MASO Uge 8. Invers funktion sætning og Implicit given funktion sætning. Jesper Michael Møller. Department of Mathematics University of Copenhagen

Relaterede dokumenter
MASO Uge 7. Differentiable funktioner. Jesper Michael Møller. Uge 7. Formålet med MASO. Department of Mathematics University of Copenhagen

MASO Uge 7. Differentiable funktioner. Jesper Michael Møller. Uge 7. Formålet med MASO. Department of Mathematics University of Copenhagen

Sætning (Kædereglen) For f(u), u = g(x) differentiable er den sammensatte funktion F = f g differentiabel med

8 Regulære flader i R 3

LiA 2 Side 0. Lineær algebra 3. kursusgang

Lineær algebra 1. kursusgang

x 2 + y 2 dx dy. f(x, y) = ln(x 2 + y 2 ) + 2 1) Angiv en ligning for tangentplanen til fladen z = f(x, y) i punktet

Lineær algebra 4. kursusgang

Ligningssystemer - nogle konklusioner efter miniprojektet

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

Oversigt Matematik Alfa 1, Januar 2003

Calculus Uge

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) AUGUST 2006 AARHUS UNIVERSITET

Matematik: Stuktur og Form Lineære ligningssystemer

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

Oversigt [LA] 3, 4, 5

Funktion af flere variable

Implicit givne og inverse funktioner

Lineær Algebra - Beviser

MASO Uge 9 Eksempler på Eksamensopgaver

Matematik og FormLineære ligningssystemer

Figur. To ligninger i to ubekendte. Definition Ved m lineære ligninger med n ubekendte forstås. Definition 6.4 Givet ligningssystemet

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) JANUAR 2006 AARHUS UNIVERSITET.. Beregn den retningsafledede D u f(0, 0).

Oversigt [S] 2.7, 2.9, 11.4

Definition multiplikation En m n-matrix og en n p-matrix kan multipliceres (ganges sammen) til en m p-matrix.

Nøgleord og begreber. Definition multiplikation En m n-matrix og en n p-matrix kan multipliceres (ganges sammen) til en m p-matrix.

To ligninger i to ubekendte

Anvendt Lineær Algebra

Forslag til hjemmeopgaver, som forbereder arbejdet med de nye emner den pågældende kursusgang, men primært er baseret på gymnasiepensum:

Besvarelser til Calculus og Lineær Algebra Globale Forretningssystemer Eksamen - 3. Juni 2014

UGESEDDEL 9 LØSNINGER. Sydsæter Theorem 1. Sætning om implicitte funktioner for ligningen f(x, y) = 0.

MM501 forelæsningsslides

Gradienter og tangentplaner

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

Funktion af flere variable

Vektorfelter langs kurver

Lineær Algebra F08, MØ

MM502+4 forelæsningsslides. uge 6, 2009

Oversigt [LA] 6, 7, 8

Lineær Algebra. Lars Hesselholt og Nathalie Wahl

Matematik og Form 3. Rækkereduktion til reduceret echelonfo. Rang og nullitet

Matrx-vektor produkt Mikkel H. Brynildsen Lineær Algebra

Oversigt [LA] 11, 12, 13

Oversigt [S] 2.7, 2.9, 11.4

Partielle afledede og retningsafledede

Vejledende besvarelse på august 2009-sættet 2. december 2009

Oversigt [S] 7.2, 7.5, 7.6; [LA] 18, 19

3.1 Baser og dimension

Lineære ligningssystemer og Gauss-elimination

Lineær Algebra eksamen, noter

GEOMETRI-TØ, UGE 12. A σ (R) = A f σ (f(r))

Affine rum. a 1 u 1 + a 2 u 2 + a 3 u 3 = a 1 u 1 + (1 a 1 )( u 2 + a 3. + a 3. u 3 ) 1 a 1. Da a 2

2010 Matematik 2A hold 4 : Prøveeksamen juni 2010

Løsninger til eksamensopgaver på A-niveau 2017

Underrum - generaliserede linjer og planer

Lineær Algebra. Lars Hesselholt og Nathalie Wahl

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

Differentiabilitet. f(h) = f(x 0 +h) f(x 0 ). y = f(x) f(h) df(h) Figur 1: Tangent, tilvækst og differential. lim. df(h) = f (x 0 )h.

Gamle eksamensopgaver (MASO)

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

Oversigt [LA] 3, 4, 5

Differentialligninger med TI-Interactive!

LiA 5 Side 0. Lineær algebra Kursusgang 5

Modulpakke 3: Lineære Ligningssystemer

Lineære normale modeller (1) udkast. 1 Flerdimensionale stokastiske variable

Eksamen i Lineær Algebra

Besvarelse af Eksamensopgaver Juni 2005 i Matematik H1

Differentialligninger. Ib Michelsen

MASO Uge 11. Lineær optimering. Jesper Michael Møller. Uge 46, Formålet med MASO. Department of Mathematics University of Copenhagen

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Lineær Algebra

Eksamen i Lineær Algebra

Supplement til Matematik 1GB. Jan Philip Solovej

Løsninger til udvalgte Eksamensopgaver i Lineær Algebra Juni 2000 og Juni 2001.

Eksamen i Lineær Algebra

Lineær Algebra, kursusgang

4.1 Lineære Transformationer

er en n n-matrix af funktioner

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [LA] 15, 16, 17

Om første og anden fundamentalform

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2018

Tænk på a og b som to n 1 matricer. a 1 a 2 a n. For hvert i = 1,..., n har vi y i = x i β + u i.

Kursusgang 3 Matrixalgebra Repetition

Diagonalisering. Definition (diagonaliserbar)

Matematik: Struktur og Form Spænd. Lineær (u)afhængighed

Mere om differentiabilitet

DesignMat Kvadratiske matricer, invers matrix, determinant

STEEN MARKVORSEN DTU COMPUTE 2016

DESIGNMAT FORÅR 2012: UGESEDDEL Forberedelse Læs alle opgaverne fra tidligere ugesedler, og læg særlig mærke til dem du har spørgsmål til.

INSTITUT FOR MATEMATIK OG DATALOGI. TIDLIGERE EKSAMENSOPGAVER MM501 Calculus I, MM502 Calculus II Januar 2006 juni 2010

Lineær Algebra, TØ, hold MA3

MASO-Eksempler. x n. + 1 = 1 y n

[FUNKTIONER] Hvornår kan vi kalde en sammenhæng en funktion, og hvilke egenskaber har disse i givet fald. Vers. 2.0

Besvarelser til Lineær Algebra Reeksamen August 2016

Lineær algebra: Spænd. Lineær (u)afhængighed

Lineær algebra Kursusgang 6

Løsninger til eksamensopgaver på A-niveau 2016

(Prøve)eksamen i Lineær Algebra

Matematik og Form: Matrixmultiplikation. Regulære og singu

Besvarelser til Calculus og Lineær Algebra Globale Forretningssystemer Eksamen - 8. Juni 2015

DesignMat Uge 2. Preben Alsholm. Efterår Lineære afbildninger. Preben Alsholm. Lineære afbildninger. Eksempel 2 på lineær.

Transkript:

MASO Uge 8 Invers funktion sætning og Implicit given funktion sætning Jesper Michael Møller Department of Mathematics University of Copenhagen Uge 43 Formålet med MASO

Oversigt Invertible og lokalt invertible funcktioner af en variabel af flere variable

Invertibel funktion f : U V En funktion f : U V er invertibel hvis der for ethvert y V findes netop et x U så f (x) = y. Funktionen f : U V er invertibel hvis og kun hvis der findes en invers funktion U V : f 1 sådan at f 1 f og f f 1 er identitetsfunktioner. Den inverse funktion: For y V find det x U så f (x) = y. Da er f 1 (y) = x. Lokalt invertibel funktion f : (R n, x 0 ) (R n, y 0 ) En funktion f : R n R n er lokalt invertibel nær x 0 R n hvis der findes omegne U R n af x 0 og V R n af f (x 0 ) så V f U : U V er invertibel. Den lokale inverse nær x 0 : For y f (x 0 ) find det x x 0 så f (x) = y. Da er f 1 (y) = x.

Invertible og lokalt invertible funktioner R R f : R R, f (x) = x 3, er invertibel med invers f 1 (y) = 3 y. f : R R, f (x) = x 2, er ikke invertibel. f : R R, f (x) = x 2, er lokalt invertibel nær ethvert x 0 0. Den lokale inverse nær x 0 er f 1 (y) = { y x0 > 0, y x 2 0 y x 0 < 0, y x 2 0 f : R R, f (x) = x 2, er ikke lokalt invertibel nær x 0 = 0: For y 0 findes ikke et entydigt bestemt x 0 så x 2 = y.

Eksempel på lokal invers f (x) f (x) = x 2 + 2x + 2 4 < 3 2 y > > 0 3 2 1 0 1 2 1 y 1 1 x

Invers funktion sætning for f : R R y = ax + b har en entydig løsning for x a 0 y = f (x) har nær x 0 en entydig løsning for x f (x 0 ) 0 Hvis f : R R er C 1 og x 0 R så gælder: f har en lokal invers nær x 0 f (x 0 ) 0 og den lokale inverse f 1 har i f (x 0 ) differentialkvotient df 1 dy (f (x 0)) = df dx (x 0) 1 f (x 0 + x) y 0 + a x x 0 + a 1 y f 1 (y 0 + y)

Lokale inverse x 2 g 2 f f y 0 x 1 g 1 Hvis f (x 1 ) = y 0 og f (x 2 ) = y 0 og f (x 1 ) 0, f (x 2 ) 0, så findes lokale inverse defineret nær y 0 og med værdier nær x 1 og x 2. g 1 (y 0 + y) x 1 + f (x 1 ) 1 y g 2 (y 0 + y) x 2 + f (x 2 ) 1 y

Invertible funktioner R n R n Invers funktion sætning handler om at løse ligninger Antag at vi har en ligning af formen f (x) = y, f : R n R n, x R n, y R n Kan vi finde x udtrykt ved y? Problemet er altså Hvornår kan vi entydigt løse ligningen f (x) = y for x? Findes der en funktion g : R n R n så f (x) = y x = g(y)

Invers Funktion Sætning Antag at X, Y R n er åbne, f : X Y er C 1. f er lokalt invertibel nær x 0 Df (x 0 ) er invertibel det Df (x 0 ) 0 Den lokale invers f 1 nær x 0 er C 1 med Jacobi matrix i f (x 0 ) D(f 1 )(f (x 0 )) = Df (x 0 ) 1 Den lineære approximation til den lokale inverse nær x 0 er f 1 (f (x 0 ) + y) x 0 + Df (x 0 ) 1 y for y 0.

af flere variable Implicit givne lineære funktioner A m n matrix, B invertibel m m matrix x 1 A. + B x n y 1. y m = b 1. b m y 1. = B 1 y m b 1. b m B 1 A Hvis matricen B foran y er invertibel, så kan vi bruge ligningen Ax + By = b til at finde y udtrykt ved x. De fri variable x parametriserer løsningsmængden og y er implicit givet som funktion af x. ( ) m ligninger n + m variable ( ) m bundne variable n fri variable x 1. x n

af flere variable for begyndere Antag at F : R R R er funktionen F(x, y) = ax + by hvor y = b 0. 1 Vi kan løse ligningen F(x, y) = c for y. Vi får nemlig at F(x, y) = c y = 1 b c 1 b ax 2 Den afledte funktion af funktionen y(x) implicit givet ved ligningen F(x, y) = c er ( ) y 1 x = a b = y x 3 Den lineære approksimation til funktionen y(x) er ( ) 1 y(x 0 + x) y 0 y (x 0, y 0 ) x (x 0, y 0 ) x

af flere variable Implicit Funktion Sætning i 1 + 1 variable Antag at F : R R R er C 1, F(x 0, y 0 ) = 0 og y (x 0, y 0 ) 0. 1 Der findes en omegn U af x 0 og en omegn V af y 0 så ligningen F(x, y) = 0 for ethvert x i U har netop en løsning y = y(x) i V. 2 (x, y(x)) + (x, y(x)) y (x) = 0 for alle x U x y x (implicit differentiation) ( ) y 3 1 x (x) = (x, y(x)) (x, y(x)) for alle x U y x ( ) 4 1 y(x 0 + x) y 0 y (x 0, y 0 ) x (x 0, y 0 ) x for x tæt ved 0 (lineær approksimation)

af flere variable Cardioide Tangenten til F 1 (0) x (x 0, y 0 )(x x 0 ) + y (x 0, y 0 )(y y 0 ) = 0 er graf for funktionen y = y 0 x (x 0,y 0 ) (x x y (x 0,y 0 ) 0) når y (x 0, y 0 ) 0 F(x, y) = (x 2 + y 2 2x) 2 4(x 2 + y 2 ), (x 0, y 0 ) = (1 + 2, 1 + 2) x (x 0, y 0 ) = 4(x 2 0 + y 2 0 2x 0)(x 0 1) 8x 0 y (x 0, y 0 ) = 4y 0 (x 2 0 + y 2 0 2x 0) 8y 0

af flere variable Lemniscate F(x, y) = (x 2 + y 2 ) 2 2(x 2 y 2 ) DF (x 0, y 0 ) = ( x y ) = (4x 0 (x0 2 + y 0 2 1) 4y 0(x0 2 + y 0 2 + 1)) 0-niveauet for F omkring (x 0, y 0 ) er en graf hvis y 0 0. Hvis y 0 0 så er F 1 (0) nær (x 0, y 0 ) graf for en funktion y = y(x) med y(x 0 ) = y 0 og y (x 0 ) = x 0(1 x 2 0 y 2 0 ) y 0 (1 + x 2 0 + y 2 0 )

af flere variable for let øvede Med et (lineært) ligningssystem bestående af 2 ligninger med 5 ubekendte 2x 1 + x 2 x 3 + y 1 + y 2 = 3 3x 1 2x 2 + x 3 + 2y 2 3y 2 = 4 ( ) 2 1 1 1 ( ) ( ) x 1 1 y1 + = 3 2 1 2 3 ( y1 y 2 ) = ( 1 1 2 3 x 2 x 3 y 2 ( ) 3 4 ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) 3 1 1 2 1 1 1 x x 4 2 3 3 2 1 2 x 3 kan vi bruge de to ligninger til at udtrykke to variable (y 1 og y 2 ) ved de andre tre (fri) variable (x 1, x 2 og x 3 ) hvis matricen foran y 1 og y 2 er invertibel. Løsningsmængden kan parametriseres ved de tre fri variable x 1, x 2, x 3.

af flere variable Implicit Funktion Sætning handler om at løse ligninger Hvis vi har m ligninger med n + m ubekendte skrevet på formen F(x, y) = 0, F : R n R m R m, x R m, y R n kan vi bruge dem til at udtrykke m variable ved de resterende n fri variable? Kan vi isolere y på den ene side af lighedstegnet? F 1 (x, y) = 0 y 1 = y 1 (x) F(x, y) = 0?. F m (x, y) = 0 Findes der en funktion y : R n R m så F(x, y) = 0 y = y(x). y m = y m (x) y = y(x) Kan vi parametrisere løsningsmængden F 1 (0) ved de n fri x-variable?

af flere variable Linearisering Antag F(x 0, y 0 ) = b. Ligningen F(x 0 + x, y 0 + y) = b lineariserer til ligningen ( ) ( ) x (x 0, y 0 ) y (x x 0, y 0 ) = 0 y som vi kan bruge til at bestemme y = y (x 1 0, y 0 ) x (x 0, y 0 ) x hvis matricen y (x 0, y 0 ) er invertibel.

af flere variable Implicit Funktion Sætning Antag at F : R n R m R m er C 1, F(x 0, y 0 ) = 0 og y (x 0, y 0 ) er invertibel. 1 Der findes en omegn U af x 0 og en omegn V af y 0 så ligningen F(x, y) = 0 for ethvert x U har netop en løsning y = y(x) V. 2 (x, y(x)) + (x, y(x)) y (x) = 0 for alle x U x y x (implicit differentiation) ( ) y 3 1 x (x) = (x, y(x)) (x, y(x)) for alle x U y x ( ) 4 1 y(x 0 + x) y 0 y (x 0, y 0 ) x (x 0, y 0 ) x for x tæt ved 0 (lineær approksimation)

af flere variable Koodinatfunktioners gradienter er ortogonale til F 1 (0) Antag F : R n R m og F(x 0 ) = 0 hvor F 1 (x 0 ) DF (x 0 ) =. F m (x 0 ) har fuld rang. Tangentrummet i x 0 til F 1 (0) T x0 F 1 (0) = x 0 + DF(x 0 ) 1 (0) = x 0 +{ F 1 (x 0 ),..., F m (x 0 )} er det (n m)-dimensionale underrum af R n med ligning DF(x 0 )(x x 0 ) = 0 for det består af de vektorer der afsat fra x 0 er vinkelret på gradienterne for de m koordinatfunktioner.

af flere variable Hvis x 3 y 3 + 2z 3 xyz = 1 kan vi finde z? F(x, y, z) = x 3 y 3 + 2z 3 xyz F(1, 1, 1) = 1 (1, 1, 1) = (2, 4) (x, y) (1, 1, 1) = (5) z Løsningsmængden F 1 (1) nær (1, 1, 1) kan parametriseres med fri variable (x, y) og en funktion z = z(x, y) med z (1, 1) = (x, y) z (1, 1, 1) 1 (1, 1, 1) = ( 2/5, 4/5) (x, y) z(1 + x, 1 + y) 1 2 5 x + 4 5 y F (1 + x, 1 + y, 1 2 5 x + 4 5 y) 0

af flere variable Hvis x 3 xy + z 2 = 1, x + y + z = 1 kan vi finde y, z? (y, z) x ( x F(x, y, z) = 3 xy + z 2 x + y + z ), F(1, 0, 0) = ( ) 1 1 Løsningsmængden F 1 (1, 1) er en kurve i R 3 ( ) 3 1 0 (1, 0, 0) = (x, y, z) 1 1 1 = ( ) ( ) 1 0 3 (1, 0, 0) 1 (1, 0, 0) = = (y, z) x 1 1 1 ( ) ( ) ( ) 0 3 3 x (y, z)(1 + x) + ( x) = 0 4 4 x ( ) 1 F(1 + x, 3 x, 4 x) 1 ( ) 3 4

af flere variable Implicit FS = Invers FS Lad f : R n R n med invertibel Df (y 0 ). Funktionen F : R n R n R n, F(x, y) = x f (y) har invertibel y. Derfor findes g : R n R n så x = f (y) F (x, y) = 0 y = g(x) Lad F : R n+m R m med invertibel y (x 0, y 0 ). Så har (x, y) (x, F(x, y)) en invers, Φ = (Φ 1, Φ 2 ). Vi har F(x, y) = 0 (x, F(x, y)) = (x, 0) (x, y) = Φ(x, 0) (x, y) = (Φ 1 (x, 0), Φ 2 (x, 0)) x = Φ 1 (x, 0), y = Φ 2 (x, 0)