• Tidak ada hasil yang ditemukan

IN minimal astfel ca

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2019

Membagikan "IN minimal astfel ca"

Copied!
13
0
0

Teks penuh

(1)

Capitolul 4

FORMULA LUI TAYLOR. EXTREME

Exemplul 1. Sã se dezvolte polinomul f(x,y,z) = x3+y3+xyzz2+xy+xz+1

dupã puterile lui x1, y+1 ºi z1.

Rezolvare. Vom folosi dezvoltarea Taylor a funcþiei f în jurul punctului a=(1, 1,1) IR3. Cum f este un polinom de gradul al treilea d4f=0, deci R3(x,y,z)=0 ºi formula lui Taylor este:

)

Exemplul 2. Folosind formula lui Taylor de ordinul al treilea sã se calculeze

valoarea aproximativã a numãrului (0,9)2,1.

Rezolvare. Ne intereseazã valoarea funcþiei f(x,y)=xy în punctul (x,y)=(0,9;

2,1); vom alege drept punct (a,b) în jurul cãruia vom dezvolta funcþia f unul în care

putem calcula exact funcþia f ºi derivatele sale parþiale ºi, totodatã, cât mai apropiat

de (x,y). Fie deci (a,b)=(1,2). Atunci:

(2)

remarcãm cã aproximarea de ordinul 0 este (0,9)2,1T0(x,y)=1, iar cea de

ordinul al doilea este (0,9)2,1T1(x,y)=0,8. În nici unul din aceste cazuri nu avem o estimare a erorii comise. Dacã dorim sã calculãm o expresie cu o precizie prestabilitã

 trebuie sã gãsim un nIN astfel ca 

aproximarea de ordinul întâi:

(3)

Exemplul 4. Sã determinãm extremele locale ale funcþiei f : IR2IR,

13 y 2 2 y 3 y x 2 2 x 3 3 x ) y , x ( f

2 3 2

3

     

 . Cum fC2(IR2) rezultã cã putem determina

toate punctele de extrem prin metoda descrisã:

Pasul 1. Determinãm punctele staþionare din sistemul:

   

   

   

0 2 y y ) y , x ( ` f

0 2 x 3 x ) y , x ( ` f

2 y

2 2 x

,

deci punctele (1,1), (1,-2), (2,1) ºi (2,-2) sunt conform teoremei lui Fermat posibile puncte de extrem.

Pasul 2. Studiem natura punctelor staþionare folosind criteriul lui Sylvester. Hessiana funcþiei f în punctul curent este :

Hf(x,y)= 

  

 

 

1 y 2 0

0 3 x 2

, iar 1(x,y)=2x3, 2(x,y)=(2x3)(2y1).

În (1,1), 1=1 ºi 2=1, deci acest punct nu este punct de extrem pentru f. În punctul (1, 2), 1 = 1 < 0, 2 = 5 > 0, deci (1,-2) este un maxim local ºi fmax=f(1, 2)=79/6.

Deoarece 1(2,1) = 1, 2(2,1) = 1 > 0 rezultã cã (2,1) este un punct de minim local pentru f ºi fmin=23/2.

În sfarºit, în (2, 2) avem 1= 1<0, 2= 5<0, deci punctul (2, 2) nu este un extrem al funcþiei f.

Observaþie. Dacã într-un punct staþionar a al funcþiei f diferenþiala a doua se

anuleazã ºi f este de clasã Cn, n3 atunci folosim o dezvoltare de ordin superior în

formula lui Taylor; dacã primele derivate parþiale nenule sunt de ordin impar, atunci

punctul staþionar nu este extrem pentru f.

Exemplul 5. Sã se determine extremele locale ale funcþiei f : IR3 IR,

f(x,y,z)=x4+y4+z4- 4xyz.

Rezolvare. Determinãm mai întâi punctele staþionare rezolvând sistemul:

    

  

  

  

0 ) xy z ( 4 ) z , y , x ( ` f

0 ) zx y ( 4 ) z , y , x ( ` f

0 ) yz x ( 4 ) z , y , x ( ` f

3 z

3 y

3 x

Deci punctele (0,0,0), (1,1,1), (1,-1,-1), (-1,1,-1), (-1,-1,1) sunt posibile puncte de extrem. Hessiana funcþei f în punctul curent este:

Hf(x,y,z)=4

  

 

  

 

 

 

 

2 2 2

z 3 x y

x y

3 z

y z x

3

.

(a). Deoarece Hf(0,0,0) este matricea nulã, d2(0.0.0)f=0. Vom studia semnul diferenþialei de ordinul trei în (0,0,0). Cum d2f 4

3

x2dxy2dyz2dz

2

zdxdy



zdxdy ydxdz

(4)

24dxdydz, adicã d3(0,0,0)f(x,y,z) = 24xyz, care este o formã ternarã ce îºi schimbã

semnul în orice vecinãtate a originii; prin urmare (0,0,0) nu este un punct de extrem

pentru f.

(b). Deoarece Hf(1,1,1)=4

(c). Deoarece f(x,y,z)=f(y,z,x)=f(z,x,y), pentru a studia natura punctelor staþionare rãmase este suficient sã analizãm natura punctului (1,-1,-1). Cum

Exemplul 6. Dintre toate paralelipipedele drepte pentru care suma lungimilor laturilor este egalã cu a>0 sã se determine cel al cãrui volum e maxim.

Rezolvare. Fie x,y,z lungimile laturilor unui asemenea paralelipiped; atunci volumul sãu este :

Deci singurul punct staþionar este 

(5)

continuã pe un compact rezultã cã ea este mãrginitã ºi îºi atinge marginile. Pe

interiorul lui B , adicã pe B am vãzut cã existã un singur extrem:

    

3 a , 3 a

.

mâne sã determinãm extremele pe frontierã. Pe segmentul OC avem y=0

ºi x[0,a], deci funcþia h(x)= g(x,0) = 0 este constantã; analog pe OD; pe CD avem

x+y=a, x[0,a] ºi k(x)=g(x,a-x)=0. Prin urmare imaginea funcþiei g este Im g=g(B )=

    

27 a , 0

3

ºi maximul ei absolut este atins în interior; deci 

    

3 a , 3 a

este un

maxim absolut pentru f, iar 

  

 

3 a , 3 a , 3 a

este un maxim absolut pentru V. În consecinþã,

parealelipipedul cãutat este cubul de laturã

3 a

.

Observaþie. Dacã f : A IRp IR este o funcþie continuã ºi A este o mulþime

compactã, atunci extremele sale absolute se determinã astfel: (a) determinãm extremele locale pe Å,

(b) determinãm extremele locale pe frontiera Fr A;

atunci maximul absolut e cel mai mare maxim local, iar minimul global este cel mai mic minim local (dintre cele determinate la (a) ºi (b)). Pentru funcþiile de douã

variabile problema determinãrii extremelor pe frontierã se reduce, ca în exemplul

precedent, la determinarea extremelor unor funcþii de o singurã variabilã. În cazul

funcþiilor de trei variabile determinarea extremelor pe frontierã revine la studiul

extremelor unor funcþii de douã variabile, º.a.m.d. Ne vom ocupa de aceastã

problemã în secþiunea consacratã extremelor cu legãturi.

Exemplul 7. Determinaþi extremele absolute ale funcþiei f(x,y) = xy pe domeniul triunghiular de vârfuri O(0,0), A(1,0), B(0,2).

Rezolvare. Domeniul de definiþie al funcþiei f este D={(x,y) IR2 | x,y  0, x + y / 2 1}.

1. Pe interiorul mulþimii D, deci pe 

D ={(x,y)|x,y > 0, 2x + y <2} sistemul: 0

y

x

C(a,0) B

D(0,a)

D

0 y

x

(6)

 extreme locale.

2. Pe frontiera Fr D=OABO considerãm cazurile:

2.1. Pe segmentul [OA] avem y = 0 ºi x[0,1]. Funcþia g(x) = f(x,0) = 0 este

(7)

urmare ecuaþia datã determinã unic funcþia zz

 

x,y într-o vecinãtate a unui punct

a,b,c

 IR3, cu c0, care verificã aceastã ecuaþie. Vom determina

a,b,c

, c0 astfel

ca funcþia implicitã z z(x,y) sã admitã punctul (a,b) ca punct staþionar din sistemul

f(x,y,z)0, f

x,y,z

4x

x2 y2 z2

2x 0

x      , f

x,y,z

4y

x y z

0 2 2 2

y     ;

obþinem xy0 ºi z1. Conform teoremei funcþiilor implicite existã douã funcþii

 

U C z ,

z1 2 2 , unde UV 0,0 care admit punctul (0,0) ca punct staþionar, iar

 

0,0 1

z1  ºi z2

 

0,0 1. Dar

f

x



2(x,y,z) 4(x

2+y2+z2)+8x2+2,

xy

f



(x,y,z) 8xy ºi

f

y



2(x,y,z) 4(x

2+y2+ z2)+8y2, Iar

f

x



2(0,0,1)  6,

f

xy



(0,0,1)  0, f 2

0,0, 1

4

y   ºi

f

z



(0,0,1) 6. Aºadar hessiana funcþiei z1 este

 

  

  

  

3 2 0

0 1 0

, 0 H

1

z ,

1 1 

 ºi

3 2 2 

 , deci funcþia z1 are un maxim local în (0,0) ºi z1 max  z1(0,0)1. Analog

 

       

3 2 0

0 1 0 , 0 H

2

z ,

iar 1 10, 0 3 2 2  

 ; prin urmare funcþia z2 are un minim local în origine ºi z2 min

 z2(0,0)1.

Exemplul 9. Sã se determine imaginea funcþiei

f : A={(x,y)

2

|

x2 + y2 1} ,f

 

x,y xy13

Rezolvare. Funcþia f este continuã pe compactul A IR2; prin urmare

imaginea f(A) este compactã în IR (teorema 15, cap.1) ºi f îºi atinge marginile

(teorema 16, cap.1). Rãmâne sã determinãm aceste margini. Cum f' 1 0,

x   pe interiorul A 

(x,y) |(x2 y2 1

nu existã puncte sta

þionare, deci nici extreme (teorema lui Fermat); prin urmare extremele sunt atinse pe frontiera mulþimii A, FrA = {(x,y)  IR2| x2+ y2 = 1}, ceea ce înseamnã cã trebuie sã determinãm

extremele funcþiei f cu legãtura x2 y2 10. Fie  IR multiplicatorul lui

Lagrange; funcþia lui Lagrange este:

x,y,

x y 13

x y 1

L 2 2 ,

iar sistemul *** este format din ecuaþiile: 0

x 2 1

Lx     , Ly 12y0, L x2y210

 ,

deci

  

2 1

x ,

  

2 1

y ºi 1

4 1 2 2

 . Pentru 2

1

 avem x=

2 1 y , 2

1

 ºi

pentru

2 1

 

 obþinem

2 1 x ºi

2 1

(8)

doilea a funcþiei F

  

x,y L x,y,

unde  este constantã ( Prin diferenþierea legãturilor avem

(9)

Exemplul 11. Sã se determine distanþa de la sfera de ecuaþie S : x2 + y2 +

+ z2 = 1 la dreapta de ecuaþii D : y = x, z = x +2.

Rezolvare. Distanþa de la un punct M (x, y, z)  S la un punct P( u, v, w) D defineºte o funcþie de ºase variabile:

d (P, M) = g (x, y, z, u, v, w) =

xu

 

2 yv

 

2  zw

2 (1) Problema noastrã constã în determinarea minimului absolut al funcþiei g cu legãturile:

x2 + y2 + z2– 1 + 0; v – u = 0 ºi w – u – 2 = 0 (2) Deoarece funcþia lui Lagrange asociatã are nouã variabile (cele ºase ale

funcþiei g plus trei multiplicatori) iar derivatele sunt complicate, vom încerca sã

simplificãm problema. Sã constatãm întâi cã punctul de minim al funcþiei g coincide

cu cel al funcþiei:

f (x, y, z, u) = (x - u)2 + (y - u)2 + (z – u - 2)2 (3) cu singura legãturã

x2 + y2 + z2 – 1 = 0. (4)

Funcþia lui Lagrange este în acest caz:

L (x, y, z, u, ) = (x - u)2 + (y - v)2 + (z – u - 2)2 + (x2 + y2 + z2 - 1) (5) Sã determinãm punctele staþionare pentru L din:

L’x = 2 [( + 1)x - u] = 0, L’y = 2[( + 1)y - u] = 0, L’z = 2[( + 1)z – u - 2] = 0, L’u = 2(x + y + z - 3u – 2) = 0 ºi L’ = x2 + y2 + z2– 1 = 0.

Rezolvând acest sistem obþinem:

3

2 2 1 ,

1 3

4 z

, ) 1 ( 3

2 y

x , 3 2

u  

   

    

 (6)

Diferenþiind legãtura (4), din (6) rezultã:

dx dy

2 1

dz  (7) Ne intereseazã doar minimul funcþiei auxiliare

F (x, y, z, u) = L (x, y, z, u, ) (8) unde  este o constantã. Diferenþiind obþinem succesiv:

dF = 2[(x-u)(dx-du) + (y-u)(dy-du) + (z-u-2)(dz-du) + (xdx+ydy+zdz)], d2F = 2[(dx-du)2 + (dy-du)2 + (dz-du)2 + (dx2+dy2+dz2)] =

= 2[(+1) (dx2+dy2+dz2)+3du2 -2du (dx + dy + dz)] ) 7 (

) 7

(2



 



du dy dx 3 du 3 dxdy 2 dy 5 dx 5 4

1 2 2 2 . (9)

Conform criteriului lui Sylvester, pentru ca forma pãtraticã (9) sã fie pozitiv definitã

este necesar ca 0

2 1 5

1 

  

 . Prin urmare din (6) obþinem:

3 2 u , 6 2 z , 6 1 y x , 3 2 2

1    

 (10)

Din punct de vedere geometric problema este unic determinatã; prin urmare distanþa

de la sfera S la dreapta D este, conform formulelor (10), (1) ºi (2):

2 2 3

3 5 3

4 , 3 2 , 3 2 , 6 2 , 6 1 , 6 1 d ) D , S (

d  

  

 

   

 

  

(10)

EXERCI

Þ

I

I PROPUSE

Exercþiul 1. Sã se dezvolte dupã puterile lui x + 1, y + 1, z 1 polinoamele

(a) f(x, y) = x3 + y3– 3 x y + 13

(b) f(x, y, z) = x3 + y3 - z3 + 3x2y – 3xy + z2– z + 22

spuns. (a) f (x, y) = 8 + 6(x + 1) + 6(y + 1) 3 (x + 1)2 3(y + 1)2 3(x +

+1)(y + 1) + (x +1)3 + (y + 1)3; (b) f(x, y, z) = 13 + 12(x + 1) + 15(y + 1) – 2 (z - 1) –

– 6(x + 1)2 – 3 (y + 1)2 – 2 (z - 1)2 – 9(x + 1)(y + 1) +(x + 1)3 + (y + 1)3 – (z - 1)3 + +6(x + 1)2(y + 1).

Exerciþiul 2. Sã se scrie polinomul Taylor de gradul al doilea pentru:

(a) f(x, y) = ln(x2 + x + y2) în punctul (0,1) (b) f(x,y,z) = ex arctg (y + z) în punctul (0,0,1)

spuns. (a) T2(x,y) =

2 1

x2 2xy y2 +3x 3; (b) T2 (x, y, z)= 8

x2 y2

–z2 +

2

1

xy +

2

1

xz – 2yz + x 2 1 4 

 

  

+

2

5

y+

2

5

z+ 4

-2

3

.

Exerciþiul 3.Folosind formula lui Taylor de ordinul al doilea sã se arate cã:

(a)

   

1,013  1,99 3 2,9851 (b) 1,033 0,98 1,0081 (c) (1,1)1,02 1,1021

Exerciþiul 4. Sã se determine E1 = (1,1)1,2 ºi E2 = (0,99)1,01 + (1,01)1,001 +

+(1,001)0,99ºi E3 = (1,01)0,99 + (0,99)0,999 + (0,999)1,01 cu trei zecimale exacte.

spuns. E 1 1,121; E2 3,001; E 3 2,999.

Exerciþiul 5. se determine extremele locale ale funcþiilor

(a) f(x,y) = x3– 3xy2 + x2– 2xy + 3y2 + 2y + 27 370 (b) f(x,y) = 2x3– y3 +(y-x)2

(c) f(x,y) = ex (cos y – x) + cos y (d) f(x,y,z) = x2 + y2 + z 2 xy + x 2z (e) f(x,y,z) = x 3 + y 2 + z2 + 12xy + 2z (f) f(x,y,z) = x +

y z x 4 y x

2 2 2

 

(g) f(x,y,z) =

y x

z x z

y z y

x

   

 , x,y,z >0

(h) f(x,y,z) = x3 + y3– z3 – x2y + 3z2 + 13

spuns. (a) f min= 13;

3 1 , 3 1

f 

  

 

(b) fmin= ;

27 2 12 17 3

2 2 , 3

1 2

f  

  

(11)

(c) fmax=f(0,2k)=2, k  Z; (d) fmin = ; 3 4 1 , 3 1 , 3 2

f 

  

 

(e) fmin = f(24, -144, -1) = -6913; (f) nu are extreme; (g) fmin=f(a,a,a) = ,a 0;

2 3

 (h) f min= f(0,0,0)=13, fmax = f(0,0,2) = 17.

Exerciþiul 6. Sã se determine punctele de extrem local ºi extremele locale

ale funcþiilor y = y(x) ºi x = x(y) definite implicit de ecuaþiile: (a) x3 + y3 3x2y 3 = 0

(b) ey + y = x2 +1

spuns. (a) y min = y1(0) =3 3 ; y max = y2 (-2) = -1; xmax = x1

 

3 3 33; xmax = x2(-1)=1; (b) ymin = y(0) = 0.

Exerciþiul 7. Sã se determine punctele de extrem local ºi extremele locale

ale functiilor implicite z = z(x,y) definite implicit de ecuaþiile (a) x2 + y2 + z2– 4 z = 0

(b) x2 + y2 + z2 xz yz + 2x + 2y + 2z + 2=0 (c) x2 + y2 + z3 + z = 0

spuns. (a) zmin=z1(0,0)=0, zmax=z2(0,0)=4; (b) zmin=z1

36,36

, 6 2 44

 z max = z2

6 3, 63

2 64;(c) z max = z (0,0) = 0.

Exerciþiul 8. Sã se studieze extremele locale ale funcþiilor de clasã C2

definite implicit de ecuaþia x22x + y2 + z + ez = 0.

spuns: zmax = z(1,0)=0; celelalte funcþii implicite definite de ecuaþie

(z = z(x,y), x = x(y,z), y = y(z,x)) nu admit extreme locale.

Exerciþiul 9. Sã se studieze extremele locale ale funcþiilor de clasã C2

definite implicit de ecuaþia:(x2+y2+z2)2= a2-x2-z2, aIR*.

spuns. Dintre funcþiile z = z(x,y), definite de ecuaþie, douã admit extreme:

zmin=z1(0,0)= 2

1 4a 1

, 2

1 2

zmax=z2(0,0)= 2

1 4a 1

2

1 2 ; analog, pentru

x = x(y,z), xmin= 2

1 4a 1

x

 

0,0, 2

1

1 2

 

xmax=x2(0,0)= 2

1 4a 1

; 2

1 2

dintre funcþiile y = y(x,z) douã admit extreme: ymin=y1(0,0)=a ºi ymax=y2(0,0)= a ,

pentru a (0,).

Exerciþiul 10. Sã se determine extremele cu legãturi ale funcþiei f:

(a) f(x,y) = xy, y=x

(b) f(x,y) = x2 + y2, 3x + 2y = 6 (c) f(x,y) = cos2 x + cos2 y, y = x +

4

(12)

spuns. (a) fmin = f(0,0)=0; (b) fmin = f

13 36

13 12 , 13 18

    

; (c) f

max = =

2 2 1 8 k , 8 k

f  

  

, fmin= ,

2 2 1 8 5 k , 8 3 k

f  

  

k 

Z.

Exerciþiul 11. Sã se determine extremele urmãtoarelor funcþii cu legãturile

specificate în dreptul lor:

(a) f(x,y,z) = x2y + z2 xy x y z 1, 2x y z = 0, x 2y + z =0. (b) f(x,y,z) = sin x sin y sin z, x+ y + z = ,

2

x,y,z  (0,).

(c) f (x,y,z) = xp + yp + zp, xp-1 + y p-1 + z p-1 = a p-1, a > 0, p  IN, p  2.

spuns. (a) fmin = f (1,1,1) = 1, fmax = f (-1, -1, -1) = -3; (b) fmax =

=f ;

8 1 6 , 6 ,

6 

 

  

(c) dacã p 2 IN,

1p 1p 1p

1p p p

min f 3 a ,3 a ,3 a 3 a

f        2 ; dacã p este

impar: fmax f

31pa ,31pa ,31pa

31pp2ap, fmin f

31pa ,31pa ,31pa

31pp2ap.

Exerciþiul 12. Sã se determine imaginile funcþiilor

(a) f : {(x,y)  IR2x2+y2 ≤ 1}  IR ,f(x,y)xy (b) f : {(x,y)  IR2|x|+|y|≤ 1}  IR ,f(x,y)x2y2

(c) f : {(x,y)  IR2 y ≤ 2x, x ≤ 3, y ≥ 0}{x,y) IR2-2 ≤ x ≤ 3, -3 ≤ y ≤

0} IR , f(x,y) = x3– 3x + y3– 12y.

spuns. (a)

  



2 1 , 2 1

; (b) [-1, 1]; (c) [ - 18, 162].

Exerciþiul 13. Sã se determine imaginile funcþiilor:

(a) f(x,y,z) = x + 3 y – 2 z, f : {(x,y,z)  IR3 |x2 + y2 + z2 14} IR

(b) f(x,y,z) = x2 y2 z2 , f : {(x,y,z)  IR3| x,y,z ≥ 0 , x + y + z ≤ 13} IR spuns. (a) [-14, 14]; (b) [0,13].

Exerciþiul 14. Sã se arate cã punctul din planul de ecuaþie x + y + z = a care

este cel mai apropiat de origine este 

  

 

3 a , 3 a , 3 a

.

Exerciþiul 15. Sã se determine distanþa de la planul de ecuaþie P : x+ y+ z= 6

la elipsoidul de ecuaþie E : 2z 1 2

y

x 2

2

2   .

spuns. d(P,E) =

14 1

3

3

.

Exerciþiul 16. Sã se calculeze aria elipsei de intersecþie a cilindrului de

ecuaþie 1

b y a x

2 2

2 2

(13)

spuns. A2 B2 C2

C ab

 

 .

Exerciþiul 17. Sã se arate cã dintre toate patrulaterele care pot fi construite

cu laturile de lungime datã, patrulaterul de arie maximã este inscriptibil.

Exerciþiul 18. O cisternã de forma unui paralelipiped drept deschis în partea

superioarã trebuie construitã din tablã cu aria 300 m2. Sã se determine dimensiunile

acestei cisterne astfel încât sã aibã capacitatea maximã. spuns: Vmax = V(10, 10, 5) = 500 m3.

Exerciþiul 19. Sã se determine imaginile funcþiilor z = z (x,y), definite implicit

de ecuaþia x4 + y4 + z4 = 13, unde z : {(x,y)  IR2x2+y2=1}  IR.

spuns. Ecuaþia defineºte douã funcþii z=z1(x,y) ºi z=z2(x,y);

   

   

  

 

 

2 5 , 3 2 z

Im , 3 2 , 2 5 z

Referensi

Garis besar

Dokumen terkait

Alternatif penggunaan gel silika sebagai adsorben untuk memurnikan etanol meggunakan metode distilasi adsorptif akan memberikan hasil yang sangat menjanjikan... 5

• Protokol mendefinisikan suatu format paket data yang akan dipertukarkan untuk.. menunjang

[r]

LAPORAN PELAKSANAAN KULIAH KERJA MEDIA 2009 PROSES KERJA DEPARTEMEN

Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan mengenai pengaruh pengungkapan Corporate Social Responsibility terhadap profit perusahaan Consumer Goods dapat disimpulkan

Hal ini berdasarkan pernyataan yang diajukan kepada 95 mitra binaan PT Jasa Marga (Persero) Tbk Cabang Purbaleunyi sebagai responden diperoleh hasil bahwa variabel pemberian

Terimakasih untuk doa yang selalu dihaturkan bagi saya agar saya dapat mengerjakan semua tahap tugas akhir ini dengan tidak sia-sia, juga untuk bantuan materi dan tenaga yang

Skripsi yang disusun menggunakan pendekatan yang sangat monoton dan tidak bervariasi dengan 100% menggunakan metodologi penelitian kualitatif, 86,67%