Viktiga satser och bevis
Transcription
Viktiga satser och bevis
F LERVARIABELANALYS MMG300: D EL 1 Viktiga satser och bevis Fredrik Davidsson March 14, 2016 1 Sats: En dierentierbar funktion är kontinuerlig 1.1 Denition Låt a vara en punkt i D ⊆ Rn där f : D → R och en till funktion % : D → R. Vi säger att f är differentierbar i punkten a om det finns konstanter A 1 , ..., A n sådan att f (a + h) − f (a) = A 1 h 1 + ... + A n h n + |h|%(h) och lim %(h) = 0. h→0 Om f är differentierbar i varje punkt a ∈ D så säger vi att f är differentierbar på hela mängden D. 1.2 Bevis Det följder direkt från definitionen ovan att f (a + h) − f (a) → 0 då h → 0. Det innebär att f är kontinuerlig i punkten a. 2 Sats: En dierentierbar funktion f är partiellt deriverbar f x0 j (a) = A j , j = 1, ..., n där A 1 , ..., A n är talen i definitionen f (a + h) − f (a) = A 1 h 1 + ... + A n h n + |h|%(h) 1 2.1 Bevis Likheten ovan gäller för alla h med tillräckligt litet absolutbelopp. Speciellt kan vi välja h = t e1 = (t , 0, ..., 0). Efter division med t får vi f (a + t e1 ) − f (a) |t | = A 1 + %(t e1 ) → A 1 , då t → 0. t t Av definitionen av partiell derivata följer det att f är partiellt deriverbar med avseende på x 1 och att f x0 j (a) = A j . 3 Sats: Varje funktion f av klassen C 1 är dierentierbar 3.1 Denition Låt f vara definierad i en öppen mängd D ⊆ Rn . Vi säger att f är av klass C 1 eller att f tillhör C 1 (D) om f är partiellt deriverbar och om alla de partiella derivatorna f 10 , ..., f n0 är kontinuerliga i D. 3.2 Bevis Låt (a, b) vara en given punkt i definitionsmängden för f . Det finns en definition som säger att om f är differentierbar i punkten a så gäller f (a + h) − f (a) = A 1 h 1 + ... + A n h n + |h|%(h). Uppskatta nu skillnaden f (a + h, b + k) − f (a, b) för detta ändamål inför vi hjälppunkten (a, b + k) och skriver f (a + h, b + k) − f (a, b) = [ f (a + h, b + k) − f (a, b + k)] + [ f (a, b + k) − f (a, b)] Den första parentesen i högerledet uppfattas som en differens för en funktion av en variabel, nämligen som differensen ϕ(h) − ϕ(0) för funktionen ϕ(t ) = f (a + t , b + k). Enligt medelvärdessatsen, f (b) − f (a) = f 0 (ξ)(b − a), för funktioner av en variabel har vi att f (a + h, b + k) − f (a, b + k) = ϕ(h) − ϕ(0) = ϕ0 (θ1 h)h = f x0 (a + θ1 h, b + k)h, där 0 < θ1 < 1. Eftersom f x0 är kontinuerlig kan vi skriva f x0 (a + θ1 h, b + k)h = f x0 (a, b)h + %1 (h, k)h ⇒ f x0 (a + θ1 h, b + k) = f x0 (a, b) 2 med %1 (h, k) → 0 då (h, k) → (0, 0). På liknande sätt får vi att f (a, b + k) − f (a, b) = f y0 (a, b + θ2 k)k = f y0 (a, b) + %2 (h, k), 0 < θ2 < 1 Alltså får vi för differensen att f x0 (a, b)h + h%1 (h, k) + f y0 (a, b)k + k%2 (h, k) = f x0 (a, b)h + f y0 (a, b)k + där p h 2 + k 2 %(h, k) k h %1 (h, k) + p %2 (h, k). %(h, k) = p h2 + k 2 h2 + k 2 Här gäller att att %(h, k) → 0 när (h, k) → (0, 0). %1 och %2 har denna egenskap och faktorerna framför är begränsade. Exempelvis är h |p |≤1 h2 + k 2 4 Sats: Kedjeregeln Låt f (x) = f (x 1 , ..., x n ) vara en differentierbar funktion av n variabler och antag att funktionerna g 1 (t ), ..., g n (t ) är deriverbara i intervallet a < t < b på R. Då är sammansatta funktionen f (g(t )) också deriverbar i a < t < b och d f (g(t )) = f x01 (g(t )) · g 10 (t ) + ... + f x0n (g(t )) · g n0 (t ) dt 4.1 Bevis För enkelhetens skull skriver vi ut beviset i fallet n = 2, då f enbart beror av två variabler. Enligt derivatans definition ska vi undersöka grännsvärdet av differenskvoten f (g(t + k)) − f (g(t )) , k k →0 Eftersom f är en differentierbar funktion gäller enligt definitionen om differentierbarheten i en punkt att f (x + h) − f (x) = f x01 (x)h 1 + f x02 (x)h 2 + |h|%(h) där %(h) → 0 då h → 0 och %(0) = 0. Om vi i denna formel sätter x = g(t ) och h = g(t + k) − g(t ) så blir x + h = g(t + k). 3 x2 g(t + k) h g f x = g(t ) x1 t t +k f (g(t )) f (g(t + k)) Efter division med k får vi att f (g(t + k)) − f (g(t )) g 1 (t + k) − g 1 (t ) g 2 (t + k) − g 2 (t ) |h| = f x01 (g(t )) + f x02 (g(t )) + %(h) k k k k där högerledet går mot f x01 (g(t )) · g 10 (t ) + f x02 (g(t )) · g 20 (t ) som är definitionen av derivata av g i . Vidare har vi att h = g(t + k) − g(t ) → 0, då k → 0 och att h g(t + k) − g(t ) = → (g 10 (t ), g 20 (t )) k k Resttermen |h| k %(h) ovan går mot noll. Därmed har vi visat att gränsvärdet av differenskvoten f (g(t + k)) − f (g(t )) , k då k → 0 existerar. Vilket innebär att den sammansatta funktionen f (g(t )) är deriverbar. 5 Sats: Taylors formel av andra ordningen i två variabler Låt f (x, y) vara en C 3 -funktion i den öppna mängden D. Då är f (a + h, b + k) = f (a, b) + f x0 (a, b)h + f y0 (a, b)k 1 00 + ( f xx (a, b)h 2 + 2 f x00y (a, b)hk + f y00y (a, b)k 2 ) 2 + (h 2 + k 2 )3/2 B (h, k) Där B (h, k) är en begränsad funktion i en omgivning av origo. 5.1 Bevis Vi överför situationen på endimensionella fallet genom att betrakta funktionen F (t ) = f (a + t h, b + t k), 0 ≤ t ≤ 1 (5.1) 4 (a + h, b + k) (a + t h, b + t k) (a, b) som anger värderna av f på det räta linjestycket mellan punkterna (a, b) och (a +h, b +k). Det är klart att F blir av klassen C 3 , varför enligt Maclaurins formel för funktionen av en variabel F (t ) = F (0) + F 0 (0)t + F 00 (0)t 2 F (3) (θt ) 3 + t 2! 3! (5.2) för något θ ∈ [0, 1]. Av kedjeregeln får vi nu att F 0 (t ) = f x0 (a + t h, b + t k)h + f y0 (a + t h, b + t k)k och därefter 00 F 00 (t ) = f xx (a + t h, b + t k)h 2 + 2 f x00y (a + t h, b + t k)hk + f y00y (a + t k)k 2 Sätter vi t = 1 i (5.2) får vi alltså 1 1 f (a + h, b + k) = F (0) + F 0 (0) + F 00 (0) + F (3) (θ) 2 6 med F (0) = f (a, b), F 0 (0) = f x0 (a, b)h + f y0 (a, b)k 00 (a, b)h 2 + 2 f x00y (a, b)hk + f y00y (a, b)k 2 F 00 (0) = f xx För att nu visa att (5.1) gäller så återstår bara att inse att 61 F (3) (θ) kan skrivas (h 2 +k 2 )3/2 B (h, k). Genom derivation av uttrycket ovan för F 00 (t ) ser vi att F (3) (t ) består av en summa innehållande tredje ordningens derivator av f med motsvarande potenser av h och k i koefficienterna. Alla derivator av tredje ordningen är kontinuerliga och därför begränsade i en omgivning av (a, b). Vidare följer av olikheterna p p |h| ≤ h 2 + k 2 , |k| ≤ h 2 + k 2 att var och en av faktorerna h 3 , h 2 k, hk 2 , och k 3 kan uppskattas med (h 2 + k 2 )3/2 . Därför är varje term i 16 F (3) (θ) till beloppet mindre än eller lika med en konstant gånger (h 2 + k 2 )3/2 . Om resttermen divideras med (h 2 + k 2 )3/2 så blir resultatet en begränsad funktion. 6 Sats: Extremvärden Om funktionen f (x) har lokalt extremvärde i en inre punkt a i definitionsmängden och om f är partiellt deriverbar i a så är f x0 j (a) = 0, j = 1, ..., n 5 6.1 Bevis Resultatet är en direktföljd av motsvarande sats för funkltioner av en variabel. Vi behöver bara betrakta restriktionerna av f till de räta linjer genom a som är parallella med koordinataxlarna. Uppenbart följer ju av förutsättningen att funktionen x j 7−→ f (a 1 , ..., x j , ..., a n ) har ett lokalt extremvärde då x j = a j . Således är dess derivata lika med noll där. Eftersom detta gäller för varje variabel x j följer satsen. 7 Sats: PB:4.1 I en inre punkt (a, b) i D f och i D g som löser problemet att maximera eller minimera f (x, y) under bivillkoret g (x, y) = 0. Läs mer på s.173 i PB. 8 Sats: PB:5.1 Antag funktionerna f (s, x) och f s0 (s, x) är kontinuerliga i området α < s < β, a ≤ x ≤ b. Då är den s-beroende integralen Z b f s0 (s, x)d x F (s) = x=a deriverbar i α < s < β och df = ds Z b x=a f s0 (s, x)d x Här får α och β vara −∞ respektive ∞. 8.1 Bevis Skriver här sen. S.184 9 Sats: PB:5.2 S.186 10 Sats: Satsen om monoton konvergens Varje begränsad monoton följd av reella tal är konvergent. 10.1 Denition En följd (x k )∞ 1 av reella tal kallas växande om x 1 ≤ x 2 ≤ ... avtagande om x 1 ≥ x 2 ≥ ... och monoton om den är antingen växande eller avtagande. 6 10.2 Bevis Antag först (x k )∞ 1 är en växande begränsad följd. Den icke-tomma punktmängden {x k : k ≥ 1} är då uppåt begränsad, så c = sup{x k : k ≥ 1} existerar enligt supremumaxiomet. Vi påstår att x k −→ c då k −→ ∞. För att visa det, tag ett godtycligt ² > 0. Eftersom c − ² inte är en övre begränsning till {x k : k ≥ 1}, så finns ett index N sådant att x N > c − ². Eftersom följden är växande och uppåt begränsad av c, så gäller för alla k > N att c − ² < x n ≤ x k ≤ c < c + ², alltså |x k − c| < ². Det visar att x k −→ c. En begränsad avtagande följd (x k )∞ 1 konvergerar på liknande sätt mot inf{x k : k ≥ 1}. 11 Sats: Bolzano-Weierstrass' sats Varje begränsad punktföljd i Rn har en konvergent delföljd. 11.1 Bevis Antag (x k ) är en begränsad följd i Rn . Fallet då n = 1: Vi väljer ut en monoton delföljd som också är begränsad. Vilket gör den konvergent enligt satsen om monoton konvergens. Därmed är denna sats bevisad i första dimensionen. Fallet då n > 1: En begränsad följd i Rn är koordinatvis begränsad. Enligt fallet n = 1 så måste därför (x k ) ha en delföljd vars första-koordinat konvergerar i R. Denna delföljd har i sin tur en delföljd vars andra-koordinat, och automatiskt första-koordinat, konvergerar i R, osv. Genom n successiva val av delföljder kan vi till sist finna en delföljd till (x k ) sådan att samtliga n koordinatföljder konvergerar i R. Då konvergerar denna delföljd i Rn . 7 12 Sats: Cauchys konvergensprincip En punktföljd i Rn är konverget om och endast om den är en Cauchyföljd. 12.1 Denition En punktföljd (x k ) i Rn kallas Cauchyföljd om det till varje ² > 0 finns ett heltal N sådant att k > N och l > N ⇒ |x k − x l | < ² Att (x k ) är en Cauchyföljd uttrycks ofta symboliskt med |x k − x l | −→ 0 då k, l −→ ∞ 12.2 Bevis Antag först att följden (x k ) är konvergent, säg med gränsvärdet a. Enligt triangelolikheten gäller för alla index k, l att |x k − x l | = |x k − a − (x l − a)| ≤ |x k − a| + |x l − a|. Det är då uppenbart att |x k − x l | → 0 om k → ∞ och l → ∞, så (x k ) är en Cauchyföljd. Antag omvänt att (x k ) är en Cauchyföljd. Tag ett godtyckligt ² > 0: Då finns ett heltal N sådant att |x k − x l | < ² om k, l ≥ N . Vi observerar att följden är begränsad ty |x k | = |x k − x N + x N | ≤ |x k −x N |+|x N | < ²+|x N | för alla k ≥ N . Enligt Bolzano-Weierstrass’ sats har den då konvergent delföljd, säg med gränsvärdet a. Vi kan alltså välja ett index l ≥ N så att |x l − a| < ². För detta l och alla k ≥ N gäller |x k − a| = |x k − x l + x l − a| ≤ |x k − x l | + |x l − a| < ² + ² = 2² Det visar att (x k ) konvergerar mot a. 13 Sats En delmängd M till Rn är sluten om och endast om varje konvergent följd i M har sitt gränsvärde i M. 13.1 Denition B (a, b) = {x ∈ Rn : |x − a| < r }, där r > 0 8 13.2 Bevis Antag först att M är sluten. Låt (x k ) vara en konvergent följd i M , säg med gränsvärdet a. Vi skall visa att a ∈ M . Det är klart att a inte kan vara en yttre punkt till M eftersom varje omgivning till a innehåller någon punkt ur M , nämligen x k om bara k är tillräckligt stort. Då återstår bara möjligheten att a ∈ I nt M ∪ ∂M . Men om ∂M ⊂ M enligt förutsättning. Alltså måste a ∈ M . Antag sedan att varje konvergent följd i M har sitt gränsvärde liggande i M . För att visa att M är sluten, tag en godtycklig randpunkt a till M . För varje heltal k ≥ 1 kan vi ur omgivningen B (a, 1/k) välja en punkt x k i M . Eftersom |x k − a| < 1/k förvarje k måste x k → a då k → ∞ så a ∈ M enligt förutsättningen. Det visar att M är sluten 14 Sats En delmängd M till Rn är kompakt om och endast om varje punktföljd i M har en konvergent delföljd med gränsvärde i M . 14.1 Proposition En delmängd M till Rn är sluten om och endast m varje konvergent följd i M har sitt gränsvärde i M. 14.2 Bevis Antag M kompakt. Låt (x k ) vara en följd i M . Eftersom M är begränsad har (x k ) enligt Bolzano-Weierstrass’ sats en konvergent delföljd (x k j ). Eftersom M är sluten måste lim j x k j ∈ M enligt propositionen ovan. Följdkriteriet för kompakthet är alltså uppfyllt. Antag M ej är kompakt. Då finns två möjligheter. Är M inte begränsad så finns en följd (x k ) i M sådan att |x k | ≥ k för alla k. Varje delföljd till (x k ) är obegränsad och därmed divergent. Är M inte sluten så finns en punkt a ∈ ∂M \ M . För k = 1, 2, 3, ... kan vi välja en punkt x k ∈ M ∩ B (a, 1/k). Varje delföljd till (x k ) konvergerar då mot en punkt utanför M , nämligen a. I båda fallen ser vi att följdkriteriet för kompakthet inte är uppfyllt. 15 Proposition Antag att funktionen f : Rn → Rm är kontinuerlig på hela Rn och att M ⊂ Rm . Då gäller: 1. M är öppen i Rm ⇒ { x ∈ Rn : f (x) ∈ M } öppen i Rn . 2. M är sluten i Rm ⇒ { x ∈ Rm : f (x) ∈ M } sluten i Rn . 15.1 Bevis (1): Antag M öppen. Sätt { x ∈ Rn : f (x) ∈ M } = N . Om a ∈ N , så att f (a) ∈ M , då har f (a) en omgivning B ² ⊂ M . Därav följer att B δ ⊂ N . Alltså är a en inre punkt i N . 9 (2): Antag M sluten. Då är komplementet M c = Rm \ M öppet. Enligt (1) är då { x ∈ Rn : f (x) ∈ M c } en öppen mängd i Rn . Dess komplement i Rn är { x ∈ Rn : f (x) ∈ M } som är slutet. Det visar (2). 16 Sats Om D är en kompakt mängd i Rn och f : D → Rm en kontinuerlig funktion på D så blir bildmängden f (D) kompakt. 16.1 Bevis Antag D är kompakt och f är kontinuerlig. För att visa f (D) kompakt, tag en godtycklig följd (y k ) i f (D). Vi måste då visa att den har en konvergent delföljd med gränsvärde i f (D). Välj för varje index k en punkt x k i D så att f (x k ) = y k . Eftersom D är kompakt har x k en konvergent delföljd x k j med gränsvärde i D, säg a. Eftersom f är kontinuerlig och x k j → a så måste y k j = f (x k j ) → f (a) ∈ f (D) då j → ∞. 17 Korollarium 1.29:GLO En reellvärd kontinuerlig funktion f på en (icke-tom) kompakt mängd K ⊂ Rn antar sitt största och minsta värde på K . 17.1 Bevis Eftersom K är kompakt och f är kontinuerlig, så är bildmängden f (K ) kompakt, dvs sluten och begränsad. Enligt supremumaxiomet har f (K ) en minsta övre begränsning, sup f (K ), och en största undre begräsning, i n f f (K ). Dessa båda tal är randpunkter till slutna mängden f (K ) och ingår därför i den. Det betyder att i n f f (K ) = f (a) och sup f (K ) = f (b) för några punkter a, b i K . Men då är f (a) ≤ f (x) ≤ f (b), för alla x i K , så f (a) = mi n f (K ) och f (b) = max f (K ). 18 Proposition Om D är en sammanhängande mängd i Rn och f : D → Rm en kontinuerlig funktion på D, så är bildmängden f (D) sammanhängande. 18.1 Bevis Låt y 0 , y 1 vara ett godtyckligt punktpar i f (D). Välj x 0 , x 1 i D så att f (x 0 ) = y 0 och f (x 1 ) = y 1 . Eftersom D är sammanhängande finns en kontinuerlig kurva γ : [0, 1] → D sådan att γ(0) = x 0 och γ(1) = x 1 . Sammansättningen av två kontinuerliga funktioner är ju kontinuerlig, alltså 10 blir f ◦ γ : [0, 1] → f (D) en kontinuerlig kurva som förenar f (γ(0)) = f (x 0 ) = y 0 med f (γ(1)) = f (x 1 ) = y 1 och som löper helt i f (D). Detta visar att f (D) är sammanhängande. 19 Sats Om f : D → Rm är en kontinuerlig funktion på en kompakt delmängd D till Rn så är f likformigt kontinuerlig. 19.1 Denition Låt D ⊂ Rn . En funktion f : D → Rm sägs vara likformigt kontinuerlig om det till varje ² > 0 finns ett δ > 0 sådan att | f (x) − f (y)| < ² om |x − y| < δ och x, y ∈ D 19.2 Bevis Antag f är kontinuerlig men inte likformigt kontinuerlig på den kompakta mängden D. Då finns ett ² > 0 och följder (x k ), (y k ) i D sådana att i. |x k − y k | → 0 då k → ∞ men ii. | f (x k ) − f (y k )| ≥ ² för alla k. Eftersom D är kompakt har (x k ) en konvergent delföljd (x k j med gränsvärde a i D. Uppenbarligen gäller I. |x k j − y k j | → 0 då j → ∞ men II. | f (x k j ) − f (y k j )| ≥ ² för alla j . Av I följer med triangelolikhetens hjälp att även y k j → a då j → ∞. Låter vi j → ∞ i II ger f ’s kontinuitet 0 = | f (a) − f (a)| ≥ ² > 0 en motsägelse. Vi drar slutsatsen att f måste vara likformigt kontinuerlig. 11