Lösningsskisser till tentamen i 92/93MA41 Flervariabelanalys 2015
Transcription
Lösningsskisser till tentamen i 92/93MA41 Flervariabelanalys 2015
Lösningsskisser till tentamen i 92/93MA41 Flervariabelanalys 2015-08-20 1. Sätt F (x, y, z) = xy + yz + xz; då är den givna ytan nivåytan F (x, y, z) = 1. Tangentplanet till denna yta i en punkt (a, b, c) på ytan är parallellt med planet x + 2y + z = 3 precis då ∇F (a, b, c) k (1, 2, 1) och F (a, b, c) = 1, d.v.s. precis då (b + c, a + c, a + b) k (1, 2, 1) och ab + bc + ac = 1. Det första villkoret ger a = c och b = 0, som insatt i det andra ger c2 = 1, och därmed tangeringspunkterna (1, 0, 1) och (−1, 0, −1), med tangentplanen x + 2y + z = 2 respektive x + 2y + z = −2. Svar: Planen är x + 2y + z = ±2. fx0 2. Stationära punkter för f fås ur ekvationssystemet = −2x = 0, fy0 = 2yz − 4y = 0 och fz0 = y 2 − 2z = 0. Den första ekvationen ger trivialt x = 0, och den tredje ger z = y 2 /2, som insatt i den andra ger y 3 − 4y = 0, d.v.s. y = ±2 eller y = 0. Vi får således tre stationära punkter: (0, 2, 2), (0, −2, 2) och (0, 0, 0). 00 00 00 00 00 00 Andraderivatorna blir fxx = −2, fxy = 0, fxz = 0, fyy = 2z − 4, fyz = 2y, fzz = −2. 00 00 I punkten (0, 2, 2) är fyy = 0 och fyz = 4, så vi får den kvadratiska formen 00 fxx 00 fxy l 00 fxz Q(h, k, l) = h k 00 fxy 00 fyy 00 fyz 00 fxz 00 fyz = h 00 fzz k −2 l 0 0 0 0 h 0 4 k 4 −2 l = −2h2 − 2l2 + 8kl = −2h2 + 8k 2 − 2(l − 2k)2 , som är indefinit: exempelvis är Q(1, 0, 0) = −2 < 0 medan Q(0, 1, 2) = 8 > 0. Alltså är (0, 2, 2) ingen lokal extrempunkt för f . 00 00 I punkten (0, −2, 2) blir fortfarande fyy = 0 medan fyz = −4, och vi får helt analogt Q(h, k, l) = 2 2 2 2 2 −2h − 2l − 8kl = −2h + 8k − 2(l + 2k) , som också är infinit eftersom exempelvis Q(1, 0, 0) = −2 < 0 medan Q(0, −1, 2) = 8 > 0; inte heller (0, −2, 2) är någon lokal extrempunkt för f . 00 00 I punkten (0, 0, 0), slutligen, är fyy = −4 och fyz = 0, så Q(h, k, l) = −2h2 − 4k 2 − 2l2 , som är negativt definit eftersom Q(h, k, l) ≤ 0 för alla (h, k, l), och Q(h, k, l) = 0 endast om h = 0, k = 0 och l = 0, d.v.s. endast om (h, k, l) = (0, 0, 0). Alltså är punkten (x, y, z) = (0, 0, 0) en lokal maximipunkt för f . Svar: (0, 0, 0) är en lokal maximipunkt. Lokala minimipunkter saknas. 3. Linjärt byte u = x, v = 2y, w = z med |d(u, v, w)/d(x, y, z)| = 2, så att dxdydz = dudvdw/2, och nytt område E : u2 + v 2 + w2 ≤ 4, w ≤ 0, v ≤ u, följt av rymdpolärt byte u = r sin θ cos ϕ, v = r sin θ sin ϕ, w = r cos θ med dudvdw = r2 sin θ drdθdϕ och gränser F : 0 ≤ r ≤ 2, π/2 ≤ θ ≤ π, −3π/4 ≤ ϕ ≤ π/4, ger ZZZ ZZZ (2u − v)w dudvdw (x − y)z dxdydz = 2 2 D E Z 2 Z π Z π/4 1 2 4 = r dr · sin θ cos θ dθ · (2 cos ϕ − sin ϕ) dϕ 4 0 π/2 −3π/4 √ 2 3 π 1 r5 sin θ 1 32 1 √ 8 2 π/4 = [2 sin ϕ + cos ϕ]−3π/4 = · · − ·3 2=− . 4 5 0 3 4 5 3 5 π/2 4. Bivillkoren x2 ≤ y ≤ 2−x bestämmer en sluten och begränsad mängd och målfunktionen f (x, y) = x + y 2 är kontinuerlig där. Alltså existerar största och minsta värde för f på denna mängd. Kandidatjakt: • Stationära punkter finns där ∇f = 0, d.v.s. där 1 = 0, 2y = 0. Ingen kandidat här. • Kandidater på parabelbågen y = x2 : f (x, y) = x + x4 =: g(x), g 0 (x) = 1 + 4x3 = 0, x = −(1/4)1/3 , y = (1/4)2/3 . Kandidat: f (−(1/4)1/3 , (1/4)2/3 ) = −3/(4 · 41/3 ). • Kandidater på sträckan x = 2 − y: f (x, y) = 2 − y + y 2 =: h(y), h0 (y) = −1 + 2y = 0, y = 1/2, x = 3/2. Tillhör inte mängden. • Hörnpunkterna finns där x2 = 2 − x och ur denna ekvation får vi kandidaterna f (−2, 4) = 14 och f (1, 1) = 2. Svar: fmin = f (−(1/4)1/3 , (1/4)2/3 ) = − − 3/(4 · 41/3 ), fmax = f (−2, 4) = 14. 5. Med stavar i z-led får vi stavarna x2 + y 2 ≤ z ≤ 2, och projektionen D̃ på xy-planet ges av p x2 + y 2 ≤ 2 och y ≥ |x|, som kan skrivas −1 ≤ x ≤ 1, |x| ≤ y ≤ 2 − x2 (rita figur!). Således blir ! ZZZ Z Z Z Z √ 2 Z 2 y dxdydz = 2−x 1 (2 − x2 − y 2 )y dy dx y dz dxdy = D D̃ Z 1 = −1 x2 +y 2 −1 (2 − x2 − y 2 )2 −4 |x| y=√2−x2 Z dx = y=|x| 1 (1 − 2x2 + x4 ) dx = −1 16 . 15 6. Avbildningen är C 1 , och (x, y) = (1, 2) avbildas på (u, v) = (−1, 0). Funktionalmatrisen 0 2 ∂(u, v) ux u0y 1 −1 3x − y −x = = = vx0 vy0 4 −2 2y 2x − 2y ∂(x, y) i punkten (x, y) = (1, 2), och eftersom denna matris är inverterbar (determinanten = 2 6= 0) medför inversa funktionssatsen att avbildningen har en lokal C 1 -invers x(u, v), y(u, v) definierad i någon omgivning till (u, v) = (−1, 0). Trivialt är x = 1 och y = 2 när (u, v) = (−1, 0), medan derivatorna där fås med invers matris: 0 0 −1 −1 ∂(x, y) 1 −2 1 ux u0y xu x0v 1 −1 = . = = = yu0 yv0 vx0 vy0 4 −2 ∂(u, v) 2 −4 1 Svar: I punkten (u, v) = (−1, 0) är x = 1, y = 2, x0u = −1, x0v = 1/2, yu0 = −2 och yv0 = 1/2. 7. u = xy och v = y ger zx0 = yzu0 och zy0 = xzu0 + zv0 . Vidare, 00 00 zxx = (zx0 )0x = (yzu0 )0x = y(zu0 )0x = y 2 zuu , 00 00 00 zxy = (zx0 )0y = (yzu0 )0y = zu0 + y(zu0 )0y = zu0 + xyzuu + yzuv . 00 Insättning i differentialekvationen ger efter förenkling y 3 zu0 − y 3 zuv = 0, vilket är ekvivalent med 00 0 0 zuv − zu = 0 eftersom y > 0. Sätt w = zu . Vår ekvation är då wv0 − w = 0, som löses med integrerande faktor: (e−v w)0v = 0, som ger w = ev f (u). Integration m.a.p. u ger sedan z = ev F (u) + G(v), där F och G är C 2 -funktioner av en variabel och F 0 = f . Allmän lösning till differentialekvationen är således z(x, y) = ey F (xy) + G(y). Bivillkoret ger nu 0 = z(x, x) = ex F (x2 ) + G(x) då x > 0, d.v.s. G(t) = −et F (t2 ) då t > 0, och därmed får vi lösningarna z(x, y) = ey F (xy) − ey F (y 2 ). Svar: z(x, y) = ey F (xy) − F (y 2 ) , F ∈ C 2 . 2