Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Funktionen mehrerer Variabler Fakultät Grundlagen Juli 2015 Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Übersicht 1 Funktionsbegriff Beispiele Darstellung Schnitte 2 Differenzialrechnung Partielle Ableitungen Tangentialebene Totales Differenzial, Richtungsableitung 3 Anwendungen Fehlerrechnung Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 2 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Beispiele Darstellung Schnitte Beispiel: Temperaturverteilung im Raum Physikalischen, technischen und wirtschaftwissenschaftlichen Funktionen hängen häufig von mehreren Variablen ab. Z. B. Temperatur hängt von der Stelle im Raum ab: T = T (x, y , z), oder Temperatur hängt von der Stelle im Raum und von der Zeit ab: T = T (x, y , z, t). Darstellung durch eine Tabelle (Messwerte): x y z T 0 0 0 20,9◦ 1 0 0 20,8◦ 0 1 1 21◦ 1 4 4 21,7◦ 10 2 4 21,5◦ T = T (x, y , z). Anhand der Tabelle kann man etwa eine Wärmequelle ermitteln. Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 3 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Beispiele Darstellung Schnitte Beispiel: Landschaft Höhe z des Geländes über dem Meeresspiegel ist eine Funktion des Ortes: z = h(x, y ). Dieses Beispiel gibt uns viele Anhaltspunkte für die graphische Darstellung. Es entspricht: (x|y ) einem Punkt auf der Landkarte, z der Höhe über NN, der Graph der Funktion h(x, y ) der Erdoberfläche. Man spricht auch von einem Funktionsgebirge“. ” Bei dieser Sprechweise ist aber zu beachten: Der Graph der Funktion ist nur die Oberfläche des Gebirges. Wir werden daher auch die Bezeichnung Gebirgsfläche“ gebrauchen. ” Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 4 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Beispiele Darstellung Schnitte Veranschaulichung von Funktionen eine Variable x 7→ f (x) oder y = f (x) D(f ) ⊂ IR; Darstellung auf einer Achse: x–Achse. zwei Variablen (x, y ) 7→ f (x, y ) oder z = f (x, y ) D(f ) ⊂ IR2 ; Darstellung in einer Ebene: (x, y )−Ebene z 6 y 6 y = f (x) s f (x) s x pp x Graph: mehrere Punkte, i. Allg. eine Kurve Fakultät Grundlagen x z = f (x, y ) r f (x, y ) H HH ppp p p p H pp H j pH p p rp p y (x, y ) Graph: Punkte über der (x, y )−Ebene, i. Allg. eine Fläche im Raum Funktionen mehrerer Variabler Folie: 5 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Beispiele Darstellung Schnitte Kegel z=f(x,y) 6 5 4 z Kegel im Schrägbild: Darstellung über Schnittkurven Von besonderer Bedeutung sind die Schnitte von Ebenen parallel zur (x, y )Ebene mit dem Funktionsgebirge“. ” Man erhält die sogenannten Höhenlinien. Deren Projektion auf die (x, y )-Ebene nennt man Isoquanten. y 3 2 1 0 4 2 4 2 0 0 −2 y −4 −2 −4 x Isoquanten z Höhenlinie x x,y Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 6 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Partielle Ableitungen Tangentialebene Totales Differenzial, Richtungsableitung Partielle Ableitung I z z = f (x, y ) y = y0 y x Durch Festhalten einer Variablen entsteht eine Funktion von einer Veränderlichen. Diese Funktion einer Variablen wird mit den Mitteln der Differentialrechnung untersucht. Wenn dieser Grenzwert existiert, spricht man von der partiellen Ableitung fx (x0 , y0 ). ∂f auch: = fx (x0 , y0 ) ∂x (x0 ,y0 ) f (x0 + h, y0 ) − f (x0 , y0 ) lim = fx (x0 , y0 ) h→0 h Fakultät Grundlagen Graphisch: Steigung des Graphen von z = f (x, y0 ) im Punkt (x0 , f (x0 , y0 )). Funktionen mehrerer Variabler Folie: 7 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Partielle Ableitungen Tangentialebene Totales Differenzial, Richtungsableitung Partielle Ableitung II Analog: ∂f f (x0 , y0 + h) − f (x0 , y0 ) = fy (x0 , y0 ) = lim h→0 h ∂y (x0 ,y0 ) Graphisch: Steigung des Graphen von z = f (x0 , y ) im Punkt (y0 , f (x0 , y0 )). Die Ausdrücke fx (x, y ), fy (x, y ) heißen partielle Ableitungen oder auch Ableitungsfunktionen (vgl. Ableitung an der Stelle x0 : f 0 (x0 ) und Ableitungsfunktion f 0 (x)). Die Schreibweise ∂f soll andeuten, dass f nicht nur von der ∂x Variablen x abhängt, sondern noch von mehr Variablen. Beim Berechnen der partiellen Ableitungen sind die üblichen Ableitungsregeln (Produkt-, Quotienten-, Kettenregel usw.) zu beachten! Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 8 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Partielle Ableitungen Tangentialebene Totales Differenzial, Richtungsableitung Partielle Ableitung (Beispiel) (f (x) · g (x))0 0 f (x) g (x) Ableitungsregeln in IR1 : 0 (f (g (x))) = f 0 (x) · g (x) + f (x) · g 0 (x) = f (x)0 · g (x) − f (x) · g 0 (x) g 2 (x) = f 0 (g (x)) · g 0 (x) 2 f (x, y ) = ey · sin(x · y ) 1 + x2 + y2 2 fx (x, y ) = 2 ey · cos(x · y ) · y · (1 + x 2 + y 2 ) − 2x · ey · sin(x · y ) (1 + x 2 + y 2 )2 h 2 i 2 ey · 2y · sin(x · y ) + ey · cos(x · y ) · x · (1 + x 2 + y 2 ) fy (x, y ) = (1 + x 2 + y 2 )2 ... 2 ... −2y · ey · sin(x · y ) (1 + x 2 + y 2 )2 Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 9 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Partielle Ableitungen Tangentialebene Totales Differenzial, Richtungsableitung Partielle Ableitungen höherer Ordnung Die Funktionen fx (x, y ), fy (x, y ) lassen sich wieder als Funktionen von zwei Variablen interpretieren. Sie können dann nochmals nach x bzw. y partiell differenziert werden. 2 fxx = ∂ f2 ist die partielle Ableitung der Funktion fx nach x. ∂x Analog erhält man fxy , fyy , fxxx , . . . Problem: Ergibt sich bei fxy und fyx dasselbe? Man kann zeigen, dass dies bei den in der Praxis auftretenden Funktionen der Fall ist (Satz von Schwarz). f (x, y ) fx (x, y ) fy (x, y ) fyx (x, y ) = = = = x · sin(x · y ) sin(x · y ) + y · x · cos(x · y ) x 2 · cos(x · y ) 2x · cos(x · y ) − x 2 · y · sin(x · y ) = fxy (x, y ) Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 10 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Partielle Ableitungen Tangentialebene Totales Differenzial, Richtungsableitung Tangente; Linearisierung f (x) ≈ f (x0 ) + f 0 (x0 ) · (x − x0 ) | {z } Tangentengleichung Eigenschaften: 1 Der Punkt (x0 |f (x0 )) liegt auf der Geraden. 2 Die Steigung der Geraden stimmt mit der Ableitung der Funktion im Punkt x0 überein. y − f (x0 ) 0 x − x0 = f (x0 ) Fakultät Grundlagen y y = f (x) t f (x0 ) x x0 Funktionen mehrerer Variabler Folie: 11 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Partielle Ableitungen Tangentialebene Totales Differenzial, Richtungsableitung Tangentialebene; Linearisierung f (x, y ) ≈ f (x0 , y0 ) + fx (x0 , y0 ) · (x − x0 ) + fy (x0 , y0 ) · (y − y0 ) = z | {z } Tangentialebene z z = f (x, y ) Bedingungen: 1 Der Punkt (x0 |y0 |f (x0 , y0 )) liegt auf der Ebene. 2 Die beiden partiellen Ableitungen von Fläche und Ebene stimmen im Punkt (x0 |y0 ) überein. Et y (x0 |y0 ) x Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 12 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Partielle Ableitungen Tangentialebene Totales Differenzial, Richtungsableitung Totales Differenzial ∆f = f (x0 +dx, y0 +dy ) − f (x0 , y0 ) ≈ fx (x0 , y0 ) · dx + fy (x0 , y0 ) · dy | {z } df Der Funktionszuwachs ∆f wird z durch die Veränderung des Wertes auf der Tangentialebene z = f (x, y ) ∆f approximiert (Linearisierung). Et Dieser Zuwachs ergibt sich durch fy dy df Multiplikation der Veränderung dx bzw. dy mit den partiellen fx dx y0 + dy Ableitungen fx (x0 , y0 ) bzw. y fy (x0 , y0 ). y0 df = fx · dx + fy · dy x0 df bzw. dz heißt totales Differenzial der Funktion f (x, y ). Fakultät Grundlagen x x0 + dx Funktionen mehrerer Variabler Folie: 13 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Partielle Ableitungen Tangentialebene Totales Differenzial, Richtungsableitung Richtungsableitung dz = fx (x0 , y0 ) · dx + fy (x0 , y0 ) · dy = {z } | Zuwachs auf Tangentialebene fx fy a1 · a2 z f x a1 · cos ϕ · = fy a2 dz Gilt |~a| = 1, so stellt dz die Steigung auf der Tangentialebene in Richtung ~a dar. Diese aus, wenn fällt maximal fx a1 k fy a2 Richtung des stärksten Anstiegs! Fakultät Grundlagen f y · a2 fx · a1 y y0 + a2 a2 y0 ~ a x a1 x0 Funktionen mehrerer Variabler x0 + a1 Folie: 14 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Partielle Ableitungen Tangentialebene Totales Differenzial, Richtungsableitung Richtungsableitung, Gradientenvektor dz = fx (x0 , y0 ) · dx + fy (x0 , y0 ) · dy = {z } | Zuwachs auf Tangentialebene fx fy a1 · a2 z Man nennt den Vektor der partiellen Ableitungen auch Gradientenvektor: fx grad f = ∇f = fy Richtungsableitung: ∂ f = fx · ~a ∂~a |~a| fy dz f y · a2 fx · a1 y y0 + a2 Anstieg in Richtung ~a auf Et Fakultät Grundlagen a2 y0 ~ a x a1 x0 Funktionen mehrerer Variabler x0 + a1 Folie: 15 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Partielle Ableitungen Tangentialebene Totales Differenzial, Richtungsableitung Tangentialebene, Richtungsableitung; Beispiel (1|1) p √ 2 2 f (x, y ) = 6 − x + 2y 7 x 6−x 2 +2y 2 √ 2y 6−x 2 +2y 2 − √17 fx (x, y ) = − √ fy (x, y ) = ∇f = fx fy = − √17 z Et √2 7 ! y √2 7 ∇f Richtungsableitung parallel zur 1. (x0 |y0 ) ~ a 1 x Winkelhalbierenden: ~a = √12 1 Tangentialebene ∂f = ∇f · ~a √ ∂~a ! z − 7 = − √17 (x − 1) + . . . 1 √ − 7 1 = √12 = √114 √2 (y − 1) √2 1 7 7 Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 16 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Fehlerrechnung Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen Fehlerrechnung; absolut Volumen eines Kreiszylinders mit Radius r und Höhe h : V = f (r , h) = π · r 2 · h Der Radius r = 10 cm werde um dr = 0.2 cm und die Höhe h = 12 cm werde um dh = 0.5 cm verändert. Zur Berechnung des Differenzials bestimmen wir die Ableitungen im Punkt (10, 12). fr (r , h) = 2πrh fh (r , h) = πr 2 fr (10, 12) = 240π fh (10, 12) = 100π Damit erhält man für das totale Differenzial: ∆V ≈ dV = fr (10, 12)·dr +fh (10, 12)·dh = 240π·0.2+100π·0.5 = 98π Für den exakten Zuwachs ∆V errechnen wir: ∆V = f (10.2, 12.5) − f (10, 12) = 1300.5π − 1200π = 100.5π Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 17 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Fehlerrechnung Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen Fehlerrechnung; relativ Häufig interessiert nur die relative Veränderung des Funktionswerts bei einer relativen Veränderung der Eingangsgrößen. f (x, y ) · dx + fy (x, y ) · dy df = x f (x, y ) f (x, y ) y · fy (x, y ) dy x · fx (x, y ) dx = · x + · y f (x, y ) f (x, y ) y · fy (x, y ) (partielle) x · fx (x, y ) εf ,x (x, y ) = ; εf ,y (x, y ) = f (x, y ) f (x, y ) Elastizitäten: Beispiel: z = f (x, y ) = c · x α · y β mit c ∈ IR; α, β > 0 . Differenzial: dz = c · αx α−1 · y β · dx + βx α · y β−1 · dy . εf ,x = y · fy (x, y ) x · fx (x, y ) cαx α−1 y β · x cβx α y β−1 · y = =α; εf ,y = = =β f (x, y ) f (x, y ) cx α y β cx α y β dz = α · dx + β · dy z x y Nimmt x um a % und y um b % zu, so wächst die Produktionsmenge z um ungefähr (α · a + β · b) % . Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 18 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Fehlerrechnung Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen Lokale Extrema als Berggipfel und Talsenken einer Gebirgsfläche: notwendige Bedingung: fx (x, y ) = 0 , fy (x, y ) = 0 Dies ergibt zwei Gleichungen, aus denen die Kandidaten, die für ein lokales Extremum in Frage kommen, ermittelt werden. Sei (x0 , y0 ) ein Kandidat“. Ob dann ein lokales Extremum oder ” ein Sattelpunkt vorliegt, ergibt sich aus1 : fxx (x0 , y0 ) · fyy (x0 , y0 ) − (fxy (x0 , y0 ))2 < 0 ⇒ dann Sattelpunkt fxx (x0 , y0 ) · fyy (x0 , y0 ) − (fxy (x0 , y0 ))2 > 0 ⇒ lokales Extremum Ist dabei fxx (x0 , y0 ) > 0 ⇒ lokales Minimum fxx (x0 , y0 ) < 0 ⇒ lokales Maximum Bei Funktionen einer Variablen war f 00 (x0 ) 6= 0 eine hinreichende Bedingung für einen lokalen Extremwert. 1 Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 19 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Fehlerrechnung Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen; Beispiel 1 (x − y )2 − 1 y f (x, y ) = ln(x + 1) − 10 5 1 − 1 (x − y ) fx (x, y ) = x + 1 5 1 (x − y ) − 1 fy (x, y ) = 5 5 ⇒ 1 1 x + 1 − 5 (x − y ) = 0 (1) 1 (x − y ) − 1 = 0 (2) 5 5 1 − 1 =0 (1) und (2) : x + 1 5 Ableitung fxx (x, y ) Ausdruck = − 1 −1 5 (x + 1)2 fyy (x, y ) = −1 5 fxy (x, y ) = 1 5 x = 4; bei (4, 3) 6 − 25 1 −5 1 5 ∆(4, 3) = fxx (4, 3) · fyy (4, 3) − (fxy (4, 3))2 = Fakultät Grundlagen in (2) : y =3 Es ist also ∆(4, 3) > 0, d. h., es liegt eine Extremum vor. 6 < 0 ist (4, 3) Wegen fxx = − 25 eine Maximumstelle. Das Maximum beträgt 7 f (4, 3) = ln 5 − 10 ≈ 0.91 6 · −1 − 1 2 = 1 − 25 5 5 125 Funktionen mehrerer Variabler Folie: 20 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Fehlerrechnung Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen; 1 Variable Zusammenstellung 2 Variablen Funktion f (x) Ableitungen f 0 (x) erster Ordnung Kandidaten für f 0 (xE ) = 0 Extremstellen Ableitungen f 00 (x) zweiter Ordnung Entscheidungsf 00 (xE ) kriterium ∆(xE , yE ) = fxx (xE , yE ) · fyy (xE , yE ) − (fxy (xE , yE ))2 Maximum f 00 (xE ) < 0 ∆(xE , yE ) > 0 und fxx (xE , yE ) < 0 Minimum f 00 (xE ) ∆(xE , yE ) > 0 und fxx (xE , yE ) > 0 >0 f (x, y ) fx (x, y ), fy (x, y ) fx (xE , yE ) = 0 fy (xE , yE ) = 0 fxx (x, y ), fyy (x, y ), fxy (x, y ) Sattelpunkt ∆(xE , yE ) < 0 Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 21 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Fehlerrechnung Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen Bei vielen Anwendungen werden Extremwerte einer Funktion f (x, y ) nicht unter allen Stellen (x, y ) des Definitionsgebiets gesucht, sondern es ist zusätzlich eine Nebenbedingung zu erfüllen. Bei der Veranschaulichung einer Funktion f (x, y ) als Gebirgsfläche“ bedeutet das: ” Die Nebenbedingung beschreibt eine Gebirgsstraße“. Es ist nicht ” der Berggipfel“ gesucht, sondern der höchste Punkt der Straße“. ” ” Bei der Suche nach Extrema unter Nebenbedingungen gibt es zunächst die Möglichkeit, die Nebenbedingung nach einer Variablen aufzulösen und dann in die Zielfunktion einzusetzen (Eliminationsmethode). Daneben gibt es auch noch eine etwas allgemeinere Strategie (Lagrange-Methode), die vor allem leicht auf den Fall von mehr als zwei Variablen übertragbar ist. Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 22 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Fehlerrechnung Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen; Beispiel Zylindrische Dose mit vorgegebenem Volumen, Oberfläche soll minimal sein. h 2πr 2 Oberfläche: O = + 2πr h = f (r , h), r G Nebenbedingung: πr 2 h = V0 = festes Volumen. U Auflösen nach einer Variablen: h = V02 πr Dies in die f (r , h) einsetzen ergibt eine Funktion h Umfang U von einer Variablen: 0 G O = 2πr 2 + 2πr V02 = 2πr 2 + 2V r = O(r ) πr q ! 2V0 ⇔ r = 3 V0 dO = 2π 2r − 2V0 = 0 ⇔ 4πr = 2π dr r2 r2 q q 2 d O = 4π + 4V0 > 0 : r = 3 V0 , h = V0 = 3 4V0 π 2π dr 2 r3 πr 2 lokales Minimum bei: Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 23 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Fehlerrechnung Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen; Lagrange Lagranges Multiplikatormethode: Die Funktion z = f (x, y ) soll maximal (minimal) werden unter Einhaltung einer Nebenbedingung g (x, y ) = 0. Man bildet damit eine neue Funktion ( Lagrange-Funktion“) ” F (x, y , λ) = f (x, y ) + λg (x, y ) (Funktion von drei Variablen). Notwendige Bedingung für ein relatives Extremum der Funktion F (x, y , λ) ist Fx = 0 : Fy = 0 : Fλ = 0 : fx (x, y ) + λgx (x, y ) = 0, fy (x, y ) + λgy (x, y ) = 0, g (x, y ) = 0 Nebenbedingung! Plausibilitätsprüfung für Extrema! Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 24 Funktionsbegriff Differenzialrechnung Anwendungen Fehlerrechnung Lokale Extrema ohne Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen Lokale Extrema mit Nebenbedingungen; Lagrange, Beispiel O = 2π r 2 + 2π r h = f (r , h) ; π r 2 h − V0 = g (r , h) = 0 F (r , h, λ) = f (r , h) + λ · g (r , h) = 2π r 2 + 2π r h + λ π r 2 h − V0 ! Fr = 4π r + 2π h + λ 2π r h = 0 Fh = 2π r + λ π r2 Fλ = π r 2 h − V0 (2a) in (1) : 4π r + 2π h − 4π h = 0 (1a) in (3): q V0 , 2 π r 2r = V0 ⇒ r = 3 2π q q V0 = 3 4V0 h = 2 3 2π π ! = 0 ! = 0 ⇒ (1) (2) ⇒ λ = − 2r (2a) (3) h = 2r (1a) Nebenstehend die Gebirgsfläche“ ” und der Extrempunkt auf der Gebirgsstraße“ für V0 = π . ” Fakultät Grundlagen Funktionen mehrerer Variabler Folie: 25
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