Egzamin z Analizy 2, 16 VI 2011 godz. 9.00

1. Zadanie wstępne

Zadanie

Odp.

∂ 2 f

1. Obliczyć pochodną

( P ) , gdzie f ( x, y) = x 2 ln(5 x + y 3)

, P = (2 , − 2)

− 36

∂x∂y

Rozwiązanie:

∂f

5

5 x 2

= 2 x · ln(5 x + y 3) + x 2 ·

= 2 x · ln(5 x + y 3) +

∂x

5 x + y 3

5 x + y 3

∂ 2 f

2 x

− 5 x 2 · 3 y 2

=

· 3 y 2 +

= 24 − 60 = − 36

∂x∂y

5 x + y 3

(5 x + y 3)2

−

→

h

z − y

q

i

2. Obliczyć dywergencję pola wektorowego F = xy + z 3 ,

, x z 2 + 3 y

− 1

x + y

w punkcie P = (2 , − 1 , 2)

Rozwiązanie:

∂P

∂Q

∂R

−( x + y) − ( z − y) x · 2 z

div ~

F =

+

+

= y +

+ √

= − 1 − 4+4 =

∂x

∂y

∂z

( x + y)2

2 z 2 + 3 y

− 1

3. Obliczyć całkę iterowaną

1





1

x 2

Z

Z



4 x 2 + 2 y d y d x





0

0

Rozwiązanie:





1

x 2

1

1

Z

Z

Z

Z

h



4 x 2 + 2 y d y d x

=

4 x 2 y + y 2i x 2 d x

=

4 x 4 + x 4 d x

=





0

0

0

0

0

1

Z

h

5 x 4 d x = x 5i1 = 1 − 0 = 1

0

0

Z

4. Obliczyć całkę krzywoliniową skierowaną

y d x + x d y

8

C

C :

x = t 2 , y = t od t = 0 do t = 2

Rozwiązanie:

2

2

Z

Z

Z

y d x + x d y =

( y( t) · ˙ x( t) + x( t) · ˙

y( t)) d t =

t · 2 t + t 2 · 1 d t =

C

0

0

2

Z

h

3 t 2 d t = t 3i2 = 8

0

0



0 ¬ ϕ ¬ 2 π





5. Zapisać zbiór A we współrzędnych walcowych w postaci normalnej:

√

0 ¬ r ¬ 2

A :

z x 2 + y 2 , z ¬ 2





r ¬ z ¬ 2

Rozwiązanie:

√

z x 2 + y 2 = ⇒ z ­ r

stożek

z ¬ 2 = ⇒ r ¬ 2

1

2. Znaleźć ekstrema lokalne funkcji

f ( x, y) = 2 x 2 + 4 y 2 − xy 2

Rozwiązanie:

Dziedzina funkcji D : R 2 -zbiór otwarty, f jest klasy C 2

Rozwiązujemy układ równań :

∂f

∂f

= 0

;

= 0

∂x

∂y

Obliczamy pochodne cząstkowe:

∂f

∂f

= 4 x − y 2

;

= 8 y − 2 xy

∂x

∂y

Stąd:

(

4 x − y 2 = 0

8 y − 2 xy = 0

2 y(4 − x) = 0

drugie równanie

Czyli y = 0 lub 4 − x = 0

Dla y = 0 z pierwszego równania:

x = 0

Dla 4 − x = 0 = ⇒ x = 4 z pierwszego równania: 16 − y 2 = 0 = ⇒ y = 4 lub y = − 4

Mamy więc trzy punkty stacjonarne:

P 1(0 , 0) , P 2(4 , 4) , P 3(4 , − 4) Obliczamy pochodne cząstkowe drugiego rzędu:

∂ 2 f

∂ 2 f

∂ 2 f

= 4

;

= 8 − 2 x

;

= − 2 y

∂x 2

∂y 2

∂x∂y

Badamy macierz drugich pochodnych w punkcie P 1 :

"

#

4 0

f 00( P 1) =

W

0 8

1 = 4 > 0 , W 2 = 32 > 0

w P 1 jest minimum lokalne

Badamy macierz drugich pochodnych w punkcie P 2 :

"

#

4 − 8

f 00( P 2) =

W

− 8

0

1 = 4 > 0 , W 2 = − 64 < 0

w punkcie P 2 nie ma

ekstremum.

Badamy macierz drugich pochodnych w punkcie P 3 :

"

#

4 8

f 00( P 3) =

W

8 0

1 = 4 > 0 , W 2 = − 64 < 0

w punkcie P 3 nie ma ekstremum.

2

3. Znaleźć ekstrema funkcji uwikłanej y( x) : x 2 + y 4 + 2 xy = 0

Rozwiązanie:

Oznaczamy f ( x, y) = x 2 + y 4 + 2 xy . Dziedziną f jest 2

R - zbiór otwarty, f jest klasy

C 2

Szukamy punktów stacjonarnych funkcji uwikłanej y( x) czyli punktów w których y0 = 0

∂f

y00 = − ∂x

∂f

∂y

∂f

∂f

= 2 x + 2 y

;

= 4 y 3 + 2 x

∂x

∂y



∂f

(



= 0

2 x + 2 y = 0

∂x

= ⇒

x 2 + y 4 + 2 xy = 0



f = 0

y = −x

z pierwszego równania

x 2 + x 4 − 2 x 2 = 0 = ⇒ x 2( x 2 − 1) = 0 = ⇒ x 1 = 0 , x 2 = 1 , x 3 = − 1

stąd: y 1 = 0 , y 2 = − 1 , y 3 = 1

Rozwiązaniem układu równań są punkty: P 1(0 , 0) , P 2(1 , − 1) , P 3( − 1 , 1)

∂f

Sprawdzamy, czy spełniony jest warunek

6= 0

∂y

∂f ( P 1) = 0 warunek nie jest spełniony

∂y

∂f ( P 2) = − 2 6= 0 warunek spełniony

∂y

∂f ( P 3) = 2 6= 0 warunek spełniony

∂y

∂f

Ponieważ w punkcie P 1 nie jest spełniony warunek 6= 0 więc odrzucamy go. (praw-

∂y

dopodobnie jest to punkt osobliwy)

∂ 2 f

Obliczmy drugą pochodną funkcji uwikłanej: y00 = − ∂x 2

∂f

∂y

∂ 2 f

2

= 2 = ⇒ y00 = −

∂x 2

4 y 3 + 2 x

2

W punkcie P 2 mamy: y00 = −

= 1 > 0 = ⇒ minimum lokalne

− 2

2

W punkcie P 3 mamy: y00 = − = − 1 < 0 = ⇒ maksimum lokalne 2

3

ZZ

4. Obliczyć

( x 2 + y) d x d y , gdzie obszar D jest ograniczony parabolami y = x 2 , y 2 = x D

.

Rozwiązanie:

Zbiór D jest obszarem normalnym:

(

0 ¬ x ¬ 1

D :

√

x 2 ¬ y ¬

x

√





1

x

Z

Z

I =



x 2 + y d y d x





0

x 2

Obliczamy całki:

√x

√

h

x

√

√

R

( x 2 + y) d y = x 2 y + 1 y 2i

= x 2 x + 1 x − x 4 − 1 x 4 = x 2 x + 1 x − 3 x 4

2

x 2

2

2

2

2

x 2

1

√

h

7

I = R x 2 x + 1 x − 3 x 4 d x = 2 x 2 + 1 x 2 − 3 x 5i1 = 2 + 1 − 3 = 40+35 − 42 = 33

2

2

7

4

10

7

4

10

140

140

0

0

Odpowiedź:

I = 33

140

4

5. Znaleźć moment bezwładności względem osi Oz jednorodnej bryły ograniczonej para-

√

boloidą obrotową z = 2 x 2 + 2 y 2 , stożkiem z = 2 x 2 + y 2 leżącej w obszarze y ­ 0

Rozwiązanie:

Ponieważ bryła jest jednorodna (gęstość jest stała).

ZZ Z

Z Z Z

Iz =

ρ( x 2 + y 2) d x d y d z = ρ

( x 2 + y 2) d x d y d z A

A

Stosujemy współrzędne walcowe:

ZZ Z

ZZ Z

Iz = ρ

r 2 · r d r d ϕ d z = ρ

r 3 d r d ϕ d z

A∗

A∗

Zbiór A∗ jest ograniczony powierzchniami:

z = 2 r i z = 2 r 2 , zachodzić ma też nierówność: r sin ϕ ­ 0 oraz standardowe ograni-czenia współrzędnych walcowych: r ­ 0 oraz ϕ ∈< 0 , 2 π > . Stąd mamy: A∗ : ϕ ∈< 0 , π > ; r ∈< 0 , 1 > ; z ∈< 2 r 2 , 2 r > Obliczamy całkę:

π

1  2 r



1

ZZ Z

Z

Z

Z

Z

h

i2 r

r 3 d r d ϕ d z =

d ϕ ·

r 3

·

r 3 z



d z d r = [ ϕ] π

d r =

0

2 r 2

A∗

0

0

2 r 2

0

1

Z

1

1

1

π

π

(2 r 4 − 2 r 5) d r = 2 π

r 5 −

r 6

=

5

6

0

15

0

Odpowiedź:

πρ

Iz = 15

5

6. Sprawdzić twierdzenie Greena dla pola wektorowego P = −y , Q = x . Obszar D jest trójkątem ABC: A(0 , − 1) , B(2 , 0) , C(0 , 2) Rozwiązanie:

ZZ

I

∂ Q

∂P

Wzór Greena:

−

d x d y =

P d x + Q d y

∂x

∂y

D

K

Obliczamy lewą stronę:

ZZ

Z Z

∂ Q

∂P

−

d x d y =

2 d x d y = 2 S

∂x

∂y

D

D

gdzie S jest ploem trójkąta. Widać, że S = 1 ah = 1 · 3 · 2 = 3. Stąd: 2

2

ZZ

∂ Q

∂P

−

d x d y = 2 · 3 = 6

∂x

∂y

D

Obliczamy prawą stronę:

Krzywa K jest łamaną zorientowaną w lewo. Dzielimy ją na 3 odcinki: I

Z

Z

Z

−y d x + x d y =

−y d x + x d y +

−y d x + x d y +

−y d x + x d y

K

K 1

K 2

K 3

Obliczamy całki:

K 1 - odcinek AB : x = t , y = 1 t − 1 ; t zmienia się od 0 do 2

2

2

2

Z

Z

1

1

Z

−y d x + x d y =

−( t − 1) · 1 d t + t ·

d t =

d t = [ t]2 = 2

2

2

0

K 1

0

0

K 2 - odcinek BC : x = t , y = 2 − t ; t zmienia się od 2 do 0

0

0

Z

Z

Z

−y d x + x d y =

−(2 − t) · 1 d t + t · ( − 1) d t =

− 2 d t = [ − 2 t]0 = 4

2

K 2

2

2

K 3 - odcinek CA : y = t , x = 0 ; t zmienia się od 2 do − 1

− 1

− 1

Z

Z

Z

−y d x + x d y =

−t · 0 d t + 0 d t =

0 d t = 0

K 3

2

2

Stąd:

I

−y d x + x d y = 2 + 4 + 0 = 6

K

6