background image

Funkcje dwóch i trzech zmiennych

Niech R

2

{(x, y) : x, y ∈ R} oznacza płaszczyznę,

R

3

{(x, y, z) : x, y, z ∈ R} przestrzeń.

Odległość punktów będziemy określali następująco:

|P

1

P

0

=

q

(x

1

− x

0

)

2

+ (y

1

− y

0

)

2

, P

0

= (x

0

, y

0

), P

1

= (x

1

, y

1

),

|P

1

P

0

=

q

(x

1

− x

0

)

2

+ (y

1

− y

0

)

2

+ (z

1

− z

0

)

2

, P

0

= (x

0

, y

0

, z

0

), P

1

= (x

1

, y

1

, z

1

).

Definicja 1 Otoczeniem o promieniu r > 0 punktu P

0

na płaszczyźnie lub w przestrzeni

nazywamy zbiór

O(P

0

, r) = {P |P

0

P | < r} .

background image

Definicja 2 Zbiór jest otwarty, jeżeli każdy punkt tego zbioru jest zawarty w tym zbiorze
wraz z pewnym swoim otoczeniem

background image

Definicja 3 Funkcją dwóch zmiennych określoną na zbiorze A ⊂ R

2

(R

3

) o wartościach

nazywamy przyporządkowanie każdemu punktowi ze zbioru dokładnie jednej liczby
rzeczywistej.

(x, y)(x, y∈ A

Zbiór nazywamy dziedziną funkcji i oznaczamy przez D

f

.

background image

Definicja 4 Wykresem funkcji dwóch zmiennych nazywamy zbiór

{(x, y, f (x, y)) : (x, y∈ D

f

} .

Definicja 5 Poziomicą wykresu funkcji , odpowiadającą poziomowi h ∈ R, nazywamy
zbiór

{(x, y∈ D

f

(x, y) = h} .

background image

Niech będzie określona na zbiorze otwartym zawierającym punkt (x

0

, y

0

).

Definicja 6 jest ciągła w punkcie (x

0

, y

0

), gdy

^

>0

_

δ>0

^

(x,y)∈D

[(

q

(x − x

0

)

2

+ (y − y

0

)

2

< δ⇒ (|f (x, y− f (x

0

, y

0

)| < )]

background image

Pochodne cząstkowe

Definicja 7 Pochodną cząstkową pierwszego rzędu funkcji względem w punkcie (x

0

, y

0

)

określamy wzorem

∂f

∂x

(x

0

, y

0

) = lim

x→0

(x

0

+ ∆x, y

0

− f (x

0

, y

0

)

x

,

o ile ta granica istnieje.

Uwaga 1 Niech (x) = (x, y

0

)Wtedy

∂f
∂x

(x

0

, y

0

) = F

0

(x

0

).

background image

Analogicznie

∂f

∂y

(x

0

, y

0

) = lim

y→0

(x

0

, y

0

+ ∆y− f (x

0

, y

0

)

y

,

o ile ta granica istnieje.

Uwaga 2 Niech G(y) = (x

0

, y)Wtedy

∂f
∂y

(x

0

, y

0

) = G

0

(y

0

).

background image

Definicja 8 Jeżeli ma pochodne cząstkowe pierwszego rzędu w każdym punkcie zbioru
otwartego D ⊂ R

2

, to funkcje

∂f

∂x

(x, y),

∂f

∂y

(x, y)gdzie (x, y∈ D

nazywamy pochodnymi cząstkowymi pierwszego rzędu na zbiorze D.

background image

Płaszczyzna styczna

Załóżmy, że pochodne cząstkowe

∂f
∂x

,

∂f
∂y

są ciągłe w punkcie (x

0

, y

0

). Wtedy płaszczyzna

o równaniu

=

∂f

∂x

(x

0

, y

0

)(x − x

0

) +

∂f

∂y

(x

0

, y

0

)(y − y

0

) + (x

0

, y

0

)

jest styczna do wykresu funkcji (x, y) w punkcie (x

0

, y

0

, f (x

0

, y

0

)).

background image

Pochodne cząstkowe wyższych rzędów

Niech ma pochodne

∂f
∂x

,

∂f
∂y

na zbiorze otwartym oraz niech (x

0

, y

0

∈ D.

Definicja 9 Pochodne cząstkowe drugiego rzędu w punkcie (x

0

, y

0

) określamy wzorami:

2

f

∂x

2

(x

0

, y

0

) =

∂x

(

∂f

∂x

)(x

0

, y

0

) = f

xx

(x

0

, y

0

)

2

f

∂x∂y

(x

0

, y

0

) =

∂x

(

∂f

∂y

)(x

0

, y

0

) = f

xy

(x

0

, y

0

)

2

f

∂y∂x

(x

0

, y

0

) =

∂y

(

∂f

∂x

)(x

0

, y

0

) = f

yx

(x

0

, y

0

)

2

f

∂y

2

(x

0

, y

0

) =

∂y

(

∂f

∂y

)(x

0

, y

0

) = f

yy

(x

0

, y

0

)

background image

Twierdzenie 1 (Schwartza o pochodnych mieszanych)
Niech pochodne cząstkowe

2

f

∂x∂y

,

2

f

∂y∂x

istnieją na otoczeniu punktu (x

0

, y

0

) oraz będą ciągłe

w punkcie (x

0

, y

0

)Wtedy

2

f

∂x∂y

(x

0

, y

0

) =

2

f

∂y∂x

(x

0

, y

0

).

background image

Pochodna cząstkowa n-tego rzędu

n

f

∂y

k

∂x

l

(x

0

, y

0

)gdzie n

-pochodna cząstkowa n-tego rzędu funkcji w punkcie (x

0

, y

0

) powstała w wyniku l-

krotnego różniczkowania względem zmiennej i następnie k-krotnego różniczkowania
względem zmiennej y

background image

Pochodna kierunkowa funkcji

Niech ~

= (v

x

, v

y

) będzie wersorem na płaszczyźnie. Niech będzie określona na zbiorze

otwartym D ⊂ R

2

oraz niech punkt (x

0

, y

0

∈ D.

Definicja 10 Pochodną kierunkową funkcji w punkcie (x

0

, y

0

) w kierunku wersora ~

v

określamy wzorem:

∂f

∂~

v

(x

0

, y

0

) = lim

t→0

+

(x

0

tv

x

, y

0

tv

y

− f (x

0

, y

0

)

t

.

Uwaga 3 Niech (t) = (x

0

tv

x

, y

0

tv

y

)Wtedy

∂f

∂~

v

(x

0

, y

0

) = F

0

+

(0).

background image

Gradient funkcji

Definicja 11 Niech istnieją pochodne cząstkowe

∂f
∂x

(x

0

, y

0

),

∂f
∂y

(x

0

, y

0

)Gradientem funkcji

w punkcie (x

0

, y

0

) nazywamy wektor

grad f (x

0

, y

0

) = (

∂f

∂x

(x

0

, y

0

),

∂f

∂y

(x

0

, y

0

)).

background image

Twierdzenie 2 Niech pochodne

∂f
∂x

,

∂f
∂y

istnieją na zbiorze otwartym i będą ciągłe w

punkcie (x

0

, y

0

∈ D. Wtedy

∂f

∂~

v

(x

0

, y

0

) = grad f (x

0

, y

0

◦ ~

v.

Interpretacja geometryczna
Gradient funkcji w punkcie wskazuje kierunek najszybszego wzrostu funkcji w tym punk-
cie.

background image

Ekstrema lokalne

Niech będzie określona na zbiorze otwartym zawierającym punkt (x

0

, y

0

).

Definicja 12 ma w punkcie (x

0

, y

0

) minimum lokalne, jeżeli

_

δ>0

^

(x,y)∈D

[(x, y∈ O((x

0

, y

0

), δ⇒ f (x, y­ f (x

0

, y

0

)].

background image

Twierdzenie 3 (Warunek konieczny istnienia ekstremum)
Niech będzie określone na otoczeniu punktu (x

0

, y

0

)Jeśli ma ekstremum lokalne w

(x

0

, y

0

) i istnieją pochodne cząstkowe

∂f
∂x

(x

0

, y

0

),

∂f
∂y

(x

0

, y

0

) to

∂f

∂x

(x

0

, y

0

) =

∂f

∂y

(x

0

, y

0

) = 0.

background image

Twierdzenie 4 (Warunek wystarczający istnienia ekstremum)
Jeżeli ma ciągłe pochodne cząstkowe rzędu drugiego na otoczeniu punktu (x

0

, y

0

) i

∂f
∂x

(x

0

, y

0

) =

∂f
∂y

(x

0

, y

0

) = 0 oraz

det

2

f

∂x

2

(x

0

, y

0

)

2

f

∂x∂y

(x

0

, y

0

)

2

f

∂x∂y

(x

0

, y

0

)

2

f

∂y

2

(x

0

, y

0

)

0

to ma ekstremum lokalne w (x

0

, y

0

) i jest to :

minimum lokalne właściwe , gdy

2

f

∂x

2

(x

0

, y

0

0 albo

maksimum lokalne właściwe, gdy

2

f

∂x

2

(x

0

, y

0

0.

Uwaga 4 Jeśli det[ ] 0, to nie ma w (x

0

, y

0

) ekstremum lokalnego.

background image

Ekstrema warunkowe

Definicja 13 Funkcja ma w punkcie (x

0

, y

0

) minimum lokalne właściwe z warunkiem

g(x, y) = 0 gdy g(x

0

, y

0

) = 0 i

_

δ>0

^

(x,y)∈D

[(x, y∈ S((x

0

, y

0

), δ∧ g(x, y) = 0] ⇒ [(x, y> f (x

0

, y

0

)]

background image

Zbiory domknięte

Niech będzie zbiorem na płaszczyźnie lub w przestrzeni:

Definicja 14 Punkt jest punktem brzegowym zbioru jeżeli

^

r>0

O(P, r∩ A 6∅ oraz O(P, r∩ A

0

6∅.

A

0

-dopełnienie zbioru A.

background image

Definicja 15 Brzegiem zbioru nazywamy zbiór wszystkich jego punktów brzegowych.

Definicja 16 Zbiór jest domknięty jeżeli zawiera swój brzeg.

background image

Definicja 17 Zbiór jest ograniczony jeżeli jest zawarty w otoczeniu pewnego punktu

_

P

0

_

r>0

D ⊂ O(P

0

, r).

Twierdzenie 5 (Weierstrassa o osiąganiu kresów)
Jeżeli zbiór jest domknięty i ograniczony i funkcja jest ciągła na D, to

_

(x

1

,y

1

)∈D

(x

1

, y

1

) = sup {f (x, y) : (x, y∈ D}

_

(x

2

,y

2

)∈D

(x

2

, y

2

) = inf {f (x, y) : (x, y∈ D}

background image

Znajdowanie wartości największej i najmniejszej funkcji ciągłej na

zbiorze domkniętym

1. Na zbiorze otwartym szukamy punktów, w których funkcja może mieć ekstrema lokalne.
2. Na brzegu zbioru szukamy punktów, w których funkcja może mieć ekstrema lokalne
(ekstrema warunkowe).
Wśród wartości funkcji w tych punktach znajduje się wartość największa i najmniejsza.

background image

Całki podwójne

Całka podwójna po prostokącie

Niech {(x, y) : a ¬ x ¬ b, c ¬ y ¬ d} = [a, b× [c, d]

{P

1

, P

2

, ..., P

n

będzie podziałem prostokąta na prostokąty P

k

¬ k ¬ n.

Oznaczmy

x

k

y

k

-wymiary prostokąta P

k

¬ k ¬ n,

d

k

=

q

(∆x

k

)

2

+ (∆y

k

)

2

-długość przekątnej prostokąta P

k

¬ k ¬ n,

δ(P) = max {d

k

: 1 ¬ k ¬ n}

-średnica podziału P,

(x


k

, y

k

∈ P

k

-punkt pośredni k-tego prostokąta podziału P, 1 ¬ k ¬ n

Σ = {(x


k

, y

k

) : 1 ¬ k ¬ n}

-zbiór punktów pośrednich podziału P.

background image

Niech funkcja będzie ograniczona na prostokącie P.

Definicja 18 Sumę

σ(f, P) =

n

X

k=1

(x


k

, y

k

)∆x

k

y

k

nazywamy sumą całkową.

Ciąg podziałów (P

n

) nazywamy ciągiem normalnym podziałów prostokąta jeżeli

lim

n→∞

δ(P

n

) = 0.

Definicja 19 Całkę podwójną z funkcji po prostokącie określamy wzorem

R R

P

(x, y)dxdy = lim

n→∞

σ(f, P

n

)

gdzie (P

n

) jest normalnym ciągiem podziałów, o ile granica jest właściwa i taka sama dla

dowolnego normalnego ciągu podziałów (P

n

) oraz nie zależy od sposobów wyboru punktów

pośrednich Σ

n

background image

Twierdzenie 6 (Warunek wystarczający całkowania funkcji)
Funkcja ograniczona w prostokącie jest całkowalna, jeżeli wszystkie jej punkty niecią-
głości leżą na skończonej ilości krzywych postaci y(x) lub x(y).

background image

Twierdzenie 7 Jeżeli są całkowalne na prostokącie oraz c ∈ R, to

R R

P

((x, y) + g(x, y))dxdy =

R R

P

(x, y)dxdy +

R R

P

g(x, y)dxdy,

R R

P

cf (x, y)dxdy c

R R

P

(x, y)dxdy,

R R

P

(x, y)dxdy =

R R

P

1

(x, y)dxdy +

R R

P

2

(x, y)dxdy

gdzie {P

1

, P

2

jest podziałem prostokąta na prostokąty P

1

, P

2

.

background image

Twierdzenie 8 Jeżeli istnieje

R R

P

(x, y)dxdy oraz istnieje całka

d

R

c

(x, y)dy dla każdego

x, to

R R

P

(x, y)dxdy =

b

Z

a

dx

d

Z

c

(x, y)dy =

d

Z

c

dy

b

Z

a

(x, y)dx.

Wniosek 1 Niech funkcja będzie ciągła na prostokącie = [a, b× [c, d]. Wtedy

R R

P

(x, y)dxdy =

b

Z

a

dx

d

Z

c

(x, y)dy =

d

Z

c

dy

b

Z

a

(x, y)dx.

background image

Interpretacja geometryczna

Niech {(x, y, z) : (x, y∈ P, ¬ z ¬ f (x, y)} . Wtedy

|V | =

R R

P

(x, y)dxdy.

background image

Obszary

Definicja 20 Zbiór D ⊂ R

2

(R

3

) nazywamy obszarem, jeżeli jest otwarty i każde dwa

punkty zbioru można połączyć łamaną całkowicie w nim zawartą.
Obszar łącznie ze swoim brzegiem nazywamy obszarem domkniętym.

background image

Całka podwójna po obszarze

Niech będzie funkcją ograniczoną na obszarze ograniczonym D ⊂ R

2

.

Niech będzie dowolnym prostokątem takim, że D ⊂ P. Określamy funkcję

f

(x, y) =

(

(x, y) dla

(x, y∈ D

0

dla (x, y∈ R

2

− D.

Definicja 21 Całkę podwójną z funkcji po obszarze określamy wzorem

R R

D

(x, y)dxdy =

R R

P

f

(x, y)dxdy.

background image

Definicja 22 a) Obszarem normalnym względem osi Ox nazywamy zbiór

{(x, y) : a ¬ x ¬ b, g(x¬ y ¬ h(x)}

gdzie funkcje są ciągłe na [a, b] oraz g(x< h(x) dla każdego x ∈ (a, b).
b) Obszarem normalnym względem osi Oy nazywamy zbiór

{(x, y) : c ¬ y ¬ d, p(y¬ x ¬ q(y)}

gdzie funkcje są ciągłe na [c, d] oraz p(y< q(y) dla każdego y ∈ (c, d).

background image

Twierdzenie 9 Jeżeli funkcja jest ciągła na obszarze normalnym
a) {(x, y) : a ¬ x ¬ b, g(x¬ y ¬ h(x)}, to

R R

D

(x, y)dxdy =

b

Z

a

(

h(x)

Z

g(x)

(x, y)dy)dx,

b){(x, y) : c ¬ y ¬ d, p(y¬ x ¬ q(y)} , to

R R

D

(x, y)dxdy =

d

Z

c

(

q(y)

Z

p(y)

(x, y)dx)dy.

background image

Całka podwójna po obszarze regularnym

Definicja 23 Obszar D, który jest sumą skończonej liczby obszarów normalnych ( wzglę-
dem osi Ox lub Oy D

1

, ..., D

n

o parami rozłącznych wnętrzach nazywamy obszarem

regularnym na płaszczyźnie.

Twierdzenie 10 Jeżeli funkcja jest całkowalna na obszarze regularnym D, to

R R

D

(x, y)dxdy =

R R

D

1

(x, y)dxdy ... +

R R

D

n

(x, y)dxdy.

background image

Zamiana zmiennych w całkach podwójnych

Współrzędne biegunowe

= (x, y≈ (ϕ, ρ),

gdzie ϕ-miara kąta między dodatnią częścią osi Ox a promieniem wodzącym punktu P
¬ ϕ < 2π (albo −π < ϕ ¬ π),
ρ
-odległość punktu od początku układu współrzędnych.

:=

(

=

ρcosϕ

ρsinϕ.

B- przekształcenie, które parze (ϕ, ρ) przyporządkowuje parę (x, y).

background image

Twierdzenie 11 Niech obszar we współrzędnych biegunowych będzie obszarem normal-
nym i ma postać

{(ϕ, ρ) : α ¬ ϕ ¬ β, g(ϕ¬ ρ ¬ h(ϕ)} ,

gdzie funkcje nieujemne są ciągłe na przedziale [α, β⊂ [02π]. Niech będzie ciągła
na obszarze B()Wtedy

R R

D

(x, y)dxdy =

R R

U

(ρcosϕ, ρsinϕ)ρdρdϕ =

β

Z

α

[

h(ϕ)

Z

g(ϕ)

(ρcosϕ, ρsinϕ)ρdρ]dϕ.

background image

Całki potrójne

Całka potrójna po prostopadłościanie

Niech {(x, y, z) : a ¬ x ¬ b, c ¬ y ¬ d, p ¬ z ¬ q} = [a, b× [c, d× [p, q]

{P

1

, P

2

, ..., P

n

będzie podziałem prostopadłościanu na prostopadłościany P

k

¬

k ¬ n.

Oznaczmy

x

k

y

k

z

k

-wymiary prostopadłościanu P

k

¬ k ¬ n,

d

k

=

q

(∆x

k

)

2

+ (∆y

k

)

2

+ (∆z

k

)

2

-długość przekątnej prostopadłościanu P

k

¬ k ¬ n,

δ(P) = max {d

k

: 1 ¬ k ¬ n}

-średnica podziału P,

(x


k

, y

k

, z

k

∈ P

k

-punkt pośredni k-tego prostopadłościanu podziału P, 1 ¬ k ¬ n

Σ = {(x


k

, y

k

, z

k

) : 1 ¬ k ¬ n}

-zbiór punktów pośrednich podziału P.

background image

Niech funkcja będzie ograniczona na prostopadłościanie P.

Definicja 24 Sumę

σ(f, P) =

n

X

k=1

(x


k

, y

k

, z

k

)∆x

k

y

k

z

k

nazywamy sumą całkową.

Ciąg podziałów (P

n

) nazywamy ciągiem normalnym podziałów prostopadłościanu jeżeli

lim

n→∞

δ(P

n

) = 0.

Definicja 25 Całkę potrójną z funkcji po prostopadłościanie określamy wzorem

R R R

P

(x, y, z)dxdydz = lim

n→∞

σ(f, P

n

)

gdzie (P

n

) jest normalnym ciągiem podziałów, o ile granica jest właściwa i taka sama dla

dowolnego normalnego ciągu podziałów (P

n

) oraz nie zależy od sposobów wyboru punktów

pośrednich Σ

n

background image

Interpretacja fizyczna całki potrójnej

Niech oznacza gęstość objętościową masy. Wtedy prostopadłościan ma masę

=

R R R

P

(x, y, z)dxdydz.

background image

Twierdzenie 12 Jeżeli są całkowalne na prostopadłościanie oraz α ∈ R, β ∈ R,
to

R R R

P

(αf (x, y, z) + βg(x, y, z))dxdydz α

R R R

P

(x, y, z)dxdydz β

R R R

P

g(x, y, z)dxdydz,

R R R

P

(x, y, z)dxdydz =

R R R

P

1

(x, y, z)dxdydz +

R R R

P

2

(x, y, z)dxdydz

gdzie {P

1

, P

2

jest podziałem prostopadłościanu na prostopadłościany P

1

, P

2

.

background image

Twierdzenie 13 (O zamianie całki potrójnej na iterowaną)
Niech funkcja będzie ciągła na prostopadłościanie = [a, b× [c, d× [p, q]. Wtedy

R R R

P

(x, y, z)dxdydz =

b

Z

a

dx

d

Z

c

dy

q

Z

p

(x, y, z)dz

background image

Całka potrójna po obszarze

Niech będzie funkcją ograniczoną na obszarze ograniczonym V ⊂ R

3

.

Niech będzie dowolnym prostopadłościanem zawierającym obszar V. Określamy funkcję

f

(x, y, z) =

(

(x, y, z) dla

(x, y, z∈ V

0

dla (x, y, z∈ R

3

− V.

Definicja 26 Całkę potrójną z funkcji po obszarze określamy wzorem

R R R

V

(x, y, z)dxdydz =

R R

P

f

(x, y, z)dxdydz.

background image

Definicja 27 a) Obszarem normalnym względem płaszczyzny xOy nazywamy zbiór

{(x, y, z) : (x, y∈ U, D(x, y¬ z ¬ G(x, y)}

gdzie jest obszarem regularnym na xOy, funkcje są ciągłe na , przy czym
D(x, y< G(x, y) dla (x, y) należących do wnętrza obszaru U.
Analogicznie:
b) względem xOz

{(x, y, z) : (x, z∈ U, D(x, z¬ y ¬ G(x, z)}

c) względem yOz

{(x, y, z) : (y, z∈ U, D(y, z¬ x ¬ G(y, z)} .

background image

Twierdzenie 14 Jeżeli funkcja jest ciągła na obszarze

{(x, y, z) : (x, y∈ U, D(x, y¬ z ¬ G(x, y)}

normalnym względem płaszczyzny xOy, gdzie funkcje są ciągłe na obszarze regu-
larnym , to

R R R

V

(x, y, z)dxdydz =

R R

U

(

G(x,y)

Z

D(x,y)

(x, y, z))dxdy.

Jeżeli

{(x, y) : a ¬ x ¬ b, d(x¬ y ¬ g(x)} ,

gdzie są ciągłe na [a, b], to

R R R

V

(x, y, z)dxdydz =

b

Z

a

dx

g(x)

Z

d(x)

dy

G(x,y)

Z

D(x,y)

(x, y, z)dz.

background image

Całka potrójna po obszarze regularnym

Definicja 28 Obszar , który jest sumą skończonej liczby obszarów normalnych ( wzglę-
dem płaszczyzn układu ) V

1

, ..., V

n

o parami rozłącznych wnętrzach nazywamy obszarem

regularnym na płaszczyźnie.

Twierdzenie 15 Jeżeli funkcja jest całkowalna na obszarze regularnym , to

R R R

V

(x, y, z)dxdydz =

R R R

V

1

(x, y, z)dxdydz ... +

R R R

V

n

(x, y, z)dxdydz.

background image

Zamiana zmiennych w całkach potrójnych

Współrzędne walcowe

= (x, y, z≈ (ϕ, ρ, h),

gdzie (ϕ, ρ)- współrzędne biegunowe (x, y),
¬ ϕ < 2π, (−π < ϕ ¬ π)¬ ρ < ∞−∞ < h < ∞

:=

ρcosϕ
ρsinϕ

=

h.

- przekształcenie, które trójce (ϕ, ρ, h) przyporządkowuje trójkę (x, y, z).

background image

Twierdzenie 16 Niech obszar we współrzędnych walcowych będzie obszarem normal-
nym i ma postać

{(ϕ, ρ, h) : α ¬ ϕ ¬ β, d(ϕ¬ ρ ¬ g(ϕ), D(ϕ, ρ¬ h ¬ G(ϕ, ρ)} ,

gdzie funkcje nieujemne są ciągłe na przedziale [α, β], a są ciągłe na obszarze

{(ϕ, ρ) : α ¬ ϕ ¬ β, d(ϕ¬ ρ ¬ g(ϕ)} .

Jeżeli jest ciągła na obszarze ()to

R R R

V

(x, y, z)dxdydz =

β

Z

α

g(ϕ)

Z

d(ϕ)

G(ϕ,ρ)

Z

D(ϕ,ρ)

(ρcosϕ, ρsinϕ, h)ρdh.