Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Арістотель (384- 322 до н.е.) - грецький філософ↑ Стр 1 из 7Следующая ⇒ Содержание книги Поиск на нашем сайте
Арістотель (384- 322 до н.е.) - грецький філософ
...вивчення математики завжди сприяє розвитку строгості і ясності мислення. Картан, Анрі (нар. 1904) французький математик
А математику ще й тому вивчати слід, що вона розум до ладу приводить. Ломоносов М.В. (1711-1765) –вчений-енциклопедист, поет Жодне технічне вдосконалення неможливе без складних розрахунків. Але так само важко уявити розвиток будь-якої науки, включаючи суспільні, без використання досягнень сучасної математики і кібернетики. Математика, все глибше проникаючи в суміжні з нею і віддалені науки, стає непохитною опорою прогресу людських знань. Митропольський Ю.О, (нар. 1917) – український математик У вивчення природи математика робить найбільший вклад, бо вона розкриває впорядкований зв’язок ідей, за яким побудований Всесвіт. Прокл (410-485)-грецький філософ Тим, хто не знає математики, важко збагнути справжню, глибоку красу природи Фейнман Р. (нар. 1918) – американський фізик
І.Функції багатьох змінних
Числові множини, способи їх задання. Побудова області на площині
Числова множина – це множина, елементами якої є числа. Відомо, що N, Z, Q, I, R – множини натуральних, цілих, раціональних, ірраціональних та дійсних чисел. Їх прийнято зображати у вигляді точок на числовій осі. Якщо елементами множини є впорядкована пара чисел, то маємо множину точок М(х,у) на площині ХОУ, така множина позначається R2. У випадку, коли елементами множини є впорядковані трійки чисел, то маємо множину точок М(x,y,z) у просторі, яка позначається R3. Часто доводиться розглядати впорядковані набори більшої кількості чисел. Наприклад, якщо х і у – координати точки місцевості, z – висота над рівнем моря в цій точці, t – температура, p – атмосферний тиск, g - відносна вологість повітря, v – величина швидкості вітру, a - напрям вітру, то впорядкований набір із восьми чисел (x, y, z, t, p,g, v, a) характеризує метеорологічний стан в даній місцевості. У загальному випадку впорядкований набір із n чисел (х1, х2, …, хn) по аналогії із n=2, n=3 теж зручно називати точкою, а множина точок М(х1, х2, …, хn) утворює n-вимірний арифметичний простірRn. Дві точки M1(x1',x2',…,xn') і M2(x1'',x2'',…,xn'') збігаються між собою, якщо x1'= x1", …, xn'= xn". Відомо, наприклад, що для двох точок М1(x1,y1,z1) і М2(x2,y2,z2) із простору R3 величина
є відстанню між цими точками. Подібним чином для двох точок М1 і М2, які належать Rn, величину теж називають відстанню між точками М1 і М2. Окремі числові множини, як правило, задаються за допомогою нерівностей. Якщо всі нерівності строгі (<; >), то множина називається відкритою. Наприклад, інтервал: (a,b) = { x: a < x < b}; відкритий прямокутник: (a,b; c,d) = {(x,y): a<x<b, c<y<d}; відкритий паралелепіпед: (a,b; c,d; e,p) = {(x.y,z): a<x<b; c<y<d; e<z<p}. У загальному випадку можна говорити про відкритий n- вимірний паралелепіпед: (a1,b1; a2,b2; … an,bn ) = {(x1, x2, … xn): a1<x1<b1; a2<x2<b2; … an<xn<bn }. Cеред числових множин, які задаються нерівностями, часто зустрічаються також: (x-x0 )2 + (y-y0 )2 < r2 - відкритий круг у просторі R2 радіуса r з центром в точці М0 (x0 , y0 ); (x-x0 )2 + (y-y0 )2+ (z-z0 )2 < r2 - відкрита куля у просторі R3 радіуса r з центром в точці М0 (x0 , y0,z0 ); (x1-x10)2 + (x2-x20)2 + … + (xn-xn0)2 < r2 - відкрита куля в просторі Rn радіуса r з центром в точці М0 (x01 , х02, …, х0n ). Означення 1.1. Околом точки називається довільна відкрита множина, яка містить дану точку. У двовимірному випадку під околом точки розуміють круг, квадрат і т.п., що містять цю точку.
Означення 1.2. Множина точок називається зв'язною, якщо дві точки цієї множини можна з'єднати ламаною лінією, всі точки якої належать цій множині.
Означення 1.3. Точка М називається внутрішньою точкою множини D, якщо вона належить D разом з її достатньо малим околом.
Означення 1.4. Зв'язна множина, яка цілком складається із внутрішніх точок, називається областю. Означення 1.5. Граничною точкою області D називається точка, в будь-якому околі якої знаходяться точки, які як належать області D, так і не належать їй. Означення 1.6. Множина граничних точок області D називається її границею Г.
Означення 1.7. Область D разом з її границею Г називається замкненою областю D (позначається ). Посилаючись на геометричну інтуіцію, можна сказати, що якщо з геометричного тіла зідрати його границю, то отримаємо відкриту множину. На рисунку 1.1. точка М0 (x0 , y0 ) – внутрішня точка області D, точка М1 належить границі Г області D. Область D – відкрита, а область - замкнена область.
Рис. 1.1.
На рисунку 1.1. окіл точки М0 (x0 , y0 ) зображений в вигляді круга і квадрата. Наприклад, замкнені області: сегмент: [a, b] = замкнений прямокутник: [a, b; с, d] = замкнений круг радіуса r з центром в точці М0 (x0, y0 ):
замкнений трикутник: Таким чином, в замкнених областях обмеження задаються нестрогими нерівностями В подальшому для наочності будемо вивчати числову множину R2, тобто сукупність точок на площині. Для побудови області на площині треба знайти такі точки М(x,,y), координати яких задовольняли б нерівностям, які задають множину. Приклад 1.1. Побудувати область D на площині, яка задана нерівностями:
Даним нерівностям задовольняють координати точки, яка знаходиться всередині або на границі прямокутника, сторони якого лежать на прямих х = 2; х = 6; y = -1; y = 2. Цей прямокутник є замкненою областю змінних х, у (рис. 1.2) Рис 1.2.
Приклад 1.2. Побудувати область D, яка задана нерівностями: 4 < x2 + y2 < 9. Даним нерівностям задовольняють координати точок, які знаходяться всередині кругового кільця, обмеженого колами x2 + y2 = 4 та x2 + y2 = 9 з центрами в точці О(0, 0) та радіусами r1 = 2, r2 = 3. Таким чином, це кругове кільце – відкрита область D (рис. 1.3).
Рис. 1.3.
Приклад 1.3. Побудувати область D, задану нерівностями 0 < y < x В даному випадку маємо відкриту область D, яка обмежена прямими y = x та y = 0 (рис. 1.4.). Геометрично – це всі точки, що знаходяться внутрі кута. Точки, що розміщені на сторонах кута області D не належать, тому на рис.1.4 сторони кута зображені пунктиром. Розглянемо важливий випадок, коли область на площині задається лінійними нерівностями. Нехай маємо лінійну нерівність з двома змінними x, y: ax + by + c > 0 (1.1) Якщо x, y розглядати як координати точок на площині, то множина точок, координати яких задовольнюють (1.1), називається областю розв'язків цієї нерівності. Областю розв'язків (1.1) є півплощина. Рис.1.4. Щоб дізнатись, яка з двох напівплощин відповідає нерівності (1.1), треба взяти пробну точку, яка не лежить на прямій ax + by + c = 0, наприклад, М0 (x0 , y0 ), підставити її координати в нерівність (1.1). Якщо нерівність (1.1) виконується, то точка М0 (x0 , y0 ) належить шуканій півплощині, якщо не виконується, то це друга півплощина. Коли пряма не проходить через початок координат, то зручно пробною точкою взяти початок координат О(0, 0). В випадку, коли задана система із m нерівностей: a1 x + b1 y + c1 > 0, a2 x + b2 y + c2 > 0, (1.2.) ............... am x + bm y + cm > 0.
то геометрично отримаємо перетин півплощин, які можуть утворити многокутну область D. Така область називається областю розв'язків системи (1.2.). Ця область не завжди буває обмежена, вона може бути і необмеженою, і навіть порожньою. Останній випадок має місце, коли система нерівностей (1.2.) суперечлива. Область розв'язків системи нерівностей є опуклою, тобто якщо разом із будь-якими своїми двома точками вона містить і відрізок, що їх з'єднує. На рис. 1.5 зображені опукла і неопукла області. На рис. 1.5 а) разом з точками М1 і М2 даній області належить весь відрізок М1М2, область – опукла. На рис. 1.5 б) маємо випадок, коли крайні точки відрізка М1 і М2 належать області, однак існує точка М3 цього відрізка, яка даній області не належить. Ця область – неопукла. Рис. 1.5. Опукла (а) та неопукла (б) області.
Зауважимо, що півплощина є опуклою областю. Має сенс підкреслити, що результат перетину опуклих областей є опукла область. Приклад 1.4. Знайти область розв'язків системи нерівностей: x – 1 > 0; y – 1 > 0; x + y – 3 > 0; -6x – 7y + 42 > 0. Замінюючи нерівності рівняннями, отримаємо рівняння чотирьох прямих: x – 1 = 0 (1); y – 1 = 0; (2); x + y – 3 = 0; (3); -6x – 7y + 42 = 0 (4), які зображені на рис. 1.6.
Рис. 1.6.
На рис. 1.6 стрілками показані півплощини, які є розв'язками нерівностей, а сама область D заштрихована і є опуклою. Лінії та поверхні рівня Означення 2.1. Змінна величина Z називається функцією двох змінних x і y, якщо кожній парі чисел (x, y) (або кожній точці М(x, y)) з деякої множини D площини xOy ставиться у відповідність визначене значення змінної Z. Позначається Z = f(x, y) або Z = f (M).
Наприклад. 1) Площа прямокутника S = xy є функцією двох змінних x і y – довжин відповідних сторін; 2) Об'єм конуса V = 1/3 p R2h – функція радіуса основи R і висоти h.
Означення 2.1. узагальнюється на більшу кількість змінних.
Означення 2.2. Змінна Z називається функцією незалежних змінних x1, x2 , … xn з деякої множини D, що належить n -вимірному простору Rn, якщо кожній точці М(x1, x2 , … xn) D ставиться у відповідність визначене значення змінної Z: Z = f (M) = f (x1, x2 , … xn). Наприклад: 1) Температура Т в даній точці М залежить від її координат x, y, z, а також від моменту часу t, в який вона вимірюється, тобто T = f (x, y, z, t). 2) Очікуваний прибуток Р від споруджуваного промислового об'єкта є функцією затрат на його будівництво, часу t від початку будівництва до початку випуску продукції, від величини попиту Q на цю продукцію та інших економічних факторів.
Означення 2.3. Множина D точок, в яких функція визначена називається областю визначення або областю існування функції, а множина Е, яка складається із значень функції, називається множиною значень функції f (M). У випадку n = 2 функція двох змінних Z = f (x, y) може розглядатися як функція точки площини в тривимірному просторі R3. Графіком функції Z = f (x, y) є геометричне місце точок (x, y,) f (x, y)), яке описує деяку поверхню в просторі R3. Приклад 2.1. Знайти область визначення і множину значень функції . Функція Z має дійсні значення за умови 1 – x2 – y2 ≥ 0, або x2 + y2 < 1, тобто областю визначення даної функції є замкнений круг радіуса 1 з центром в точці О(0,0). Множиною значень функції є сегмент [ 0, 1 ], що випливає з виразу Z = Ö 1 – x2 – y2. Графіком функції є верхня напівсфера радіуса 1 з центром в точці О(0,0,0). Рис 2.1
Приклад 2.2. Знайти область визначення поданих функцій: 1) ; 2) ; 3) ; 4) . 1). Розв’язання для виконаємо за такою схемою: 1. Нагадаємо, що елементарна функція визначена, якщо . 2. Складаємо аналогічну нерівність для заданої функції двох змінних: , яка рівносильна двом системам нерівностей, а саме, (1) , або (2) . 3. Замінимо останні нерівності рівняннями, отримаємо рівняння границі області визначення: х=2 – пряма, перпендикулярна осі ОХ, у=1 – пряма, перпендикулярна осі ОУ. Будуємо їх в системі ХОУ (див. рис. 2.2) 4. Відносно прямих х=2 і у=-1 вибираємо ті частини площини ХОУ, де виконуються нерівності (1) або (2).
Рис. 2.2.
2). Розв’язання для функції , проведемо за викладеною вже схемою: 1. Елементарна функція однієї змінної y=lg x визначена, якщо x>0. 2. Аналогічна нерівність для функції запишеться: . (3) 3. Замінимо в (3) нерівність рівнянням: - коло радіуса 5 з центром в О(0;0), яке є границею області. 4. Пробна точка О(0;0) задовольняє нерівність (3) Отже, О(0;0) належить області розв’язків нерівності (3). Тобто вся область визначення – це множина точок, які лежать у середині заданого круга, виключаючи границю , бо нерівність (3) строга (див. рис. 2.3).
Рис 2.3
3) Розв’язання для функції за відомою схемою: 1. Відповідною елементарною функцією однієї змінної є , яка існує для . 2. Аналогічна нерівність для функції запишеться: . (4) 3. Замінивши нерівності на рівняння, отримаємо дві параболи і , які симетричні відносно осі ОУ з вітками напрямленими вверх, причому вершина першої з них в точці , а другої в точці . 4. Пробна точка О(0,0) задовольняє ліву а також і праву нерівності (4) , Тобто початок координат знаходиться нижче першої параболи і вище другої - . Область визначення - всі точки площини ХОУ між цими параболами, включаючи і ці криві (див. рис. 2.4). Рис. 2.4 4) Розв’язання для функції . 1. Відповідна функція однієї змінної визначена для . 2. Для функції аналогічна нерівність запишеться: . (5) 3. Рівняння описує еліпс, канонічна форма якого: , (6) півосі цього еліпса , .
4. Пробна точка О(0,0) нерівність (5) не задовольняє, бо нерівність - невірна, тобто О(0,0), як внутрішня точка даної фігури, не входить у множину розв’язків нерівності (5). Множина розв’язків нерівності (5) – це всі точки, які лежать зовні еліпса. (див. рис. 2.4), не включаючи точок еліпса.
Рис 2.5
Приклади для самостійного розв’язання: Знайти область визначення функції: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Відповіді. 1. Множина точок, які розміщені між віссю ОУ вище вітки параболи в першій чверті. 2. Множина точок . 3. Множина точок . 4. Множина точок , які розміщені на еліпсі та зовні його. 5. Множина точок , які розміщені строго нижче прямої . 6. Областью визначення є смуга між двома паралельними прямими і , включно з цими прямими. Означення 2.4. Лінією рівня функції Z = f (x, y) називається лінія f (x, y) = С на площині xOy, в точках якої функція має стале значення Z = C.
Означення 2.5. Поверхнею рівня функції U = f (x, y, z) називається поверхня f (x, y, z) = С, в точках якої функція має стале значення U = C. Приклад 2.3. Знайти лінії рівня функції
Рівняння ліній рівня мають вигляд (C > 0). Якщо С приймає дійсні значення, то отримуємо концентричні кола з центром в точці О(0,0), радіуса , де .. Зауважимо, що за допомогою ліній рівня f (x, y) = С можна побудувати поверхню Z = f (x, y) (рис. 2.2)
Рис. 2.6. Основними способами задання функції двох змінних є такі: 1) аналітичний, тобто за допомогою аналітичного виразу(формули); 2) табличний, за допомогою таблиці з двома входами, де кожній парі чисел та ставиться в таблиці відповідне значення
3) графічний, графіком функції двох змінних може бути деяка поверхня ...... xn ® an Приклад 3.1. З'ясувати, чи має функція
x2 – y2 Z = x2 + y2 границю при x ® 0, y ® 0.
Нехай точка M(x, y) прямує до точки O(0, 0) по прямій y = kx. Тоді: x2 – y2 x2 – k2 x2 1 – k2 1 – k2 lim = lim = lim = x ® 0x2 + y2 x ® 0 x2 + k2 x2 x ® 0 1 + k2 1 + k2 y ® 0 Результат залежить від k, тому функція не має границі. Приклад 3.2. Обчислити границю x2 + y2 lim. x ® 0Ö x2 + y2 + 1 - 1 y ® 0
Для обчислення границі перейдемо до полярних координат: x = r cos j; y = r sin j.
Тоді x2 + y2 = r2, і тому маємо:
x2 + y2 r2 0 lim = lim = { } = x ® 0Ö x2 + y2 + 1 - 1 r ® 0 Ö r2 + 1 – 1 0 y ® 0 0 < j < 2p
r2 Ö (r2 + 1 + 1) = lim = lim (Ö (r2 + 1 + 1) = 2. r ® 0r2 r ® 0 Таким чином, при будь-якому прямуванні М (x, y) до О (0, 0) маємо число 2, тобто границя дорівнює 2. Разом з поняттям кратної границі функції можна розглянути повторні границі, які обчислюються послідовно. Наприклад, для функції двох змінних: lim f (x, y) = A; lim lim f (x, y) = B; lim lim f (x, y) = C x ® x0 x ® x0 y ® y0 y ® y0 x ® x0 y ® y0 В загальному випадку А ¹ В ¹ С. Очевидно, якщо границя існує, то А = В = С. Означення 3.2. Функція Z = f (M) називається неперервною в точці M0, якщо виконуються умови: 1) функція визначена в точці М0, тобто існує f (M0); 2) існує lim f (M); M ® M0 3) виконується рівність .
Означення 3.3. Функція називається неперервною в області, якщо вона неперервна в кожній точці цієї області. Якщо хоча б одна із умов 1) – 3) означення 3.2 не виконується, то точка М0 називається точкою розриву функції. Точки розриву функції можуть бути ізольованими, утворювати лінії розриву, поверхні розриву. Приклад 3.3. Знайти точки розриву функції: Xy Z =. 2x + 3y + 4 Функція невизначена в точках, де знаменник дорівнює нулю. Тому маємо лінію розриву - пряму 2x + 3y + 4 = 0.
Диференціали вищих порядків
В §5 для функції двох змінних z=f (x,y) було встановлено формулу повного диференціала , (7.1) або його ще називають диференціалом І-го порядку. За означенням диференціалом ІІ-го порядку називається диференціал від диференціала І-го порядку, тобто: . За формулою (7.1) маємо:
, (7.2) при цьому прийнято скорочено писати (dx)2=dx2, (dy)2=dy2. Аналогічно вводяться диференціали d3f, d4f і т.д. Для отримання виразів для диференціалів вищих порядків зручно скористатися таким підходом. Запишемо формально диференціал І-го порядку для функції z=f(x,y) у вигляді: , де вираз , називається оператором повного диференціала. За його допомогою вводиться оператор диференціала ІІ порядку: , Очевидно, що застосовуючи останній оператор до функції z=f(x,y), отримаємо формулу (7.2). Аналогічно, за допомогою оператора , можна записати диференціал ІІІ-го порядку (7.3) і т.д. В замкнутій області Нехай функція визначена і неперервна в обмеженій замкненій області D і має в ній скінчені частинні похідні. В цій області знайдеться точка в якій функція приймає найбільше (найменше) значення.Якщо точка лежить усерединє області D, то в ній функція має максимум (мінімум), тому ця точка знаходиться серед критичних точок. Але найбільшого (найменшого) значення функція може досягати і на границі області. Тому, для того щоб знайти найбільше (найменше) значення функції в області D, треба знайти усі внутрішні критичні точки, обчислити значення функції в них і порівняти із найбільшим (найменшим) значенням функції в граничних точках області. Найбільше (найменше) з цих значень буде найбільшим (найменшим) значенням функції в усій області. Приклад. Знайти найбільше значення добутку невід'ємних чисел за умови, що їх сума є стала величина: Розв'язання. Покажемо, що найбільше значення отримаємо при Знайдемо із даної умови: і підставимо в Маємо функцію від незалежних змінних в двовимірній області згідно умов: Геометрично - ця область є прямокутний трикутник, обмежений прямими Знайдемо похідні і прирівняємо до нуля:
Внутрі області розв'язком системи є де Враховуючи, що на границі області то в знайденій точці , дійсно функція має найбільше значення. Задача розв'язана, тому що при для змінної маємо Згідно з результатом добуток невід'ємних чисел , сума яких дорівнює , не більше тобто Отже середнє геометричне не більше середнього арифметичного. Це вірно для довільної кількості чисел. Умовний екстремум Локальний екстремум функції двох змінних без будь-яких додаткових умов називається безумовним. Якщо знаходиться екстремум функції за деяких додаткових умов, то він називається умовним. Нехай треба знайти екстремум функції за умови . Якщо вважати, що функція описує поверхню, а циліндр, то треба знайти екстремум не на всій поверхні, а тільки на лінії, яку вирізає з даної поверхні циліндрична поверхня (рис.13.1).
Рис.13.1.
Побудуємо допоміжну функцію трьох змінних, яка називається функцією Лагранжа: (13.1) Необхідні умови екстремуму цієї функції мають вигляд: або: (13.2) Для встановления виду умовного екстремуму досліджують знак другого повного диференціала функції Лагранжа
в знайдених із системи (13.2) критичних точках при умові, що і зв’язані рівнянням . Тоді функція має умовний максимум, якщо , і функція має умовний мінімум, якщо (див. 11.20) Приклад 11.1. Знайти екстремум функції за умови За методом Лагранжа: Запишемо необхідні умови екстремуму: Звідки: Знайдемо другий диференциал функції Лагранжа. Оскільки , , , то . Отже, функція має умовний мінімум в точці . .
Метод найменших квадратів При вивченні закономірностей в деяких дослідженнях інженерної справи, економіки, біології, медицини і т.п. приходиться аналітично описувати (у вигляді формули) зв'язок між двома змінними x та y. Для цього в процесі експериментів, спостережень вимірюють з можливою точністю окремі значення xi і відповідні їм значення yi (i=1,2,…,n), або отримують такі значення як статистичні дані. В результаті маємо таблицю значень (табл. 1).
Таблиця 1
Подібну таблицю можна отримати, наприклад, при дослідженні лінійного розширення стержня в залежності від температури, якщо коефіцієнт лінійного розширення данного матеріалу невідомий, тоді x1, x2,…, xn – виміряні значення температури, а y1, y2,…,yn – відповідні їм значення довжини. Побудуємо у вибраній системі координат XOY точки Mi(xi, yi), координати яки
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-12-16; просмотров: 337; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.116.20.108 (0.018 с.) |