(dx)Теорема 3.42 (достаточное условие экстремума). Пусть f определена и имеет все частные производные второго порядка в окрестности точки x0. Пусть, кроме того, grad f(x0) = 0. Тогда в этой точке:
(a) строгий минимум, если D2(f; x0, t) положительно определена, (b) строгий максимум, если D2(f; x0, t) отрицательно определена, (c) не имеет экстремума, если D2(f; x0, t) не определена.
Следствие 3.6. Пусть f = f(x, y), a = fxx(x0, y0), b = fxy(x0, y0), c = fyy(x0, y0).
Тогда если a > 0 и ac - b2 > 0, то (x0, y0) Ч точка строгого минимума, если a < 0 и ac - b2 > 0, то (x0, y0) Ч точка строгого максимума, и если ac - b2 < 0, то экстремума нет.
3.7 Неявные функции 3.7.1 основные теоремы о неявных функциях Определение неявной функции y(x) с помощью уравнения F (x, y) = 0.
Теорема 3.43 (о неявной функции). Пусть F (x, y) определена в окрестности U точки P0 = (x0, y0) и 1) F (P0) = 0 ;
2) F (x, y) непрерывна на U ;
3) существует производная Fy(x, y) на U, Fy(P0) = 0, Fy(x, y) непрерывна в точке P0.
3.7. НЕЯВНЫЕ ФУНКЦИИ Тогда существуют, > 0 такие, что в прямоугольнике |x - x0|, |y - y0| уравнение F (x, y) = 0 задает функцию y = f(x) для всех x [x0 -, x0 + ], причем функция f(x) непрерывна на своей области определения.
Теорема 3.44. Пусть F (x, y) определена в окрестности U точки P0 = (x0, y0) и выполнены следующие условия 1) F (P0) = 0 ;
2) F (x, y) непрерывна на U ;
3) существует производная Fy(x, y) на U, Fy(P0) = 0, Fy(x, y) непрерывна в точке P0 ;
4) существует производная Fx(x, y) на U, Fx(x, y) непрерывна в точке P0.
Тогда заданная уравнением F (x, y) = 0 функция y = f(x) дифференцируема в точке x0, причем:
Fx(x0, y0) f (x0) = -.
Fy(x0, y0) Если, кроме того, производные Fx, Fy непрерывны на U, то и f (x) существует и непрерывна на dom f.
[пример вычисления угла наклона касательной к эллипсу двумя способами:
параметрическим и через неявную функцию] Теорема 3.45 (о неявной функции нескольких переменных). Пусть F (x, y), x Rn, y R, определена в окрестности U точки P0 = (x0, y0) и 1) F (P0) = 0 ;
2) F (x, y) непрерывна на U ;
3) существует производная Fy(x, y) на U, Fy(P0) = 0, Fy(x, y) непрерывна в точке P0.
Тогда существуют, > 0 такие, что в цилиндре |x - x0|, |y - y0| уравнение F (x, y) = 0 задает функцию y = f(x) для всех x B(x0, ), причем функция f(x) непрерывна.
Если, кроме того, выполнено условие 4) существуют производные Fx (x, y) на U, Fx (x, y) непрерывны в точке P0, i i то существуют частные производные fx (x0), причем i Fx (x0, y0) i fx (x0) = -. (3.5) i Fy(x0, y0) Если же производные Fx, Fy непрерывны на U, то существуют и непреi рывны на dom f производные fx.
i й Н. И. Казимиров 38 ГЛАВА 3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ Теорема 3.46. Пусть F (x, y), x Rn, y R, дифференцируема на области U Rn+1, и Fy(x, y) = 0 на этом множестве. Тогда уравнение F (x, y) = 0 задает функцию y = f(x). При этом f дифференцируема на dom f, а ее частные производные выражаются соотношениями (3.5).
3.7.2 вектор-функции нескольких переменных Рассматривается вектор-функция 1(x1,..., xn).
.
(x) =,.
k(x1,..., xn) d(x) ее производная (матрица Якоби, матрица частных производных - (3.4)):.
dx Теорема 3.47. Пусть (x) : Rn Rk, (y) : Rk Rm, обе функции дифференци руемы. Тогда суперпозиция (x) = ((x)) также дифференцируема и d d(y) d(x) (x) = dx dy dx ( матричное произведение ).
Следствие 3.7 (якобиан сложной функции). Пусть,, Ч функции из теоремы, и n = k = m. Тогда d (x) d(y) d(x) =.
dx dy dx Следствие 3.8. Пусть : A B (A, B Rn) Ч биекция, причем (x) и (y) = = ()-1(y) дифференцируемы. Тогда d(x) d(y) = En, dx dy где y = (x), En Ч единичная матрица размерности n n.
Определение. Дифференцируемые на области G Rn функции 1(x),..., m(x) называются зависимыми на G, если для некоторого k существует дифференцируемая на Rm-1 функция такая, что k(x) = (1(x),..., k-1(x), k+1(x),..., m(x)), x G.
Теорема 3.48. Пусть (x) = (1(x),..., m(x)) и функции 1,..., m зависимы на d(x) области G, m n. Тогда ранг матрицы частных производных меньше dx m.
3.8. УСЛОВНЫЙ ЭКСТРЕМУМ Следствие 3.9. Если 1,..., n зависимы на области G, то якобиан тожде ственно равен нулю на G.
Следствие 3.10. Если якобиан отличен от нуля в некоторой точке области G, то функции 1,..., n независимы на G.
Теорема 3.49 (о неявной вектор-функции нескольких переменных). Пусть функция F (x, y) = (F1(x, y),..., Fm(x, y)) определена на области U Rn Rm, x Rn, y Rm. Пусть, кроме того, 1) F (x, y) дифференцируема на U ;
F (x, y) 2) якобиан отличен от нуля на области U.
y Тогда уравнение F (x, y) = 0 задает дифференцируемую вектор-функцию y = = f(x). При этом имеет место матричное равенство:
- df(x) F (x, f(x)) F (x, f(x)) = -.
dx y x 3.8 Условный экстремум Определение условного экстремума функции f(x) при условиях (x) = 0. x Ч вектор из Rn, (x) = (1(x),..., m(x)), m < n. Обозначим x = (x1,..., xn-m); x = (xn-m+1,..., xn).
При этом мы пишем, что x = x x.
Теорема 3.50. Пусть условия (x) = 0 в окрестности точки x0 задают един ственным образом зависимость x = (x). Пусть g(x) = f(x (x)). Тогда x0 Ч точка условного максимума (минимума) при условии (x) = 0 функции f тогда и только тогда, когда x0 Ч точка максимума (минимума) функции g.
T Определение. Функция L(x, ) = f(x) + (x), Rm, называется функцией Лагранжа, Ч вектор параметров.
Упражнение. Пусть A, B, C, D Ч матрицы размерностей, соответственно, k l, k t, l p, t p. Тогда C (A B) = AC + BD.
D Теорема 3.51 (необходимое условие условного экстремума). Пусть функция f определена и дифференцируема в окрестности U(x0), и ее производные непрерывны в точке x0. Пусть также на U(x0) существует и непрерывна матрица й Н. И. Казимиров 40 ГЛАВА 3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ частных производных, причем в точке x0 якобиан отличен от ну x x ля. Пусть x0 Ч точка условного экстремума f при условии (x) = 0. Тогда L существует единственный такой, что (x0, ) = 0.
x (x0) Доказательство. Из условия = 0 легко получить, что существует един x ственный вектор такой, что L(x0, ) f(x0) (x0) T = + = 0. (3.6) x x x L(x0, ) Осталось показать, что = 0 при найденном.
x По теореме 3.49 о неявной вектор-функции нескольких переменных в неко торой окрестности точки x0 существует единственное решение x = (x) урав нения (x) = 0. При этом:
- d(x0) (x0) (x0) = -. (3.7) dx x x По теореме 3.50 и следствию 3.5 получаем, что grad g(x0) = 0, где g(x) = = f(x (x)). Отсюда и из (3.6), (3.7) следует, что En-m f(x0) f(x0) d(x0) dg(x0) df(x0) 0 = = + = d(x0) = dx dx x x dx dx -f(x0) (x0) (x0) (x0) f(x0) (x0) L(x0, ) T T = + = + =.
x x x x x x x Теорема доказана.
Упражнение. Пусть матрица A имеет размерность mn, m n, rang A = m.
Тогда для любого z Kern A существует единственный вектор k Rm такой, T что z = A k.
Теорема 3.52. Пусть матрица A имеет размерность mn, m n, rang A = m, z Kern A и |z| 0. Тогда | A z| |z|.
T Доказательство. Квадратная матрица A A размерности m m невырождеT T на, поэтому квадратичная форма t A A t положительно определена (поскольT T T ку t A A t = | A t|2 ). Пусть S s > 0 Ч точные границы значений функции T T H(t) = t A A t на единичной сфере. Тогда T T T T |z|2 = k A A k = |k|2t A A t [s|k|2; S|k|2], Kern A = {y| A y = 0} Ч ядро линейного оператора с матрицей A.
3.8. УСЛОВНЫЙ ЭКСТРЕМУМ T где t = k/|k|, k находится из уравнения z = A k. Аналогично, T T T | A z|2 = k A A A A k [s1|k|2; S1|k|2], T T T где S1 s1 > 0 Ч точные границы значений H1(t) = t A A A A t на единичной сфере. Отсюда следует, что |z|2 | A z|2.
Обозначим E = {x| (x) = 0}.
Теорема 3.53 (достаточное условие условного экстремума). Пусть f и опре делены и дважды дифференцируемы в окрестности точки x0 E. Пусть, кроме того, grad L(x0, ) = 0 при некотором, и для всех векторов y, удовлетворяющих равенству d(x0) y = 0, (3.8) dx d2L(x0, ) T квадратичная форма y y :
(dx)(a) положительна, тогда x0 Ч точка условного минимума f(x) при условии (x) = 0 ;
(b) отрицательна, тогда x0 Ч точка условного максимума f(x) при условии (x) = 0.
d(x0) Доказательство. Предположим, что M = = 0. Тогда условия (a) и (b) dx являются достаточными условиями экстремума функции L(x, ) в точке x0 по теореме 3.42. Но для всех x E имеем f(x) = L(x, ), поэтому x0 будет точкой условного экстремума для f(x) при условии (x) = 0.
Пусть теперь M = 0. Будем считать, что ранг этой матрицы равен m. Если это не так, то в исходной задаче рассмотрим только те k условий j (x) = = = j (x) = 0, для которых векторы grad j (x0),..., grad j (x0) линейно k 1 k независимы, поскольку если x0 Ч точка условного экстремума f(x) при данных k условиях, то x0 будет точкой экстремума и при всех m условиях.
Пусть x = x - x0. Обозначим через y проекцию x на пространство Kern M. Тогда y - x ортогонально этому пространству, и, по теореме 3.52, |y - x| | M(y - x)| (3.9) при x 0. По формуле Тейлора для x E имеем 0 = (x) - (x0) = M x + o(|x|) (3.10) при x 0. Поскольку y удовлетворяет уравнению (3.8), из (3.10) и (3.9) получаем, что |y - x| | M(y - x)| = o(|x|), последнее слагаемое cуть вектор, каждая компонента которого есть o(|x|).
й Н. И. Казимиров 42 ГЛАВА 3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ следовательно, x = y +, где i = o(|x|), i = 1, n.
Для x E по формуле Тейлора получаем, что f(x) - f(x0) = L(x, ) - L(x0, ) = (3.11) = grad L(x0, )x + D2(L; x0, x) + o(|x|2) при x x0. По условию теоремы grad L(x0, ) = 0. Кроме того, d2L(x0, ) d2L(x0, ) T T D2(L; x0, x) = (x) x = (y + ) (y + ) = (dx)2 (dx)d2L(x0, ) d2L(x0, ) d2L(x0, ) T T T = y y + 2y + = (dx)2 (dx)2 (dx) d2L(x0, ) d2L(x0, ) T T = |y|2t t + o(|y|2) = |x|2 t t + o(1), (dx)2 (dx)где t = y/|y|. Очевидно, что t удовлетворяет уравнению (3.8), поэтому функция d2L(x0,) T H(t) = t t сохраняет знак при выполнении условия (a) или условия (b).
(dx)В силу непрерывности H(t) на замкнутом ограниченном множестве {t| M t = = 0, |t| = 1} из полученных соотношений и формулы (3.11) получаем, что знак разности f(x) - f(x0) в достаточно малой окрестности x0 при x E совпадает со знаком H(t). Теорема доказана.
Пример. Пусть f(x) = x1 xn при условии x1 + x2 + + xn = 1. Для поиска условного экстремума находим grad L(x, ) = (f(x)/x1 +,..., f(x)/xn + ) = 0, откуда x0 = = x0 = = 1/n. Условие (3.8) равносильно y1 + + yn = 0.
1 n Далее, 0 n-n+2... n-n+ d2L(x0, ) n-n+2 0... n-n+T T y y = y y = -|y|2n-n+2 < 0.
(dx)...................
n-n+2 n-n+2... Поэтому f(x) достигает максимума в точке x1 = = xn = 1/n. Отсюда сле дует, что x1 xn (1/n)n и для любых yi 0, полагая xi = yi/ yi, легко i получаем, что n y1 yn (y1 + + yn)/n.
3.9 Вопросы для коллоквиума 1) Производная произведения, частного, обратной функции.
3.9. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОЛЛОКВИУМА 2) Формула Лейбница.
3) Теорема о конечном приращении.
4) Правило Лопиталя.
5) Формула Тейлора и разложения exp, sin, cos, ln.
6) Достаточное условие экстремума (о смене знака производной).
7) Достаточное условие экстремума ( n -ая производная).
8) Неравенство КошиЧБуняковского для скалярного произведения.
9) Неравенство Минковского.
10) Путь, обратный путь, склейка путей.
11) Диффеоморфизм, кривая.
12) Производная параметризованной кривой dy(t)/dx(t).
13) Частные производные, градиент.
14) Производная по направлению.
15) Дифференциал вектор-функции нескольких переменных, якобиан.
16) Биномиальная формула для dnf(x, y) ( x, y R ).
17) Формула Тейлора для функции нескольких переменных.
18) Критерий Сильвестра.
19) Достаточное условие экстремума функции нескольких переменных.
20) Производная неявной функции.
21) Условный экстремум.
й Н. И. Казимиров Глава Интегральное исчисление 4.1 Неопределенный интеграл 4.1.1 определение и свойства первообразной Определение. Промежутком мы будем называть любое множество X R, удовлетворяющее для некотрых a, b [R], a < b, неравенствам: (a; b) X [a; b]. То есть промежуток Ч это интервал, либо интервал с одной или обеими границами.
Определение. Пусть действительная функция f определена на промежутке. Если существует такая функция F, определенная на, что F = f на, то F называется первообразной функции f.
Теорема 4.1. 1. Если F Ч первообразная для f, то для любой C R функция F + C также является первообразной для f.
2. Если F1 и F2 Ч первообразные для f, то F1 - F2 = const.
Определение. Множество {F + C}CR всех первообразных функции f называется неопределенным интегралом функции f и обозначается f(x)dx или fdx.
Здесь f называется подынтегральной функией, а fdx Ч подынтегральным выражением.
Свойства неопределенного интеграла.
1 ) d fdx = fdx ; dF = F + C Замечание. Под дифференциалом интеграла понимается дифференциал любого элемента семейства первообразных.
2 ) (f + g)dx = fdx + gdx 3 ) если постоянная k = 0, то kfdx = k fdx 4.1. НЕОПРЕДЕЛЕННЫЙ ИНТЕГРАЛ Таблица интегралов x+1. xdx = + C, = -1.
+ dx 2. = ln |x| + C.
x ax 3. axdx = + C, a > 0, a = 1 ; exdx = ex + C.
ln a dx 4. = arctg x + C.
1+x dx 5. = arcsin x + C.
1-x 6. sin xdx = - cos x + C.
7. cos xdx = sin x + C.
dx 8. = tg x + C.
cos2 x dx 9. = - ctg x + C.
sin2 x dx 1 x 10. = arctg + C.
x2+a2 a a dx x 11. = arcsin + C.
a a2-x dx 12. = ln(x + a2 + x2) + C.
a2+x 13. sh xdx = ch x + C.
14. ch xdx = sh xdx.
dx 15. = - cth x + C.
sh2 x dx 16. = th x + C.
ch2 x Замена переменной (независимость формы интеграла):
dx f(g(t))g (t)dt = F (g(t)) + C f(x)dx = f(x) dt, dt где F Ч первообразная для f, а функция g диффренцируема.
Интегрирование по частям:
udv = uv - vdu; uv dx = uv - u vdx.
Pages: | 1 | ... | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ... | 11 | Книги по разным темам