochodnej. Trzeba dodatkowo założyć ich ciągłość.

Twierdzenie:

Niech będzie dana funkcja f : D → R m , gdzie D ⊂ R k, punkt x ∈ int D. Jeżeli w pewnym otoczniu x istnieją wszystkie pochodne cząstkowe funkcji f i są ciągłe w punkcie x to istnieje pochodna funkcji f w punkcie x.

Twierdzenie:

Niech będzie dana funkcja f : D → R m , gdzie D ⊂ R k jest zbiorem otwartym. Jeżeli istnieją i są ciągłe wszystkie pochodne cząstkowe funkcji f na zbiorze D to funkcja f jest różniczkowalna na tym zbiorze i jej pochodna jest funkcją ciągłą na D. Taką funkcję nazywamy funkcją klasy C 1 na D .

Przykład: Znaleźć pochodną funkcji f ( x 1 , x 2) = ( x 2 x

, x

1

2 , 3 x 1 + x 3

2

1 − x 2) w punkcie x(1 , − 1)

Mamy:



∂f



1

∂f 1



∂x

∂x









1

2 

2 x 1 x 2

x 21















∂f

∂f







f 0( x



2

2







1 , x 2) = 

 = 

3

3 x 22 



∂x 1

∂x 2 

























1

− 1



∂f



3

∂f 3





∂x 1

∂x 2

Pochodna istnieje, bo wszystkie pochodne cząstkowe są ciągłe. W punkcie (1 , − 1) pochodna jest równa:



− 2

1 

f 0(1 , − 1) = 

3

3 





1 − 1

Gradient

Uwaga: Pojęcie gradientu jest używane dla funkcji o wartościach w R1 (rzeczywistych).

Definicja:

Niech będzie dana funkcja f : D → R , gdzie D ⊂ R k. Niech punkt x ∈ int D i niech istnieje pochodna f 0( x). Gradientem funkcji f w punkcie x nazywamy wektor w przestrzeni R k odpowiadający pochodnej f 0( x) (mający te same współrzędne co macierz f 0( x)).

∂f

∂f

∂f

!

grad f ( x) =

( x) ,

( x) , . . .

( x)

∂x 1

∂x 2

∂xk

Uwaga: Pochodna kierunkowa funkcie f w kierunku wektora v jest równa 0

grad f ( x) · v

f ( x) =

= || grad f ( x) || · cos α

v

||v||

gdzie α jest kątem między wektorem v a gradientem funkcji, a grad f ( x) · v oznacza iloczyn skalarny wektorów. Wynika stąd, że pochodna kierunkowa jest największa gdy kierunkek wektora v równoległy do gradientu i ma ten sam zwrot. Kiedy wektor v jest prostopadły do gradientu, pochodna kierunkowa jest równa 0. Gradient jest więc wektorem prostopdałym do powierzchni stałych wartości funkcji: f ( x) = C.

Przykład 1: Obliczyć gradient f ( x, y, z) = x 2 y − y 3 z oraz pochodną w kierunku wektora v = (2 , − 2 , 1) w punkcie P (1 , − 1 , 0)

∂f ∂f ∂f !

grad f ( x, y, z) =

,

,

= (2 xy, x 2 − 3 y 2 z, −y 3)

∂x ∂y ∂z

2

grad f ( P ) = ( − 2 , 1 , 1) 0

( − 2 , 1 , 1) · (2 , − 2 , 1)

− 5

f ( P ) =

=

v

|(2 , − 2 , 1) |

3

Przykład 2: Znaleźć płaszczyznę styczną do powierzchni S : z = x 2 + y 2 w punkcie P (1 , − 1 , 2) Niech f ( x, y, z) = z − x 2 − y 2. Gradient grad f ( P ) jest wektorem prostopadłym do powierzchni S

w punkcie P , a więc jest też prostopadły do płaszczyzny stycznej. Mając wektor prostopadły do płaszczyzny i punkt P leżacy na tej płaszczyźnie mozna znaleźć jej równanie:

∂f ∂f ∂f !

grad f ( P ) =

,

,

= ( − 2 x, − 2 y, − 1) = ( − 2 , 2 , 1)

∂x ∂y ∂z

Równanie płaszczyzny stycznej:

π : − 2 x + 2 y + z + D = 0

Podstawiając do równania punkt P obliczmy D = 2

Równanie płaszczyzny stycznej:

π : − 2 x + 2 y + z + 2 = 0

Różniczka zupełna

Uwaga: Pojęcie różniczki zupełnej jest używane dla funkcji o wartościach w R1 (rzeczywistych).

Definicja:

Niech będzie dana funkcja f : D → R , gdzie D ⊂ R k. Niech punkt x ∈ int D i niech istnieje pochodna f 0( x). Różniczką funkcji f w punkcie x dla przyrostu argumentu d x nazywamy wartość przekształcenia liniowego f 0( x) dla wektora d x:

∂f

∂f

∂f

d f ( x) = f 0( x) · d x =

( x)d x 1 +

( x)d x 2 + · · · +

( x)d xk

∂x 1

∂x 2

∂xk

Uwaga: Różniczka jest liniową funkcją przyrostu argumentu d x. Przy małych przyrostach argumentu można ją traktować jako przybliżenie przyrostu funkcji ∆ f = f ( x + d x) − f ( x) .

Przykład 1 Znaleźć płaszczyznę styczną do powierzchni S : z = x 2 + y 2 w punkcie P (1 , − 1 , 2) Niech z( x, y) = x 2 + y 2, x 0 = 1 , y 0 = − 1 , z 0 = 2 . Różniczka zupełna fukcji z( x, y) jest równa:

∂z

∂z

d z =

d x +

d y

∂x

∂y

∂z = 2 x = 2

∂x

∂z = 2 y = − 2

∂y

Czyli

d z = 2d x − 2d y

Równanie płaszczyzny stycznej dostaniemy zastępujac d x = x − x 0 , d y = y − y 0 , d z = z − z 0 , z − 2 = 2( x − 1) − 2( y + 1)

− 2 x + 2 y + z + 2 = 0

q

Przykład 2 Znaleźć przybliżoną wartość wyrażenia

(1 , 99)2 − 3 , 02

√

Niech f ( x, y) =

x 2 − y, x 0 = 2 , y 0 = 3 , d x = − 0 . 01 , d y = 0 , 02. Różniczka zupełna fukcji f ( x, y) w punkcie ( x 0 , y 0) jest równa:

∂f

∂f

d f =

d x +

d y

∂x

∂y

∂f

2 x

= √

= 2

∂x

2 x 2 − y

3

∂f

− 1

1

= √

= −

∂y

2 x 2 − y

2

Czyli

d f = 2d x − 1 d y

2

Ponieważ przyrosty argumentów są małe, rózniczkę d f możemy traktować jako przybliżenie przyrostu wartości funkcji:

∆ f ' d f

f ( x 0 + d x, y 0 + d y) − f ( x 0 , y 0) ' 2d x − 1 d y 2

f (1 , 99 , 3 , 02) ' f (2 , 3) + 2 · ( − 0 , 01) − 1 · (0 , 02) = 0 , 97

2

Zastosowanie różniczki zupełnej do obliczania błędów.

Przy wykonywaniu pomiarów często wyznaczamy pewną wielkość w mierząc inne wielkości x , y , z i korzystając z pewnego związku między tymi wielkościami w = f ( x, y, z) . Pomiary wielkości mierzonych bezpośrednio obraczone są błądami. Obliczymy błąd wyznaczenia wielkości w.

Niech x 0 , y 0 , z 0 oznaczają wyniki pomiarów, a xr , yr , zr , wr = f ( xr, yr, zr) wartości dokładne.

Oznaczmy błędy rzeczywiste δx = xr − x 0 , δy = yr − y 0 , δz = zr − z 0 . Wielkości tych nie znamy.

Znamy natomiast oszacowania błędów ∆ x , ∆ y , ∆ z takie, że

|δx| ¬ ∆ x , |δy| ¬ ∆ y , |δz| ¬ ∆ z

Oznaczmy w 0 = f ( x 0 , y 0 , z 0) wtedy

∂f

∂f

∂f

δw = wr − w 0 ≈

· δx +

· δy +

· δz

∂x

∂y

∂z

Stąd:

∂f

∂f

∂f

∂f

∂f

∂f

|δ

w | ¬

· |δ

· |δ

· |δ

· ∆

· ∆

· ∆

x| +

y | +

z | ¬

x +

y +

z

∂x

∂y

∂z

∂x

∂y

∂z

Stąd:

|δw| ¬ ∆ w , gdzie:

∂f

∂f

∂f

∆

w =

· ∆

· ∆

· ∆

x +

y +

z

∂x

∂y

∂z

Uwaga 1: Dla uproszczenia notacji wzór został wyrowadzony dla trzech zmiennych. Analogiczny wzór można wyprowadzić dla dowolnej liczby zmiennych.

Uwaga 2: Wielkości ∆ x , ∆ y , ∆ z , ∆ w nazywa się też błędami.

2 l

Przykład: Wyznaczyć przyśpieszenie a oraz jego błąd, korzystając ze wzoru: a =

jeżeli zmierzono

t 2

l = 20 , 0 ± 0 , 2 m ; t = 2 , 0 ± 0 . 1 s.

Dla l = 20 . 0 i t = 2 . 0 mamy a = 10

∂a

∂a

∆

a =

· ∆

· ∆

l +

t

∂l

∂t

∆ l = 0 , 2

∆ t = 0 , 1

∂a

2

=

= 0 , 5

∂l

t 2

∂a

− 4 l

=

= − 10

∂t

t 3

∆ a = | 0 , 5 | · 0 , 2 + |− 10 | · 0 , 1 = 1 , 1

Odpowiedź:

a = 10 . 0 ± 1 , 1 m

s 2

4