GEOMETRI-TØ, UGE 6. . x 1 x 1. = x 1 x 2. x 2. k f

Relaterede dokumenter
Funktion af flere variable

GEOMETRI-TØ, UGE 8. X = U xi = {x i } = {x 1,..., x n }, U α, U α = α. (X \ U α )

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.

Punktmængdetopologi. Mikkel Stouby Petersen. 1. marts 2013

Analyse 2. Gennemgå bevis for Sætning Supplerende opgave 1. Øvelser. Sætning 1. For alle mængder X gælder #X < #P(X).

Partielle afledede og retningsafledede

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

MASO Uge 5. Topologi i euklidiske rum. Jesper Michael Møller. Uge 5. Formålet med MASO. Department of Mathematics University of Copenhagen

Gult Foredrag Om Net

Mat H /05 Note 2 10/11-04 Gerd Grubb

MASO Uge 5. Topologi i euklidiske rum. Jesper Michael Møller. Uge 5. Formålet med MASO. Department of Mathematics University of Copenhagen

En differentiabel funktion hvis afledte ikke er kontinuert Søren Knudby

Største- og mindsteværdi Uge 11

Taylors formel. Kapitel Klassiske sætninger i en dimension

Kalkulus 2 - Grænseovergange, Kontinuitet og Følger

= λ([ x, y)) + λ((y, x]) = ( y ( x)) + (x y) = 2(x y).

Taylorudvikling I. 1 Taylorpolynomier. Preben Alsholm 3. november Definition af Taylorpolynomium

Optimeringsteori. Tenna Andersen, Tina Sørensen, Majbritt Lundborg, Søren Foged, Jeppe Gravers, Kenneth Andersen & Oskar Aver

Klassisk Taylors formel

Gamle eksamensopgaver (MASO)

8 Regulære flader i R 3

Afgør for hver af følgende rækker om den er divergent, betinget konvergent eller absolut konvergent. 2 n. n=1 2n (n + 1)2 1 = 2(n + n+1

af koblede differentialligninger (se Apostol Bind II, s 229ff) 3. En n te ordens differentialligning

MM502+4 forelæsningsslides. uge 6, 2009

Ekstremumsbestemmelse

Første konstruktion af Cantor mængden

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

Statistik og Sandsynlighedsregning 2

Indhold. Litteratur 11

Oversigt [S] 2.7, 2.9, 11.4

z 1 = z 1z 1z 1 z 1 2 = z z2z 1 z 2 2

Differentialregning i R k

Funktioner af flere variable

Antag at. 1) f : R k R m er differentiabel i x, 2) g : R m R p er differentiabel i y = f(x), . p.1/18

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

Analyse 1, Prøve 4 Besvarelse

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 11

ANALYSE 1, 2014, Uge 6

Supplerende opgaver. S1.3.1 Lad A, B og C være delmængder af X. Vis at

Mordell s Sætning. Henrik Christensen og Michael Pedersen. 17. december 2003

Oversigt [S] 2.7, 2.9, 11.4

GRUNDBEGREBER VEDRØRENDE TOPOLOGI, KONVERGENS OG KONTINUITET I EUKLIDISKE RUM. Gert Kjærgård Pedersen November 2002

Oversigt Matematik Alfa 1, Januar 2003

Funktion af flere variable

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

ANALYSE 1, 2014, Uge 5

5.3 Konvergens i sandsynlighed Konvergens i sandsynlighed 55. Hvis vi regner den karakteristiske funktion for X, v ud i argumentet 1, fås

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Implicit givne og inverse funktioner

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

6.1 Reelle Indre Produkter

Supplerende note om Hilbertrum og Banachrum

Endeligdimensionale vektorrum

Eksamen 2014/2015 Mål- og integralteori

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

standard normalfordelingen på R 2.

Nøgleord og begreber. Definition 15.1 Den lineære 1. ordens differentialligning er

Calculus Uge

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

N o t e r t i l G e o m e t r i

Mere om differentiabilitet

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

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

Eksamen i Calculus. 14. juni f (x, y, z) = 1 + x 2 + y 2. x 2 + y 2 1 Hele rummet uden z aksen

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 4. fjerdedel

Integration m.h.t. mål med tæthed

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 5

GEOMETRI-TØ, UGE 3. og resultatet følger fra [P] Proposition 2.3.1, der siger, at

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

Introduktion til differentialregning 1. Jens Siegstad og Annegrethe Bak

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Ekstrema, Teori og Praksis

Oversigt [LA] 3, 4, 5

Program. Statistik og Sandsynlighedsregning. Eksempler. Sandsynlighedstæthed og sandsynlighedsmål

Funktioner af to variable

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

Optimering i Moderne Portefølje Teori

UGESEDDEL 10 LØSNINGER. = f

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

MM502+4 forelæsningsslides

Affine og konvekse mængder

N o t e r t i l G e o m e t r i

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

ANALYSE 1. Uge 7, 4. juni juni, 2007

MASO Uge 6. Følger i euklidiske rum Ekstremværdisætningen. Jesper Michael Møller. Department of Mathematics University of Copenhagen.

MM501 forelæsningsslides

Besvarelses forslag til Tag-hjemeksamen Vinteren 02 03

MATEMATIK 4 PROJEKT 3. marts 2006 Oversigt nr. 1

Lineær Algebra, TØ, hold MA3

Test grafisk afledede Højere partielle afledede Differentiationsordenen er ligegyldig Partielle differentialligninger Test Laplaces ligning

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.

Kvantitative Metoder 1 - Forår Dagens program

Mike Vandal Auerbach. Differentialregning (2) (1)

Module 1: Lineære modeller og lineær algebra

Funktionsundersøgelse. Rasmus Sylvester Bryder

Differentation i vektorrum

Eksamen i Mat F, april 2006

Noget om Riemann integralet. Noter til Matematik 2

Transkript:

GEOMETRI-TØ, UGE 6 Hvis I falder over tryk- eller regne-fejl i nedenstående, må I meget gerne sende rettelser til fuglede@imfaudk Opvarmningsopgave 1 Lad f : R 2 R være tre gange kontinuert differentierbar Vis at x 1 Bevis Helt generelt gælder for f C k, at f x 1 x 2 x 2 f x 1 x 1 k f k f, x i1 x ik x j1 x jk hvor j l σ(i l ) for en permutation σ S k I termer af differentialet og den generaliserede udgave af Sætning 422, der er nævnt nederst på side s 40, er D 3 f x0 (e 1, e 1, e 2 ) D 3 f x0 (e 2, e 1, e 1 ) Idéen er, at vi ved at køre den induktive definition har D 3 f x0 (h 1, h 2, h 3 ) (D(D(Df)h 1 )h 2 ) x0 h 3, og ved at samle et vilkårligt par af disse D er til et D 2 og således kan ombytte vilkårlige par h i, h i+1 At dette giver muligheden for at foretage vilkårlige permutationer af h i erne følger af, at simple transpositioner frembringer S n som gruppe (hvilket dataloger kender som bubble sort) Helt eksplicit gælder i vores opgave, at D 3 f x0 (e 1, e 1, e 2 ) (D 2 (Df)e 1 ) x0 (e 1, e 2 ) (D 2 (Df)e 1 ) x0 (e 2, e 1 ) D 3 f x0 (e 1, e 2, e 1 ) (D(D 2 f)(e 1, e 2 )) x0 (e 1 ) (D(D 2 f)(e 2, e 1 )) x0 (e 1 ) D 3 f x0 (e 2, e 1, e 1 ) Opvarmningsopgave 2 Lad Q : M n (R) M n (R) være afbildningen Q(A) A 2 Vis at Q er glat Bevis Pr definition er afbildningen glat, hvis den tilsvarende afbildning R n2 R n2 er det Hvis A ij a ij, er indgang (i, j) i A 2 givet ved (A 2 ) ij n a il a lj l1 Vi er med andre ord interesserede i afbildningen, der til knytter vektoren (b ij ) i,j1,,n i R n2, hvor (a 11,, a 1n, a 21,, a 2n,, a n1,, a nn ) R n2 b ij n a il a lj, l1 og vi skal vise, at denne er C k for alle k Det er imidlertid klart, at alle de k te partielle afledede mht koordinaterne a ij eksisterer og er kontinuerte 1

2 GEOMETRI-TØ, UGE 6 Hvis man vil vise det ud fra definitionen (hvor vi som normen i definitionen på differentiabilitet) bruger operatornormen, er sagen noget vanskeligere Lad os om ikke andet vise, at Q er differentiabel med differential DQ A (B) AB +BA Ved at bruge submultiplikativitet af operatornormen, får vi A 2 A 2 0 dq A0 (A A 0 ) A 2 A 2 0 A 0 (A A 0 ) (A A 0 )A 0 lim lim A A 0 A A 0 A A 0 A A 0 lim A A 0 A 2 A 2 0 A 0 A + A 2 0 AA 0 + A 2 0 A A 0 (A A 0 ) 2 A A 0 2 lim lim A A 0 A A 0 A A 0 A A 0 lim A A 0 0, A A 0 hvilket viser, at Q er differentiabel, og at DQ A er differentialet af Q Tilsvarende kan man finde, at D 2 Q A (B 1, B 2 ) B 1 B 2 + B 2 B 1, og at for k > 2 og alle A, B 1,, B k M n (R) D k Q A (B 1,, B k ) 0 Opvarmningsopgave 3 Antag at (X, d) er et metrisk rum Lad T være familien af åbne mængder i X givet ved metrikken Vis at T er en topologi Bevis At er åben er den tomme betingelse At X er åben er oplagt, da der for alle x X gælder, at B(x, r) X, uanset hvad r > 0 er At systemet af åbne mængder er lukket under endeligt snit og vilkårlig forening blev vist for to uger siden Opvarmningsopgave 4 Lad X {0, 1} være det metriske rum med to punkter 0, 1, der har afstand d(0, 1) 1 For hvilke reelle tal r > 0, gælder der, at den lukkede kugle B(0, r) er afslutningen af den åbne kugle B(0, r) Løsning Husk at B(0, r) {x X d(0, x) r}, og at afslutningen af B(0, r) er den mindste lukkede mængde, der indeholder B(0, r) Bemærk, at alle delmængder af X er lukkede, så i dette tilfælde er der ingen forskel på en mængde og dens afslutning Det følger, at { {0}, r < 1, B(0, r) {0, 1}, r 1, { {0}, r 1, B(0, r) B(0, r) {0, 1}, r > 1 Den lukkede kugle er altså afslutningen af den åbne kugle, hvis og kun hvis r 1 Til næste opgave får vi brug for følgende resultat Sætning 1 (Middelværdisætningen på R) Lad f : [a, b] R være kontinuert, så f (a,b) er differentiabel Da findes et c (a, b), så f (c) Bevis Beviset kan ses som et resultat af integralmiddelværdisætningen, Sætning 324 i Beltoft- Thomsen, brugt på funktionen f, hvis man yderligere antager, at denne er kontinuert (dvs at f er C 1 ) Her er et kort bevis, taget fra Ebbe Thue Poulsens Funktioner af en og flere variable, der ikke gør brug af integrationsteori: Lad l(x) : [a, b] R være den lineære (affine) funktion, så l(a) f(a), l(b) f(b) Denne har konstant hældning l (x)

GEOMETRI-TØ, UGE 6 3 Lad h : [a, b] R være givet ved h(x) f(x) l(x) Da er h differentiabel, og h(a) h(b) 0 Det betyder, at der findes et c (a, b), så h (c) 0, og vi har så, at f (c) h (c) + l (c) Opgave 1 Lad I R være et åbent interval og lad f : I R n være C 1 Definer g : I I R n ved { f(x) f(y) x y, x y, g(x, y) f (x), x y Vis at g er kontinuert, og at g er kontinuert differentiabel i I I \ {(x, x) x I} Vis ydermere, at hvis f er to gange differentiabel i et punkt x 0 I, da er g differentiabel i (x 0, x 0 ) Bevis for (a) Vi starter med at vise kontinuitet af hver koordinat g i, 1 i n Lad (x 0, y 0 ) I I Hvis x 0 y 0, findes en lille omegn omkring (x 0, y 0 ), hvorpå g i (x, y) f i(x) f i (y), x y og kontinuitet følger af kontinuiteten af f i Antag derfor at y 0 x 0, og lad os vise, at f i er kontinuert i (x 0, x 0 ) Lad ε > 0 være givet, og vælg δ > 0, så f i (x) f i (y) < ε for x y < δ δ Lad nu (x, y) B((x 0, x 0 ), 2 ) og antag, at x y Hvis x y har vi x x 0 < δ og g i (x, y) g i (x 0, x 0 ) f i(x) f i(x 0 ) < ε For x y, kan vi ifølge Sætning 1 ovenfor vælge et c (y, x) så f i (c) g i(x, y) Som ovenfor er c x 0 < δ, så hvilket viser kontinuitet g i (x, y) g i (x 0, x 0 ) f i(c) f i(x 0 ) < ε, Bevis Lad os give et nyt bevis for kontinuitet, der er lettere at generalisere At g er kontinuert differentiabel væk fra diagonalen i I I følger af differentiabilitetssætningen, da vi ser, at de partielle afledede g x (x, y) f (x) x y + f(x) (x y) 2, g y (x, y) f (y) x y f(y) (x y) 2 er kontinuerte Specielt er g også kontinuert væk fra diagonalen Lad os nu se, hvorfor g er kontinuert på diagonalen Definer ψ : I R n ved ψ(x) f(x) xf (x 0 ) med henblik på at beskæftige os med den afledede af ψ, som her blot er ψ (x) f (x) f (x 0 ) Lad ε > 0 og x 0 I Da f er C 1, er f kontinuert, så der findes δ > 0, så Jψ z ψ (z) f (z) f (x 0 ) < ε for alle z B(x 0, δ) Lad (x, y) B((x 0, x 0 ), δ) Da er specielt [x, y] B(x 0, δ) Hvis x y, er nu g(x, y) g(x 0, x 0 ) f (x) f (x 0 ) < ε Hvis x y følger af middelværdisætningen (fra noterne), at f(x) f(y) (x y)f (x 0 ) ψ(x) ψ(y) x y sup Jψ z x y ε, z [x,y]

4 GEOMETRI-TØ, UGE 6 og ved division med x y får vi g(x, y) g(x 0, x 0 ) f(x) f(y) x y f (x 0 ) ε som ønsket Antag nu, at f er to gange differentiabel i x 0 Vi påstår nu, at differentialet af g i x 0 er den lineære afbildning R 2 R, givet i standardbasen ved matricen Jg x0 1 1 1 2 f (1) (x 0 ) 1 1 Specielt skal i så fald gælde, at Jg x0 ((x, y) (x 0, x 0 )) 1 2 f (x 0 )(x + y 2x 0 ) For at vise, at g er gange differentiabel i x 0, følger vi vinket på ugeseddelen og betragter ϕ : I R n givet ved ϕ(x) f(x) xf (x 0 ) 1 2 (x x 0) 2 f (x 0 ) Lad ε > 0 være givet, og vælg δ, så der gælder Jϕ z 2 z x 0 2 f (z) f (x 0 ) (z x 0 )f (x 0 ) < ε z x 0 for z B(x 0, δ) Dette er muligt, da f er differentiabel i x 0 Lad (x, y) B((x 0, x 0 ), δ) med (x, y) (x 0, x 0 ) Hvis x y har vi nu g(x, y) g(x 0, x 0 ) 1 2 f (x 0 )(x + y 2x 0 ) For x y får vi som ovenfor, at f (x) f (x 0 ) f (x 0 )(x x 0 ) 2 x x0 ϕ(x) ϕ(y) f(x) f(y) f (x 0 )(x y) 1 2 f (x 0 )((x x 0 ) 2 (y y 0 ) 2 ) g(x, y)(x y) f (x 0 )(x y) 1 2 f (x 0 )(x 2 y 2 2x 0 (x y)) < ε g(x, y)(x y) f (x 0 )(x y) 1 2 f (x 0 )(x + y 2x 0 )(x y) Bemærk nu, at der for alle z mellem x og y gælder, at z x 0 x x 0 + y x 0 1 2 Alt i alt får vi altså ved at bruge middelværdisætningen på ϕ, at g(x, y) g(x 0, x 0 ) 1 2 f (x 0 )(x + y 2x 0 ) 1 ϕ(x) ϕ(y) x y sup z [x,y] Jϕ z Jϕ z 2 sup z [x,y] z z 0 ε Vi konkluderer, at g er differentiabel i x 0 med differential givet i (1) Opgave 2 Lad Q R være mængden af rationelle tal Beregn randen Q Løsning Pr definition er Q Q \ int(q), hvor Q R \ int(r \ Q) Husk desuden, at et punkt x A kaldes indre, hvis der findes en åben omegn U A om x Specielt finder vi her, at int(r \ Q) (da en hvilken som helst kugle om et irrationalt tal indeholder rationale tal), at int(q) (da en hvilken som helst kugle om de rationale tal indeholder irrationale tal), at Q R, og dermed at Q R

GEOMETRI-TØ, UGE 6 5 [S], Opgave 593 En afbildning mellem to topologiske rum, f : X Y, kaldes kontinuert i x X, såfremt f 1 (V ) er en omegn af x for enhver omegn V af f(x) Vis at dette stemmer overens med begrebet for metriske rum Vis ydermere, at f er kontinuert, hvis og kun hvis den er kontinuert i alle punkter x X Bevis Antag først, at f er kontinuert i x i den topologiske forstand og lad ε > 0 Pr antagelse er f 1 (B(f(x), ε)) en omegn af x, så der findes et δ > 0, så B(x, δ) f 1 (B(f(x), ε)) Her står med andre ord, at hvis der om et y X gælder, at d(x, y) < δ, så er f(y) B(f(x), ε), så d(f(x), f(y)) < ε Antag nu omvendt, at f er kontinuert i forstanden fra metriske rum og lad V være en omegn af f(x) Det vil sige, at der findes et ε > 0, så B(f(x), ε) V Pr antagelse findes da et δ > 0, så B(x, δ) f 1 (B(f(x), ε)) f 1 (V ), men her står, at f 1 (V ) er en omegn af x Antag nu, at f : X Y er en kontinuert funktion, lad x X, og lad V være en omegn af f(x) Da findes en åben mængde U med f(x) U V, og vi har, at x f 1 (U) f 1 (V ) Da f er kontinuert, er f 1 (U) er åben, og det følger, at f 1 (V ) er en omegn af x Antag nu omvendt, at f er kontinuert i alle punkter x X, og lad V være en åben mængde i Y Hvis f 1 (V ) er tom, er den åben, og vi er færdige Hvis ikke, vælges for alle punkter x f 1 (V ) en åben mængde U x, så x U x f 1 (V ) Dette er muligt, da der for sådanne x gælder, at V er en åben omegn af f(x), så f 1 (V ) er en omegn af x Det følger, at f 1 (V ) U x ; en forening af åbne mængder og dermed selv åben x f 1 (V ) [S], Opgave 594 Lad (R n, d) være euklidisk rum Find randen B(x, r), det indre int B(x, r) og afslutningen B(x, r), samt de samme størrelser for B(x, r) Løsning Da B(x, r) er åben, er int B(x, r) B(x, r) Vi finder, at et punkt y R n er indre i R n \ B(x, r), hvis og kun hvis d(x, y) > r: Hvis d(x, y) > r, er B(y, r d(x, y)) R n \ B(x, r), så y er indre i mængden, men hvis d(x, y) r, vil en hvilken som helst kugle B(y, s) om y indeholde punkter fra B(x, r), tag feks punktet y + (x y) min(r,s) 2d(x,y) Med andre ord er Vi finder, at int(r n \ B(x, r)) {y R n d(x, y) > r} B(x, r) R n \ int(r n \ B(x, r)) B(x, r), B(x, r) B(x, r) \ int B(x, r) {y R n d(x, y) r} Da afslutningen af en mængde er den mindste lukkede mængde, der indeholder mængden, og da B(x, r) er lukket, er B(x, r) B(x, r) Da kuglen er lukket, er dens komplement åbent, så int(r n \ B(x, r)) R n \ B(x, r) Som ovenfor kan vi finde, at int B(x, r) B(x, r), og at randen bliver B(x, r) B(x, r)