background image

FUNKCJE UWIKŁANE

Niech 

R

R

2

:

F

Rozważamy równanie 

 

0

,

y

x

F

.

Definicja

Jeśli istnieje funkcja 

 

x

f

y

, spełniająca w każdym punkcie 

R

 X

x

 warunek

0

)

(

,

x

f

x

F

, to nazywamy ją 

funkcją uwikłaną

 określoną w zbiorze X równaniem

 

0

,

y

x

F

.

Przykład

Rozważmy równanie 

0

1

2

2

 y

x

.

1

1

x

y

y = y

1

Istnieją funkcje uwikłane spełniające to równanie: 

2

1

x

y

 dla 

 

1

,

1

x

lub

2

2

x

y

 dla 

 

1

,

1

x

.

Istnieje nieskończenie wiele funkcji uwikłanych spełniających powyższe równanie, na
przykład funkcja 

3

y

y

.

1

1

x

y

y = y

3

Uwaga

Będziemy rozważać tylko ciągłe funkcje uwikłane.

1

background image

Rozważamy problem istnienia funkcji uwikłanej.
Np. równanie 

0

1

2

2

 y

x

 nie określa żadnej funkcji uwikłanej, 

natomiast równanie

0

2

 x

y

 określa dokładnie jedną funkcję uwikłaną.

Twierdzenie 

(

o istnieniu i jednoznaczności funkcji uwikłanej

)

Z: 

 

0

,

0

,

,

:

Top

0

0

0

0

0

0

0

1

2

y

x

y

F

y

x

F

U

y

x

P

U

C

F

U

F

U

R

R

T:  !

  ciągła funkcja uwikłana 

 

x

f

y

określona w pewnym przedziale

    

0

0

x

x

 za pomocą równania 

 

0

,

y

x

F

 i spełniająca warunek 

 

0

0

y

x

f

 

       

(czyli funkcja uwikłana przechodząca przez wybrany punkt P

0

). 

Wniosek

Jeśli spełnione są założenia twierdzenia o istnieniu i jednoznaczności funkcji uwikłanej, to

 

x

'

 w pewnym otoczeniu punktu x

0

 i 

 

)

(

,

)

(

,

'

x

f

x

y

F

x

f

x

x

F

x

f

lub krótko: 

 
 

y

x

y

F

y

x

x

F

y

,

,

'

.

Dowód 

(szkic)

Rozważmy równanie 

 

0

,

y

x

F

Z twierdzenia o istnieniu i jednoznaczności funkcji

uwikłanej wiemy, że   funkcja uwikłana 

)

(x

f

y

 taka, że

0

0

,

dla

0

)

(

,

x

x

x

x

f

x

F

.

Równanie różniczkujemy stronami i wyznaczamy pochodną funkcji f.

)

(

,

)

(

,

)

(

'

0

,

dla

0

)

(

'

0

0

1

x

f

x

y

F

x

f

x

x

F

x

f

y

F

x

x

x

x

f

y

F

x

x

x

F

 

                                 

       ڤ

2

background image

Uwaga

Korzystając z powyższego wniosku możemy wyznaczyć ekstrema funkcji bez rozwikłania tej
funkcji.

Twierdzenie 

(

o drugiej pochodnej funkcji uwikłanej

)

Z:  

 

0

,

0

,

,

:

Top

0

0

0

0

0

0

0

2

2

y

x

y

F

y

x

F

U

y

x

P

U

C

F

U

F

U

R

R

T: Funkcja ciągła 

 

x

f

y

 określona w przedziale 

0

0

x

x

 równaniem 

 

0

,

y

x

F

  i

     spełniająca warunek 

 

0

0

y

x

f

  

posiada w pewnym otoczeniu punktu x

0

 drugą pochodną.

Wzór na drugą pochodną funkcji uwikłanej

Na podstawie wniosku o pierwszej pochodnej funkcji uwikłanej

 
 

0

gdzie

,

,

,

'

y

F

y

x

y

F

y

x

x

F

y

.

Stąd

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

2

2

'

1

'

''

















y

F

y

F

x

F

y

F

x

F

y

x

F

y

F

x

F

y

F

y

F

x

F

y

F

x

F

y

x

F

x

F

x

y

F

y

F

x

F

y

F

x

F

y

y

F

y

x

F

y

F

y

x

y

F

x

x

x

F

y

bo, na podstawie założeń o ciągłości drugiej pochodnej funkcji F, mieszane pochodne
cząstkowe są sobie równe.

3

background image

Wniosek

Jeśli spełnione są założenia powyższego twierdzenia i dodatkowo jeśli 

0

)

(

'

0

x

y

, to

0

,

0

0

y

x

x

F

, a stąd 

0

0

0

0

2

2

0

,

,

)

(

''

y

x

y

F

y

x

x

F

x

y

.

Korzystając z powyższego wniosku można łatwo zbadać 

ekstrema lokalne funkcji uwikłanej 

f(x)

y

.

Pierwsza pochodna funkcji f  musi być równa 0, czyli



0

0

y

F

x

F

Stąd wyznaczamy punkty stacjonarne funkcji F, a następnie wystarczy zbadać w każdym z

punktów stacjonarnych 

)

,

(

0

0

y

x

P

 wartość ilorazu 

y

F

x

F

2

2

.

Wtedy, jeśli 

0

)

,

(

)

,

(

0

0

0

0

2

2

y

x

y

F

y

x

x

F

, to funkcja uwikłana ma w punkcie 

)

,

(

0

0

y

x

P

 maksimum

lokalne. Analogicznie, jeżeli iloraz ten jest mniejszy od 0, to funkcja uwikłana ma w punkcie

)

,

(

0

0

y

x

P

 minimum lokalne.

Przykład 

(bez twierdzenia)

Niech 

0

,

,

z

y

x

F

, gdzie 

)

,

y

x

z

z

.

Aby wyznaczyć pochodne cząstkowe funkcji 

)

,

y

x

z

z

 różniczkujemy równanie

0

,

,

z

y

x

F

 kolejno względem zmiennej x i y (xy – zmienne niezależne)




z

F

y

F

y

z

z

F

x

F

x

z

y

z

z

F

y

F

x

F

x

z

z

F

y

F

x

F

0

1

0

0

0

1

      dla 

0

z

F

.

opracował Mateusz Targosz

4