background image

1

Zagadnienia wst

,

epne

B

,

edziemy si

,

e zajmowali funkcjami postaci f : D → R gdzie D ⊂ R

2

. Poj

,

ecia

granicy, ci

,

ag lo´

sci, pochodnej, ekstremum lokalnego i globalnego zostan

,

a prze-

niesione w t

,

e now

,

a przestrze´

n. Na pocz

,

atek kilka podstawowych poj

,

c topolo-

gicznych na p laszczy´

znie.

Definicja 1.1 Niech



(x

n

, y

n

)



n∈N

b

,

edzie ci

,

agiem punkt´

ow p laszczyzny. Po-

wiemy, ˙ze ci

,

ag ten d

,

a˙zy do punktu (x

0

, y

0

), gdy x

n

→ x

0

i y

n

→ y

0

przy n → ∞.

Definicja 1.2 Niech (x

1

, y

1

), (x

2

, y

2

) ∈ R

2

. Odleg lo´

sci

,

a mi

,

edzy tymi punktami

b

,

edziemy nazywali liczb

,

e

d



(x

1

, y

1

), (x

2

, y

2

)



=

p

(x

2

− x

1

)

2

+ (y

2

− y

1

)

2

.

Definicja 1.3 Kul

,

a o ´

srodku w p ∈ R

2

i promieniu r > 0 nazywamy zbi´

or

K(p, r) = {q ∈ R

2

: d(p, q) < r}.

Definicja 1.4 Niech D ⊂ R

2

, p ∈ D. Powiemy, ˙ze D jest otoczeniem punktu

p (lub: punkt p le˙zy we wn

,

etrzu D), je´

sli istnieje taki promie´

n r > 0, ˙ze

K(p, r) ⊂ D. Zbi´

or wszystkich punkt´

ow wewn

,

etrznych zbioru D nazywamy jego

wn

,

etrzem i oznaczamy przez IntD.

Definicja 1.5 Zbi´

or D ⊂ R

2

nazwiemy otwartym, je˙zeli jest on otoczeniem

ka˙zdego swojego punktu.

Definicja 1.6 Zbi´

or D ⊂ R

2

nazwiemy domkni

,

etym, je˙zeli R

2

\ D jest zbiorem

otwartym.

Definicja 1.7 Zbi´

or D ⊂ R

2

nazwiemy ograniczonym, je˙zeli istnieje takie r > 0,

˙ze

D ⊂ K((0, 0), r).

1

background image

Definicja 1.8 Niech D ⊂ R

2

, p ∈ R

2

. Powiemy, ˙ze p jest punktem skupienia

zbioru D je˙zeli istnieje ci

,

ag (q

n

)

n∈N

punkt´

ow zbioru D r´

o˙znych od p, zbie˙zny

do p.

Definicja 1.9 Suma zbioru D i zbioru jego punkt´

ow skupienia jest nazywana

domkni

,

eciem zbioru D.

Definicja 1.10 Zbi´

or otwarty, kt´

orego nie da si

,

e przedstawi´

c jako sumy dw´

och

roz lacznych zbior´

ow otwartych i niepustych, nazywamy obszarem.

Definicja 1.11 Domkni

,

ecie obszaru nazywamy obszarem domkni

,

etym.

Definicja 1.12 Liczb

,

e

δ(D) = sup{d(p, q) : p, q ∈ D}

nazywamy ´

srednic

,

a zbioru D.

2

Granica i ci

,

ag lo´

c funkcji dw´

och zmiennych

Definicja 2.1 Niech f

: D → R gdzie D ⊂ R

2

. Niech p = (x

0

, y

0

) b

,

edzie

punktem skupienia zbioru D. Powiemy, ˙ze funkcja f ma w punkcie p granic

,

e g

(r´

own

,

a by´

c mo˙ze + − ∞), je˙zeli dla ka˙zdego ci

,

agu (q

n

)

n∈N

punkt´

ow zbioru D

o˙znych od p, zbie˙znego do p zachodzi f (q

n

) → g.

Definicja 2.2 Niech f

: D → R gdzie D ⊂ R

2

. Niech p = (x

0

, y

0

) ∈ D.

Powiemy, ˙ze funkcja f jest ci

,

ag la w punkcie p, je˙zeli dla ka˙zdego ci

,

agu (q

n

)

n∈N

punkt´

ow zbioru D zbie˙znego do p zachodzi f (q

n

) → f(p).

Definicja 2.3 Powiemy, ˙ze f : D → R jest ci

,

ag la na D, je˙zeli jest ci

,

ag la w

ka˙zdym punkcie tego zbioru.

Twierdzenie 2.1 (o lokalnym zachowaniu znaku.) Niech f : D → R b

,

edzie

ci

,

ag la w punkcie p ∈ D i niech f (p) > 0. W´

owczas istnieje takie otoczenie V

punktu p, ˙ze f (q) > 0 dla q ∈ D ∩ V.

2

background image

Twierdzenie 2.2 (Weierstrassa o przyjmowaniu kres´

ow) Niech f : D → R

gdzie D ⊂ R

2

jest zbiorem domkni

,

etym i ograniczonym. Niech f b

,

edzie ci

,

ag la

na D. W´

owczas

1. f jest funkcj

,

a ograniczon

,

a,

2. istniej

,

a takie punkty p

max

i p

min

, ˙ze

f (p

max

) = max{f(q) : q ∈ D}

i

f(p

min

) = min{f(q) : q ∈ D}.

3

Pochodne cz

,

astkowe i ekstrema funkcji dw´

och

zmiennych

Definicja 3.1 Niech f : D → R, niech D b

,

edzie otoczeniem punktu (x

0

, y

0

).

Granic

,

e

lim

h→0

f (x

0

+ h, y

0

) − f (x

0

, y

0

)

h

(je´

sli istnieje) b

,

edziemy nazywa´

c pochodn

,

a cz

,

astkow

,

a funkcji f po pierwszej

zmiennej w punkcie (x

0

, y

0

) i oznacza´

c przez f

0

x

(x

0

, y

0

). Liczb

,

e t

,

e mo˙zna uto˙zsami´

c

z pochodn

,

a w punkcie x

0

funkcji jednej zmiennej powsta lej z f przez ustalenie

y = y

0

.

Definicj

,

e pochodnej cz

,

astkowej po drugiej zmiennej pozostawiamy czytelni-

kowi.

Je˙zeli pochodnie cz

,

astkowe f

0

x

i f

0

y

istniej

,

a w pewnym otoczeniu V punktu

(x

0

, y

0

), to mo˙zemy je potraktowa´

c jako nowe funkcje dw´

och zmiennych. Licz

,

ac

z kolei ich pochodne cz

,

astkowe w (x

0

, y

0

) (je´

sli istniej

,

a) otrzymamy liczby

f

00

xx

(x

0

, y

0

), f

00

xy

(x

0

, y

0

), f

00

yx

(x

0

, y

0

), f

00

yy

(x

0

, y

0

)

zwane pochodnymi cz

,

astkowymi drugiego rz

,

edu funkcji f w punkcie (x

0

, y

0

).

Twierdzenie 3.1 (Schwarza) Je˙zeli funkcja f ma w pewnym otoczeniu punktu

(x

0

, y

0

) pochodne cz

,

astkowe mieszane f

00

xy

i f

00

yx

i s

,

a one ci

,

ag le w (x

0

, y

0

) to

f

00

xy

(x

0

, y

0

) = f

00

yx

(x

0

, y

0

)

3

background image

Definicja 3.2 Powiemy, ˙ze funkcja f

:

D → R ma maksimum lokalne w

punkcie p ∈ D, je˙zeli istnieje takie otoczenie V punktu p, ˙ze f (p) ≥ f(q) dla

q ∈ D ∩ V.

Definicja 3.3 Powiemy, ˙ze funkcja f : D → R ma maksimum lokalne w la´

sciwe

w punkcie p ∈ D je˙zeli istnieje takie otoczenie V punktu p, ˙ze f (p) > f(q) dla

q ∈ D ∩ V \ {p}.

Definicja 3.4 Powiemy, ˙ze funkcja f : D → R ma maksimum absolutne w

punkcie p ∈ D, je˙zeli f (p) ≥ f(q) dla q ∈ D.

Twierdzenie 3.2 (warunek konieczny istniena ekstremum) Niech f

: D →

R, niech D b

,

edzie otoczeniem punktu (x

0

, y

0

). Je˙zeli funkcja f ma w (x

0

, y

0

)

pochodne cz

,

astkowe i ma w tym punkcie maksimum lokalne, to

f

0

x

(x

0

, y

0

) = f

0

y

(x

0

, y

0

) = 0.

Definicja 3.5 Niech f posiada ci

,

ag le pochodne cz

,

astkowe drugiego rz

,

edu na

pewnym zbiorze otwartym D. Liczb

,

e

W (x

0

, y

0

) = det

h

f

00

xx

(x

0

, y

0

)

f

00

xy

(x

0

, y

0

)

f

00

yx

(x

0

, y

0

)

f

00

yy

(x

0

, y

0

)

i

nazywamy wyr´

o˙znikiem funkcji f w (x

0

, y

0

).

Twierdzenie 3.3 (warunek wystarczaj

,

acy istnienia ekstremum lokalnego) Niech

f posiada ci

,

ag le pochodne cz

,

astkowe drugiego rz

,

edu na pewnym otoczeniu

otwartym D punktu (x

0

, y

0

). Je˙zeli

1. f

0

x

(x

0

, y

0

) = 0, f

0

y

(x

0

, y

0

) = 0,

2. W (x

0

, y

0

) > 0,

to funkcja f ma w (x

0

, y

0

) ekstremum lokalne w la´

sciwe.

Uwaga 3.1 Je˙zeli w tej samej sytuacji otrzymamy W (x

0

, y

0

) < 0, oznacza to,

˙ze w punkcie (x

0

, y

0

) nie ma ekstremum lokalnego.

4

background image

4

o ˙zniczka zupe lna funkcji

Definicja 4.1 Niech f : D → R, niech D b

,

edzie otoczeniem punktu (x

0

, y

0

).

Funkcj

,

e liniow

,

a A(x, y) = a · x + b · y spe lniaj

,

ac

,

a warunek

lim

(x,y)→(x

0

,y

0

)

f (x, y) − f (x

0

, y

0

) − A(x − x

0

, y − y

0

)

p(x − x

0

)

2

+ (y − y

0

)

2

= 0

(je´

sli taka istnieje) nazwiemy r´

o˙zniczk

,

a zupe ln

,

a funkcji f w (x

0

, y

0

). O funkcji

f powiemy w´

owczas, ˙ze jest r´

o˙zniczkowalna w punkcie (x

0

, y

0

).

Twierdzenie 4.1 Je˙zeli funkcja liniowa A(x, y) = a · x + b · y jest r´

o˙zniczk

,

a

zupe ln

,

a funkcji f w (x

0

, y

0

) to f posiada w tym punkcie pochodne cz

,

astkowe

owne

f

0

x

(x

0

, y

0

) = a, f

0

y

(x

0

, y

0

) = b.

5

Funkcja uwik lana

Definicja 5.1 Niech F : D → R, gdzie D jest zbiorem otwartym w R

2

.

Ka˙zd

,

a funkcj

,

e ci

,

ag l

,

a y = y(x) okre´

slon

,

a na pewnym przedziale I ⊂ R tak

,

a,

˙ze F (x, y(x)) = 0 dla x ∈ I nazwiemy funkcj

,

a uwik lan

,

a dan

,

a r´

ownaniem

F (x, y) = 0.

Uwaga 5.1 R´

ownanie F (x, y) = 0 mo˙ze na pewnym przedziale okre´

sla´

c jedn

,

a

funkcj

,

e uwik lan

,

a, wiele funkcji uwik lanych lub ˙zadnej.

Twierdzenie 5.1 (o istnieniu funkcji uwik lanej) Je˙zeli F jest klasy C

1

(czyli

ma ci

,

ag le pochodne cz

,

astkowe pierwszego rz

,

edu) w pewnym otoczeniu punktu

(x

0

, y

0

) oraz

F (x

0

, y

0

) = 0 i F

0
y

(x

0

, y

0

) 6= 0

to na pewnym otoczeniu punktu x

0

istnieje dok ladnie jedna funkcja dana r´

ownaniem

F (x, y) = 0 i spe lniaj

,

aca warunek y(x

0

) = y

0

. Funkcja ta ma ci

,

ag l

,

a pochodn

,

a

okre´

slon

,

a wzorem

y

0

(x) = −

F

0

x

(x, y(x))

F

0

y

(x, y(x))

.

5

background image

Twierdzenie 5.2 (warunek wystarczaj

,

acy istnienia ekstremum funkcji uwik lanej)

Je˙zeli F jest funkcj

,

a klasy C

2

na pewnym otoczeniu punktu (x

0

, y

0

) oraz

1. F (x

0

, y

0

) = 0,

2. F

0

x

(x

0

, y

0

) = 0,

3. F

0

y

(x

0

, y

0

) 6= 0,

4. I(x

0

, y

0

) = −

F

00

xx

(x

0

,y

0

)

F

0

y

(x

0

,y

0

)

6= 0

to funkcja uwik lana y = y(x) okre´

slona r´

ownaniem F (x, y) = 0 i spe lniaj

,

aca

warunek y(x

0

) = y

0

ma w punkcie x

0

ekstremum lokalne y

0

. Jest to maksimum

gdy I(x

0

, y

0

) < 0 i minimum, gdy I(x

0

, y

0

) > 0.

6