Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Readme
Balog Daacuteniel
2010 juacutenius 2
A jegyzet Dr Simon Peacuteter Kalkulus II(mf1n1a02)oacuteraacutei alapjaacuten keacuteszuumllt a20092010 taneacutev maacutesodik feacutel-eacuteveacuteben
A jegyzet letoumlltheto a honlapomroacutel httpbalogdaniwebeltehuKalkulusIIA jegyzet kinyomtathatoacute nyomtatott formaacuteban illetve e-mailbenIM programokkal ezen readme csatolaacute-saacuteval szabadon terjeszthetoMaacutes taacuterhelyen valoacute elhelyezeacuteshez e-mailben kell eacutertesiacuteteni Ciacutemem skippersdgmailcomA jegyzet nem moacutedosiacutethatoacute Amennyiben hibaacutet talaacutelsz bennekeacuterlek eacutertesiacutets a fenti ciacutemen
Kuumlloumln koumlszoumlnet
Dr Simon Peacuteternek amieacutert a jegyzetet szabadidejeacuteben aacutetneacutezte valamintKuumlszter Melindaacutenak a 20100330-as jegyzet begeacutepeleacuteseacuteeacutert
utoacuteirat
A jegyzet teljesen ingyen hasznaacutelhatoacute de a koumlszisoumlroumlket szivesen fogadom
1
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100209
1 Integraacutelaacutes
11 Racionaacutelis toumlrtfuumlggveacutenyek
polinompolinom Ezeket mindig lehet integraacutelni az ilyen primitiacutev fuumlggveacutenye
meghataacuterozhatoacute
Ellenpeacuteldaint
eminusx2
Ez szimpatikusan neacutez ki meacutegsem lehet kiszaacute-molni
1int
1ax+b
plint
1
x= ln(x) + c
int
1
x+ 3= ln |x+ 3|+ c
int
1
2xminus 8=
1
2middot ln(2xminus 8) + c
2int
cx+d
ax+bpl
int
x+ 2
x+ 1=
int
x+ 1 + 1
x+ 1=
int
x+ 1
x+ 1+
1
x+ 1dx = x+ ln(x + 1) + c
int
3x+ 1
2x+ 3= 1
int
(2x+ 3) middot 32 minus 7
2
2x+ 3=
int
3
2minus
72
2x+ 3dx =
3
2xminus 7
2middot 12ln(2x+ 3) + c
3int
1(xminusa)(xminusb) pl
int
3
x2 + xminus 22 =
int
3
(xminus (minus2)) middot (xminus 1)=
int minus1
x+ 2+
1
xminus 1dx3 = minus ln(x+2)+ln(xminus1)+c = ln
xminus 1
x+ 2+c
4int
cx+d
(xminusa)(xminusb) plint
3 + x
2 + 3xminus 2x2= 4
int
3 + x
(2minus x)(2x+ 1)=
int
A
2minus x+
B
2x+ 1dx
1a 3
2azeacutert kell hogy a 3x stimmeljen a7
2hogy az 1 stimmeljen
2 minusbplusmn
radicb2minus4ac
2arArr x1 = minus2 x2 = 1
3(koumlzoumls nevezore hozaacutes)42 + 3xminus 2x2 = 0 x1 = 2 x2 = 1
2
Truumlkk a kibontottat beszorzomminus2-vel minus2(x minus 2)(x + 12 ) iacutegy ki
is joumln A szeacutetbontaacutes koacutedneveparciaacutelis toumlrtekre bontaacutes
A(2x+ 1) +B(2minus x) = 3 + x(2AminusB)x+A+ 2B = 3 + x
2AminusB = 1 A+ 2B = 3
A = 1 B = 1
=
int
1
2minus x+
1
2x+ 1= minus ln(2minus x) +
1
2ln(2x+ 1) + c
5int
1(xminusa)2 pl
int
1
x2= minus 1
x+ c
6int
cx+d
(xminusa)2 pl
int
2x+ 3
(xminus 1)2=
int
(xminus 1) middot 2 + 5
(xminus 1)2=
int
2
xminus 1+
5
(x minus 1)2dx = 2 ln(xminus 1)minus 5
xminus 1+ c
7int
1(xminusc)2+d
plint
1
x2 + 1= arctg(x) + c
int
1
x2 + 4=
int
1
4middot 1
(x2 )2 + 1
=1
4middot 2 middot arctg(x
2)
int
1
x2 + 3=
1
3middotint
1
( xradic3)2 + 1
=1
3middotradic3 middot arctg( xradic
3)
int
1
x2 minus 2x+ 2=
int
1
(xminus 1)2 + 1= arctg(xminus 1)
A megoldaacutes meneteA valoacutes gyoumlkoumlket kell ellenorizni Ha van 2 darabvaloacutes gyoumlk laacutesd 4 peacutelda ha 1 db van ld 5 ha nincs ld 7
8int
ax+b
(xminusc)2+d2 pl
int
2x
1 + x2Felismerheto hogy ez
f prime
ftipusuacute
int
2x+ 3
1 + x2=
int
2x
1 + x2+
3
1 + x2= ln(1 + x2) + 3 arctg(x) + c
int
x+ 3
1 + x2=
int
2x middot 12 + 3
1 + x2=
1
2ln(1 + x2) + 3 arctg(x)
1
12 Gyoumlkoumls fuumlggveacutenyek integraacutelaacutesaint radic
ax2 + bx+ c
Maacutes fokuacutera nincs aacuteltalaacutenos keacuteplet
1 a lt 0 plint
radic
1minus x2 = 5
intradic
1minus sin2(t) cos dt6 =
int
cos2(t)dt
Keacutet lehetseacuteges megoldaacutesi uacutet
bull cos(2t) = cos2(t)minus sin2(t)
bull cos2(t) = cos(t) middot sinprime(t)int
cos2(t) =
int
cos(t)middotsinprime(t) = cos(t)middotsin(t)minusint
minus sin(t)middotsin(t)
= cos(t) middot sin(t) +int
sin2(t) = cos(t) middot sin(t) +int
1minus cos2(t) =
cos(t) middot sin(t) + tminusint
cos2(t)dt
Oumlsszevonva
2
int
cos2(t) = cos(t) middot sin(t) + t
Ezt a legelejeacutere visszahelyettesiacutetveint
radic
1minus x2dx =
int
cos2(t)dt =cos(t) middot sin(t) + t
2=
1
2
radic
1minus x2 middot x+1
2arcsin(x)
Summaacutezvaint
radic
1minus x2 =1
2xradic
1minus x2 +1
2arcsin(x)
pl
int
radic
4minus x2dx = 2
int
radic
1minus (x
2)2 = 7
2
int
radic
1minus t22dt = x
radic
1minus (x
2)2 + 2 arcsin
radicx2
int
radic
3minus 2xminus x2 =
int
radic
4minus (x+ 1)2 =
2
int
radic
1minus (x+ 1
2)2t =
x+ 1
22dt = dx
int
radic
3minus 2xminus x2 =
int
radic
4minus (x+ 1)2 =
2
int
radic
1minus (x+ 1
2)2t =
x+ 1
28
5(x = sin(t)maacuter volt)6(dx
dt= cos(t))
7x = 2t
82dt = dx
4
int
radic
1minus t2dt =
2 a gt 0 exist valoacutes gyoumlk plint
radic
x2 minus 1 ch2 minus1 = sh2 =
int
sh(t) middot sh(t)dt =int
sh(t) middot chprime(t)
3 a gt 0∄ valoacutes gyoumlk plint
radic
x2 + 1 =
int
ch(t) middot ch(t)dt
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100216
Inpropius integraacutel
Motivaacuteloacute peacuteldaacutek
11int
0
1xdx
A rendes Riemann-integraacutel mieacutert nem hasznaacutelhatoacuteAzeacutert mert a Riemann-integraacutel korlaacutetos fuumlggveacutenyekre vaneacutertelmezve az1
xpedig nem korlaacutetos a(0 1) intervallumban
A kiszaacutemiacutetaacutesi moacutedszer(Newton-Liebnitz) sem mukoumldik
1int
0
1
xdx = [lnx]
10 = ln 1 minus ln 0
Itt baj van ugyanisln 0 = minusinfin iacutegy az eredmeacuteny veacutegtelenJelenleg ez megoldhatatlan
2infinint
0
eminusxdx
Az a baj hogy az integraacutelt eddig csak korlaacutetos intervallumoneacutertelmeztuumlk
infinint
0
eminusxdx =[eminusx
]1
0= minuseminusinfin minus
(minuseminus0
)= 0 minus (minus1) = 1
Ez se stimmel
Ceacutel
Definiaacuteljunk integraacutelt nem korlaacutetos
intervallumra (1)fuumlggveacutenyre (2)
I
Korlaacutetos fuumlggveacuteny integraacutelja nem korlaacutetos intervallumonDef Legyenf [a +infin) rarr R olyan hogy Riemann-integraacutelhatoacute[a b]-nforallb gt a-raAz f fuumlggveacutenynekexist az [ainfin) intervallumon inpropius integraacutelja ha u
exist limbrarrinfin
bint
a
f(x)dx
Ennek jele+infinint
a
f(x)dx
Hasonloacuteanbint
minusinfin
f(x)dx = limararrminusinfin
bint
a
f(x)dx
Peacuteldaacutek
bullinfinint
0
eminusxdx = limbrarrinfin
bint
0
eminusxdx = limbrarrinfin
[minuseminusx]b
0 =
= limbrarrinfin
(minuseminusbminus (minuseminus0)
)= 0 minus (minus1) = 1
bullinfinint
1
1
xdx = lim
brarrinfin
bint
1
1
xdx = lim
brarrinfin[lnx]
b
1 =
= limbrarrinfin
[ln b minus ln 1] = infin
bullinfinint
1
1
x2dx = lim
brarrinfin
bint
1
1
x2dx = lim
brarrinfin
[
minus 1
x
]b
1
=
= limbrarrinfin
[
minus1
bminus(
minus1
1
)]
= 1
0
1
2
0 1 2 3 4
Eacuterdekes hogy a pirossal jeloumllt teruumllet (x2) veacuteges a keacutekkel jeloumllt (x)veacutegtelen
1
infinint
1
1xα
dx Milyen α eacuterteacutekre veacuteges
α 6= 1
infinint
1
1
xαdx = lim
brarrinfin
bint
1
1
xαdx = lim
brarrinfin
[
minus x1minusα
1 minus α
]b
1
=
= limbrarrinfin
(b1minusα
1 minus αminus 11minusα
1 minus α
)
Haα gt 1 0 minus 1αminus1
Haα lt 1 infin
Def Azinfinint
a
f(x)dx inpropinus integraacutelt konvergensnek nevezzuumlk ha
veacuteges Ha divergens akkor vagy veacutegtelen vagy nincs limespl
infinint
1
1x2 dx konvergens
infinint
0
eminusxdx konvergensinfinint
2
1x2 dx konvergens
infinint
1
1xdx divergens
infinint
0
exdx divergensinfinint
03
1xdx divergens
infinint
1
1radicxdx divergens
infinint
0
sinxdx divergensinfinint
2
1xdx divergens
Tanulsaacuteg Az alsoacute hataacuter a konvergens-divergens keacutereacutesben nemszaacutemiacutet
neheacutez keacuterdeacutesek
bullinfinint
0
eminusx2
dx
0
1
2
0 1 2 3 4
Laacutethatoacute hogyeminusx alatt van hax gt 1Tudjuk hogy
infinint
0
eminusxdx konvergens
dArrinfinint
1
eminusxdx konvergens
dArrinfinint
1
eminusx2
dx konvergens
dArrinfinint
0
eminusx2
dx konvergens
bullinfinint
0
eminusx2
dx =
= lim0rarrinfin
infinint
0
eminusx2
dx = lim0rarrinfin
[]b0
Keacuteplettel nem adhatoacute meg a primitiacutev fuumlggveacuteny
Kideruumllinfinint
0
eminusx2
dx =radic
π
2
infinint
minusinfin
infinint
minusinfin
eminus(x2+y2)dx dy = π2
1
bullinfinint
0
sin xx
dx
bullinfinint
0
eminusx sinxdx
bullinfinint
0
sin(x2)dx
A gyoumlkoumlkradic
k middot π egyre surubben joumlnnek ezeacutert konvergens lesz
II
Intervallum korlaacutetos de a fuumlggveacuteny nem korlaacutetospl1int
0
1xdx
DefLegyenf [a b) rarr R olyan hogy azf [a c] intervallumon Riemann-integraacutelhatoacuteforallc isin (a b)-re
f inpropius integraacutelhatoacute[a b)-n halimcrarrb
cint
a
f(x)dx exist ekkor
bint
a
f(x)dx = limcrarrb
cint
a
f(x)dx
Ha aza-naacutel van baj akkor
bint
a
f(x)dx = limcrarra
bint
c
f(x)dx
bint
c
f(x)dx inpropius integraacutel konvergens haexist lim eacutes veacuteges
pl
1int
0
1
xdx = lim
crarr0+
1int
c
1
xdx = lim
crarr0+[lnx]
1c =
limcrarr0+
( ln 1︸︷︷︸
0
minus ln c) = +infin
1int
0
1radicx
dx = limcrarr0+
1int
c
xminus 12 dx = lim
crarr0+[]10 = lim
crarr0+
(
1 minusradic
012
)
= 2
1polaacuterkoordinaacuteta
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100223
1 Fuumlggveacutenysorozatok eacutes fuumlggveacutenysorok
11 Fuumlggveacutenysorozat fogalma
pl fn(x) = xn n = 1 2 3
1
Ez egy fuumlggveacutenysorozat
x n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 konvergencia
fn(
12
)
12
122
123
124 konvergens
fn(13 )
13
132
133
134 konvergens
fn(1) 1 1 1 1 divergens
fn(2) 2 22 23 24 divergens
fn(minus2) minus2 minus22 minus23 minus24 nem tart sehova
Hax-et fixaacuteljuk akkor egy szaacutemsorozatot kapunkHol lesz konvergens hol lesz divergensHax isin (minus1 1 ] akkorfn(x) konvergensexist lim eacutes veacuteges
Def Legyenekfn R rarr R fuumlggveacutenyekn = 1 2 Ezt fuumlggveacuteny-sorozatnak nevezzuumlk
Def LegyenfnR rarr R egy fuumlggveacutenysorozat Ennek konvergenciahal-mazaKH(fh) = x isin R fn(x)szaacutemsorozat konvergenspl
fn(x) = xn rArr KH(fn) = (minus1 1]
Def Az fn fuumlggveacutenysorozat az f fuumlggveacutenyhez tart pontonkeacutent halimnrarrinfin
= f(x)forallx isin KH(fn)
Keacuterdeacutes oumlroumlkli-e azf (limes-hataacuterfuumlggveacuteny) azfn tulajdonsaacutegaitFolytonossaacuteg derivaacutelt integraacutel
ffn
Vaacutelasz Aacuteltalaacuteban nem igaz de neacuteha igen MikorFolytonossaacuteg bukott integraacutel
1
1n
1int
0
fn(x)dx = 1minus1
2n
1int
0
f(x)dx = 1
Tehaacutet
limnrarrinfin
1int
0
fn(x)dx = 1minus1
2n=
1int
0
f(x)dx = 1
1
1
2n
1n
1int
0
fn(x)dx =2
nmiddot 1 middot
1
2= 1foralln
1int
0
f(x)dx = 0
Def azfn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf fuumlggveacutenyhez egyHhalmazon haforallε gt 0existN isin N hogy|fn(x)minusf(x)| lt εforalln ge Nforallx isin H
x fix forallεexistN isin R hogy|fn(x) minus f(x)| lt εforalln ge N
H
fn
fn minus ε
fn + ε
AZ egyenletes konvergenciaacutenaacutelN nem fuumlggx-tol miacuteg a pontnaacutel magaacutetx-et vaacutelasztom eacutes hozzaacute egy kuumlszoumlbindexetplfn(x) = xn
fn(x) = xn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf(x) = 0 fuumlggveacuteny-hez aH [0 12 ] halmazon
H
H=[01] maacuter nemH = [ 0 1 ) nem egyenletesen tartf -hez
deH = [ 0 q ) igen haq lt 1
Mindenfn kiloacuteg azε csobol
Teacutetel Legyenekfn-ek folytonos fuumlggveacutenyek eacutes aH-n egyenletesenkonvergaacutelnak azf hez akkor azf is folytonos aH-n
Teacutetel Legyenekfn-ek Riemann integraacutelhatoacutek egy[a b]-n eacutes egyen-letesen konvergaacutelnak az[a b] intervallumon azf -hez akkor azf isRiemann integraacutelhatoacute eacutes
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
f(x)dx
Maacuteskeacutepp
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
lim fn(x)dx
lim eacutesint
felcsereacutelehto ha egyenletes a konvergencia
2 Fuumlggveacutenysorok
Mi asor sorozatdArr dArr
sum
an anUgyanez a fuumlggveacutenysornaacutel is
Def Legyenfn egy fuumlggveacutenysorozat Az ezekbol keacutepezett fuumlggveacuteny-sorsum
fn azSn = f1 + f2 + fn
fuumlggveacutenysorozat
Def asum
fn fuumlggveacutenysor konvergenciahalmaza
KH(sum
fn) = x isin R
sum
fn(x)konvergens szaacutemsorsum
fn sor oumlsszegfuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
n=1
fn(x)
pl fn(x) = xn
s1(x) = x1 s2(x) = x1 + x2
sum
fn(x) milyenx-re konvergens
KH(sum
fn) = (minus1 1)sum
fn fuumlggveacutenysor egyenletesen konvergens aH halmazon haSn =f1 + f2 + fn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen konvergens aH halmazonFontos speciaacutelis fuumlggveacutenysorhatvaacutenysorLegyenCn egy szaacutemsorozat eacutes legyena isin R egy szaacutem
sum
cn middot (x minus a)n
2
fuumlggveacutenysorta koumlzepu hatvaacutenysornak nevezik
sum
xn Cn = 1 a = 0
plsum
xn
nKH =
x =1
2sum 1
nmiddot1
2n
ez konvergens mertlt 12n Tehaacutet(minus1 1) benne van aKH-ban-
x = 2sum 2n
n
ez erosen divergensx = 1sum 1
ndivergens
x = minus1sum (minus1)n
nez konvergens
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100302
1 Hatvaacutenysorok eacutes Taylor sorok
Def Hatvaacutenysor ilyen fuumlggveacutenysorsum
cn middot (xminus a)n
cn adott szaacutemsorozat(egyuumltthatoacutek)a isin R adott hatvaacutenysor koumlzepepl
sumxn cn = 1 a = 0
sumn middot xn cn = n a = 0
sumxn
n cn = 1n a = 0
AlapkeacuterdeacutesKonvergenciahalmaz (KH) milyenx-re konvergens
pl
sumxn
x = 12 rArr konvergens
x = 2 rarr divergens
Aacuteltalaacuteban milyenx-re konvergensHasznaacuteljuk a gyoumlkkriteacuteriumot
sumansor
konvergens ha lim n
radican lt 1
divergens ha lim n
radican gt 1
sum
xnpeacuteldaacutejaacutenan = xn
n
radic
|an| = |x|Ha negatiacutevok is vannak akkor megneacutezzuumlk az abszolulteacuterteacutekessort
lim n
radic
|an| = |x|
konvergens ha |x| lt 1divergens ha |x| ge 1
pl
sumn middot xn milyenx-re konvergens
an = n middot xn
n
radic
|an| = n
radicn|x|
limnrarrinfin
n
radic
|an| = 1 middot n|x|
Neheacutez hogylimnrarrinfin
n
radicn = 1
Gyoumlkkriteacuterium azt mondja meg hogy
ha
|x| lt 1 akkor
sumn middot xnkonvergens
|x| ge 1 akkorsum
n middot xndivergens
Aacuteltalaacutenos esetsum
cn middot (xminus a)n milyenx-re konvergens
an =sum
cn middot (xminus a)n
n
radic
|an| = n
radiccn middot |xminus a|
Kell ennek a sorozatnak a limese
limnrarrinfin
n
radic
|an| = limnrarrinfin
n
radiccn middot |xminus a| lt 1
hogy konvergens legyen
|xminus a| lt 1
lim n
radiccn
Def
sumcn middot (xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciasugara
R =1
lim n
radiccn
(ha alim = 0rArr R = infin)
|xminus a| lt R lArrrArr x isin (aminusR a+R)︸ ︷︷ ︸
enneka a koumlzepe
Hogyha azx a-toacutel legfeljebbR taacutevolsaacutegra van akkor konvergens
Ezt fogalmazza meg a teacutetel
(Cauchy-Hadamard) Teacutetel
Asum
cn(xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciahalmazaacutera fennaacutel
(aminusR a+R) sub KH sub [aminusR a+R]
ahol
R =1
lim n
radiccn
Azeacutert sugaacuter mert ez komplex szaacutemmokkal is szeacutepen mukoumldikBizonyiacutetaacutes fennt
Megj Az intervallum veacutegpontjai benne lehetnekKH-ban de ezcn-tolfuumlgg (a teacutetel arroacutel nem szoacutel ha x pont a hataacuteron van)
1
pl
sum
xn cn = 1 a = 0
R =1
lim n
radic1= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok(minus1)n (nem tart sehova)1n divergens (infin-hez tart)
KH = (minus1 1)
sum xn
n2cn =
1
n2a = 0
R =1
lim n
radic1n2
= 1
segiacutetseacuteg
limn
radic
1
n2= lim
n
radic1
n
radicn2
= limn
radic1
( n
radicn)2
=1
12= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
n2konvergens
x = minus1 rArrsum (minus1)n
n2konvergens
KH = [minus1 1]
sum xn
ncn =
1
na = 0
R =1
lim n
radic1n
= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
ndivergens
x = 1 rArrsum (minus1)n
nkonvergens
KH = [ minus 1 1 )
Def
Legyensum
cn(xminus a)n egy hatvaacutenysor A hatvaacutenysor fuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
0
cn(xminus a)nx isin KH
pl
sumxnf(x) =
x isin (minus1 1)
Nsum
0
xn = 1 + x+ x2 + xN = 11 middot xN+1 minus 1
xminus 1
infinsum
n=0
xn = limNrarrinfin
(
Nsum
0
xn) = limNrarrinfin
1 middot xN+1 minus 1
xminus 12 =
1
1minus x
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Oumltletsum
nxn oumlsszegeacutere
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Derivaacuteljuk Keacutesobb megneacutezzuumlk hogy szabad-e
infinsum
n=0
nxnminus1 =minusminus 1
1minus x
2
middot x
infinsum
n=0
nxn =1
1minus x
n
pl
infinsum
n=0
n
2n=
1
2+
2
4+
3
8+
4
16+
Ez hagyomaacutenyos moacutedszerrel eseacutelytelen
12
(1minus 12 )
2=
1
2times 1
4= 2
Igaz-e hogy(sum
fn)prime =sum
fnprimeEz nem mindig igaz Kulcsszoacute egyenletes konvergenciaTeacutetel
Legyensum
cn(x minus a)n egy hatvaacutenysorLegyen az oumlsszegfuumlggveacuteny
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n x isin KH
Ekkor f akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacute eacutes tagonkeacutent lehet a sort derivaacutelniazaz
f prime(x) =infinsum
n=1
cnn(xminus a)nminus1(middot1)
f primeprime(x) =
infinsum
n=2
cnn(nminus 1)(xminus a)nminus23
1meacutertani sorozat2xN+1
0-hoz tart kicsi a sokadikon31-tol illetve 2-tol hiszen az 1 ill 2 tag 0 lesz
2
2 Az oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes az egyuumltthatoacutekkapcsolata
Legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n = c0 + c1(xminus a) + c2(xminus a)2 +
f(a) = c0
f prime(x) = c1 + 2c2(xminus a) + 3c3(xminus a)2 +
f prime(a) = c1
f primeprime(x) = 2c2 + 6c3(xminus a) + 4 middot 3(xminus a)2 +
f primeprime(a) = 2c2
f primeprimeprime(a) = 6c3
Raacutejoumlvuumlnk hogy1c0 = 0c06c3 = 3c3
Teacutetel
Legyen
f(x) =infinsum
n=0
cn(xminus a)n rArr f (n)(a) = cn middot n
21 Taylor sor
Eddig adott volt
cn eacutes(a)rArrsum
cn(xminus a)n
Ebbol legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n
Eacuterdekes azf (n)(a) visszaadja acn-tMost legyen adott
fR rarr R
a isin R
akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacuteLegyen most
cn =f (n)a
nforalln
Neacutezzuumlkf(x) =
sum
cn(xminus a)n
hatvaacutenysortDef
Az f fuumlggveacutenya koumlzepu Taylor sora
sum f (n)a
n(xminus a)n
KeacuterdeacutesKH = valamint oumlsszegfuumlggveacuteny(de ezt nem illikf -el jeloumllni)
Joacute lenne ha az oumlsszegfuumlggveacuteny egyenlo lennef -elpl
f(x) =1
1minus x= (1minus x)minus1 legyena = 0
f (n) f (n)(a)f(x) = (1minus x)minus1 c0 = 1
f prime(x) = minus1(1minus x)minus2 minus 1 c1 = 1f primeprime(x) minus 2(1minus x)minus3 minus 1 c2 = 2f primeprimeprime(x)minus 6(1minus x)minus4 minus 1 c3 = 6
f (n)(a) = n
cn = 1
A kapott hatvaacutenysorsum
xn
IsmertKH = (minus1 1) oumlsszegfuumlggveacuteny 11minusx
Visszakaptuk azf -et de csak(minus1 1)-re Az f eacutertelmezve voltR1-reaz oumlsszegfuumlggveacuteny(minus1 1)-en eacutes ott =f
22 Fontos Taylor sorok
f (n) f (n)(a)f(x) = ex c0 = 1f prime(x) = ex c1 = 1f primeprime(x) = ex c2 = 1
2f primeprimeprime(x) = ex c3 = 1
6
Aacuteltalaacutenosan
cn =1
n
ex Taylor sorasum
xn
nKH oumlsszegfuumlggveacuteny
R =1
lim n
radic1n
= infin
Segiacutetseacutegn
radicn = infin
Magyarul akaacutermit iacuterok be konvergens lesz
Haacutenyadoskriteacuteriummal kijoumln aKHKH = R (0 koumlzepu jobbra-balra veacutegtelen intervallum)
sum xn
nforallx-re konvergens
Mi az oumlsszegfuumlggveacutenyTaylor polinom Lagrange maradeacutektaggalTeacutetelforallx isin R eseteacuten
infinsum
0
sum xn
n= ex
3
biz Lagrange maradeacutektagTeacutetel
f (n) f (n)(a)f(x) = sin(x) c0 = 0f prime(x) = cos(x) c1 = 1
f primeprime(x) = minus sin(x) c2 = 0f primeprimeprime(x) = minus cos(x) c3 = minus1
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n+1
(2n+ 1)
f (n) f (n)(a)f(x) = cos(x) c0 = 1
f prime(x) = minus sin(x) c1 = 0f primeprime(x) = minus cos(x) c2 = minus1f primeprimeprime(x) = sin(x) c3 = 0
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n
(2n)
Taylor sor=infin fokuacute Taylor polinom
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100209
1 Integraacutelaacutes
11 Racionaacutelis toumlrtfuumlggveacutenyek
polinompolinom Ezeket mindig lehet integraacutelni az ilyen primitiacutev fuumlggveacutenye
meghataacuterozhatoacute
Ellenpeacuteldaint
eminusx2
Ez szimpatikusan neacutez ki meacutegsem lehet kiszaacute-molni
1int
1ax+b
plint
1
x= ln(x) + c
int
1
x+ 3= ln |x+ 3|+ c
int
1
2xminus 8=
1
2middot ln(2xminus 8) + c
2int
cx+d
ax+bpl
int
x+ 2
x+ 1=
int
x+ 1 + 1
x+ 1=
int
x+ 1
x+ 1+
1
x+ 1dx = x+ ln(x + 1) + c
int
3x+ 1
2x+ 3= 1
int
(2x+ 3) middot 32 minus 7
2
2x+ 3=
int
3
2minus
72
2x+ 3dx =
3
2xminus 7
2middot 12ln(2x+ 3) + c
3int
1(xminusa)(xminusb) pl
int
3
x2 + xminus 22 =
int
3
(xminus (minus2)) middot (xminus 1)=
int minus1
x+ 2+
1
xminus 1dx3 = minus ln(x+2)+ln(xminus1)+c = ln
xminus 1
x+ 2+c
4int
cx+d
(xminusa)(xminusb) plint
3 + x
2 + 3xminus 2x2= 4
int
3 + x
(2minus x)(2x+ 1)=
int
A
2minus x+
B
2x+ 1dx
1a 3
2azeacutert kell hogy a 3x stimmeljen a7
2hogy az 1 stimmeljen
2 minusbplusmn
radicb2minus4ac
2arArr x1 = minus2 x2 = 1
3(koumlzoumls nevezore hozaacutes)42 + 3xminus 2x2 = 0 x1 = 2 x2 = 1
2
Truumlkk a kibontottat beszorzomminus2-vel minus2(x minus 2)(x + 12 ) iacutegy ki
is joumln A szeacutetbontaacutes koacutedneveparciaacutelis toumlrtekre bontaacutes
A(2x+ 1) +B(2minus x) = 3 + x(2AminusB)x+A+ 2B = 3 + x
2AminusB = 1 A+ 2B = 3
A = 1 B = 1
=
int
1
2minus x+
1
2x+ 1= minus ln(2minus x) +
1
2ln(2x+ 1) + c
5int
1(xminusa)2 pl
int
1
x2= minus 1
x+ c
6int
cx+d
(xminusa)2 pl
int
2x+ 3
(xminus 1)2=
int
(xminus 1) middot 2 + 5
(xminus 1)2=
int
2
xminus 1+
5
(x minus 1)2dx = 2 ln(xminus 1)minus 5
xminus 1+ c
7int
1(xminusc)2+d
plint
1
x2 + 1= arctg(x) + c
int
1
x2 + 4=
int
1
4middot 1
(x2 )2 + 1
=1
4middot 2 middot arctg(x
2)
int
1
x2 + 3=
1
3middotint
1
( xradic3)2 + 1
=1
3middotradic3 middot arctg( xradic
3)
int
1
x2 minus 2x+ 2=
int
1
(xminus 1)2 + 1= arctg(xminus 1)
A megoldaacutes meneteA valoacutes gyoumlkoumlket kell ellenorizni Ha van 2 darabvaloacutes gyoumlk laacutesd 4 peacutelda ha 1 db van ld 5 ha nincs ld 7
8int
ax+b
(xminusc)2+d2 pl
int
2x
1 + x2Felismerheto hogy ez
f prime
ftipusuacute
int
2x+ 3
1 + x2=
int
2x
1 + x2+
3
1 + x2= ln(1 + x2) + 3 arctg(x) + c
int
x+ 3
1 + x2=
int
2x middot 12 + 3
1 + x2=
1
2ln(1 + x2) + 3 arctg(x)
1
12 Gyoumlkoumls fuumlggveacutenyek integraacutelaacutesaint radic
ax2 + bx+ c
Maacutes fokuacutera nincs aacuteltalaacutenos keacuteplet
1 a lt 0 plint
radic
1minus x2 = 5
intradic
1minus sin2(t) cos dt6 =
int
cos2(t)dt
Keacutet lehetseacuteges megoldaacutesi uacutet
bull cos(2t) = cos2(t)minus sin2(t)
bull cos2(t) = cos(t) middot sinprime(t)int
cos2(t) =
int
cos(t)middotsinprime(t) = cos(t)middotsin(t)minusint
minus sin(t)middotsin(t)
= cos(t) middot sin(t) +int
sin2(t) = cos(t) middot sin(t) +int
1minus cos2(t) =
cos(t) middot sin(t) + tminusint
cos2(t)dt
Oumlsszevonva
2
int
cos2(t) = cos(t) middot sin(t) + t
Ezt a legelejeacutere visszahelyettesiacutetveint
radic
1minus x2dx =
int
cos2(t)dt =cos(t) middot sin(t) + t
2=
1
2
radic
1minus x2 middot x+1
2arcsin(x)
Summaacutezvaint
radic
1minus x2 =1
2xradic
1minus x2 +1
2arcsin(x)
pl
int
radic
4minus x2dx = 2
int
radic
1minus (x
2)2 = 7
2
int
radic
1minus t22dt = x
radic
1minus (x
2)2 + 2 arcsin
radicx2
int
radic
3minus 2xminus x2 =
int
radic
4minus (x+ 1)2 =
2
int
radic
1minus (x+ 1
2)2t =
x+ 1
22dt = dx
int
radic
3minus 2xminus x2 =
int
radic
4minus (x+ 1)2 =
2
int
radic
1minus (x+ 1
2)2t =
x+ 1
28
5(x = sin(t)maacuter volt)6(dx
dt= cos(t))
7x = 2t
82dt = dx
4
int
radic
1minus t2dt =
2 a gt 0 exist valoacutes gyoumlk plint
radic
x2 minus 1 ch2 minus1 = sh2 =
int
sh(t) middot sh(t)dt =int
sh(t) middot chprime(t)
3 a gt 0∄ valoacutes gyoumlk plint
radic
x2 + 1 =
int
ch(t) middot ch(t)dt
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100216
Inpropius integraacutel
Motivaacuteloacute peacuteldaacutek
11int
0
1xdx
A rendes Riemann-integraacutel mieacutert nem hasznaacutelhatoacuteAzeacutert mert a Riemann-integraacutel korlaacutetos fuumlggveacutenyekre vaneacutertelmezve az1
xpedig nem korlaacutetos a(0 1) intervallumban
A kiszaacutemiacutetaacutesi moacutedszer(Newton-Liebnitz) sem mukoumldik
1int
0
1
xdx = [lnx]
10 = ln 1 minus ln 0
Itt baj van ugyanisln 0 = minusinfin iacutegy az eredmeacuteny veacutegtelenJelenleg ez megoldhatatlan
2infinint
0
eminusxdx
Az a baj hogy az integraacutelt eddig csak korlaacutetos intervallumoneacutertelmeztuumlk
infinint
0
eminusxdx =[eminusx
]1
0= minuseminusinfin minus
(minuseminus0
)= 0 minus (minus1) = 1
Ez se stimmel
Ceacutel
Definiaacuteljunk integraacutelt nem korlaacutetos
intervallumra (1)fuumlggveacutenyre (2)
I
Korlaacutetos fuumlggveacuteny integraacutelja nem korlaacutetos intervallumonDef Legyenf [a +infin) rarr R olyan hogy Riemann-integraacutelhatoacute[a b]-nforallb gt a-raAz f fuumlggveacutenynekexist az [ainfin) intervallumon inpropius integraacutelja ha u
exist limbrarrinfin
bint
a
f(x)dx
Ennek jele+infinint
a
f(x)dx
Hasonloacuteanbint
minusinfin
f(x)dx = limararrminusinfin
bint
a
f(x)dx
Peacuteldaacutek
bullinfinint
0
eminusxdx = limbrarrinfin
bint
0
eminusxdx = limbrarrinfin
[minuseminusx]b
0 =
= limbrarrinfin
(minuseminusbminus (minuseminus0)
)= 0 minus (minus1) = 1
bullinfinint
1
1
xdx = lim
brarrinfin
bint
1
1
xdx = lim
brarrinfin[lnx]
b
1 =
= limbrarrinfin
[ln b minus ln 1] = infin
bullinfinint
1
1
x2dx = lim
brarrinfin
bint
1
1
x2dx = lim
brarrinfin
[
minus 1
x
]b
1
=
= limbrarrinfin
[
minus1
bminus(
minus1
1
)]
= 1
0
1
2
0 1 2 3 4
Eacuterdekes hogy a pirossal jeloumllt teruumllet (x2) veacuteges a keacutekkel jeloumllt (x)veacutegtelen
1
infinint
1
1xα
dx Milyen α eacuterteacutekre veacuteges
α 6= 1
infinint
1
1
xαdx = lim
brarrinfin
bint
1
1
xαdx = lim
brarrinfin
[
minus x1minusα
1 minus α
]b
1
=
= limbrarrinfin
(b1minusα
1 minus αminus 11minusα
1 minus α
)
Haα gt 1 0 minus 1αminus1
Haα lt 1 infin
Def Azinfinint
a
f(x)dx inpropinus integraacutelt konvergensnek nevezzuumlk ha
veacuteges Ha divergens akkor vagy veacutegtelen vagy nincs limespl
infinint
1
1x2 dx konvergens
infinint
0
eminusxdx konvergensinfinint
2
1x2 dx konvergens
infinint
1
1xdx divergens
infinint
0
exdx divergensinfinint
03
1xdx divergens
infinint
1
1radicxdx divergens
infinint
0
sinxdx divergensinfinint
2
1xdx divergens
Tanulsaacuteg Az alsoacute hataacuter a konvergens-divergens keacutereacutesben nemszaacutemiacutet
neheacutez keacuterdeacutesek
bullinfinint
0
eminusx2
dx
0
1
2
0 1 2 3 4
Laacutethatoacute hogyeminusx alatt van hax gt 1Tudjuk hogy
infinint
0
eminusxdx konvergens
dArrinfinint
1
eminusxdx konvergens
dArrinfinint
1
eminusx2
dx konvergens
dArrinfinint
0
eminusx2
dx konvergens
bullinfinint
0
eminusx2
dx =
= lim0rarrinfin
infinint
0
eminusx2
dx = lim0rarrinfin
[]b0
Keacuteplettel nem adhatoacute meg a primitiacutev fuumlggveacuteny
Kideruumllinfinint
0
eminusx2
dx =radic
π
2
infinint
minusinfin
infinint
minusinfin
eminus(x2+y2)dx dy = π2
1
bullinfinint
0
sin xx
dx
bullinfinint
0
eminusx sinxdx
bullinfinint
0
sin(x2)dx
A gyoumlkoumlkradic
k middot π egyre surubben joumlnnek ezeacutert konvergens lesz
II
Intervallum korlaacutetos de a fuumlggveacuteny nem korlaacutetospl1int
0
1xdx
DefLegyenf [a b) rarr R olyan hogy azf [a c] intervallumon Riemann-integraacutelhatoacuteforallc isin (a b)-re
f inpropius integraacutelhatoacute[a b)-n halimcrarrb
cint
a
f(x)dx exist ekkor
bint
a
f(x)dx = limcrarrb
cint
a
f(x)dx
Ha aza-naacutel van baj akkor
bint
a
f(x)dx = limcrarra
bint
c
f(x)dx
bint
c
f(x)dx inpropius integraacutel konvergens haexist lim eacutes veacuteges
pl
1int
0
1
xdx = lim
crarr0+
1int
c
1
xdx = lim
crarr0+[lnx]
1c =
limcrarr0+
( ln 1︸︷︷︸
0
minus ln c) = +infin
1int
0
1radicx
dx = limcrarr0+
1int
c
xminus 12 dx = lim
crarr0+[]10 = lim
crarr0+
(
1 minusradic
012
)
= 2
1polaacuterkoordinaacuteta
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100223
1 Fuumlggveacutenysorozatok eacutes fuumlggveacutenysorok
11 Fuumlggveacutenysorozat fogalma
pl fn(x) = xn n = 1 2 3
1
Ez egy fuumlggveacutenysorozat
x n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 konvergencia
fn(
12
)
12
122
123
124 konvergens
fn(13 )
13
132
133
134 konvergens
fn(1) 1 1 1 1 divergens
fn(2) 2 22 23 24 divergens
fn(minus2) minus2 minus22 minus23 minus24 nem tart sehova
Hax-et fixaacuteljuk akkor egy szaacutemsorozatot kapunkHol lesz konvergens hol lesz divergensHax isin (minus1 1 ] akkorfn(x) konvergensexist lim eacutes veacuteges
Def Legyenekfn R rarr R fuumlggveacutenyekn = 1 2 Ezt fuumlggveacuteny-sorozatnak nevezzuumlk
Def LegyenfnR rarr R egy fuumlggveacutenysorozat Ennek konvergenciahal-mazaKH(fh) = x isin R fn(x)szaacutemsorozat konvergenspl
fn(x) = xn rArr KH(fn) = (minus1 1]
Def Az fn fuumlggveacutenysorozat az f fuumlggveacutenyhez tart pontonkeacutent halimnrarrinfin
= f(x)forallx isin KH(fn)
Keacuterdeacutes oumlroumlkli-e azf (limes-hataacuterfuumlggveacuteny) azfn tulajdonsaacutegaitFolytonossaacuteg derivaacutelt integraacutel
ffn
Vaacutelasz Aacuteltalaacuteban nem igaz de neacuteha igen MikorFolytonossaacuteg bukott integraacutel
1
1n
1int
0
fn(x)dx = 1minus1
2n
1int
0
f(x)dx = 1
Tehaacutet
limnrarrinfin
1int
0
fn(x)dx = 1minus1
2n=
1int
0
f(x)dx = 1
1
1
2n
1n
1int
0
fn(x)dx =2
nmiddot 1 middot
1
2= 1foralln
1int
0
f(x)dx = 0
Def azfn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf fuumlggveacutenyhez egyHhalmazon haforallε gt 0existN isin N hogy|fn(x)minusf(x)| lt εforalln ge Nforallx isin H
x fix forallεexistN isin R hogy|fn(x) minus f(x)| lt εforalln ge N
H
fn
fn minus ε
fn + ε
AZ egyenletes konvergenciaacutenaacutelN nem fuumlggx-tol miacuteg a pontnaacutel magaacutetx-et vaacutelasztom eacutes hozzaacute egy kuumlszoumlbindexetplfn(x) = xn
fn(x) = xn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf(x) = 0 fuumlggveacuteny-hez aH [0 12 ] halmazon
H
H=[01] maacuter nemH = [ 0 1 ) nem egyenletesen tartf -hez
deH = [ 0 q ) igen haq lt 1
Mindenfn kiloacuteg azε csobol
Teacutetel Legyenekfn-ek folytonos fuumlggveacutenyek eacutes aH-n egyenletesenkonvergaacutelnak azf hez akkor azf is folytonos aH-n
Teacutetel Legyenekfn-ek Riemann integraacutelhatoacutek egy[a b]-n eacutes egyen-letesen konvergaacutelnak az[a b] intervallumon azf -hez akkor azf isRiemann integraacutelhatoacute eacutes
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
f(x)dx
Maacuteskeacutepp
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
lim fn(x)dx
lim eacutesint
felcsereacutelehto ha egyenletes a konvergencia
2 Fuumlggveacutenysorok
Mi asor sorozatdArr dArr
sum
an anUgyanez a fuumlggveacutenysornaacutel is
Def Legyenfn egy fuumlggveacutenysorozat Az ezekbol keacutepezett fuumlggveacuteny-sorsum
fn azSn = f1 + f2 + fn
fuumlggveacutenysorozat
Def asum
fn fuumlggveacutenysor konvergenciahalmaza
KH(sum
fn) = x isin R
sum
fn(x)konvergens szaacutemsorsum
fn sor oumlsszegfuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
n=1
fn(x)
pl fn(x) = xn
s1(x) = x1 s2(x) = x1 + x2
sum
fn(x) milyenx-re konvergens
KH(sum
fn) = (minus1 1)sum
fn fuumlggveacutenysor egyenletesen konvergens aH halmazon haSn =f1 + f2 + fn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen konvergens aH halmazonFontos speciaacutelis fuumlggveacutenysorhatvaacutenysorLegyenCn egy szaacutemsorozat eacutes legyena isin R egy szaacutem
sum
cn middot (x minus a)n
2
fuumlggveacutenysorta koumlzepu hatvaacutenysornak nevezik
sum
xn Cn = 1 a = 0
plsum
xn
nKH =
x =1
2sum 1
nmiddot1
2n
ez konvergens mertlt 12n Tehaacutet(minus1 1) benne van aKH-ban-
x = 2sum 2n
n
ez erosen divergensx = 1sum 1
ndivergens
x = minus1sum (minus1)n
nez konvergens
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100302
1 Hatvaacutenysorok eacutes Taylor sorok
Def Hatvaacutenysor ilyen fuumlggveacutenysorsum
cn middot (xminus a)n
cn adott szaacutemsorozat(egyuumltthatoacutek)a isin R adott hatvaacutenysor koumlzepepl
sumxn cn = 1 a = 0
sumn middot xn cn = n a = 0
sumxn
n cn = 1n a = 0
AlapkeacuterdeacutesKonvergenciahalmaz (KH) milyenx-re konvergens
pl
sumxn
x = 12 rArr konvergens
x = 2 rarr divergens
Aacuteltalaacuteban milyenx-re konvergensHasznaacuteljuk a gyoumlkkriteacuteriumot
sumansor
konvergens ha lim n
radican lt 1
divergens ha lim n
radican gt 1
sum
xnpeacuteldaacutejaacutenan = xn
n
radic
|an| = |x|Ha negatiacutevok is vannak akkor megneacutezzuumlk az abszolulteacuterteacutekessort
lim n
radic
|an| = |x|
konvergens ha |x| lt 1divergens ha |x| ge 1
pl
sumn middot xn milyenx-re konvergens
an = n middot xn
n
radic
|an| = n
radicn|x|
limnrarrinfin
n
radic
|an| = 1 middot n|x|
Neheacutez hogylimnrarrinfin
n
radicn = 1
Gyoumlkkriteacuterium azt mondja meg hogy
ha
|x| lt 1 akkor
sumn middot xnkonvergens
|x| ge 1 akkorsum
n middot xndivergens
Aacuteltalaacutenos esetsum
cn middot (xminus a)n milyenx-re konvergens
an =sum
cn middot (xminus a)n
n
radic
|an| = n
radiccn middot |xminus a|
Kell ennek a sorozatnak a limese
limnrarrinfin
n
radic
|an| = limnrarrinfin
n
radiccn middot |xminus a| lt 1
hogy konvergens legyen
|xminus a| lt 1
lim n
radiccn
Def
sumcn middot (xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciasugara
R =1
lim n
radiccn
(ha alim = 0rArr R = infin)
|xminus a| lt R lArrrArr x isin (aminusR a+R)︸ ︷︷ ︸
enneka a koumlzepe
Hogyha azx a-toacutel legfeljebbR taacutevolsaacutegra van akkor konvergens
Ezt fogalmazza meg a teacutetel
(Cauchy-Hadamard) Teacutetel
Asum
cn(xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciahalmazaacutera fennaacutel
(aminusR a+R) sub KH sub [aminusR a+R]
ahol
R =1
lim n
radiccn
Azeacutert sugaacuter mert ez komplex szaacutemmokkal is szeacutepen mukoumldikBizonyiacutetaacutes fennt
Megj Az intervallum veacutegpontjai benne lehetnekKH-ban de ezcn-tolfuumlgg (a teacutetel arroacutel nem szoacutel ha x pont a hataacuteron van)
1
pl
sum
xn cn = 1 a = 0
R =1
lim n
radic1= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok(minus1)n (nem tart sehova)1n divergens (infin-hez tart)
KH = (minus1 1)
sum xn
n2cn =
1
n2a = 0
R =1
lim n
radic1n2
= 1
segiacutetseacuteg
limn
radic
1
n2= lim
n
radic1
n
radicn2
= limn
radic1
( n
radicn)2
=1
12= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
n2konvergens
x = minus1 rArrsum (minus1)n
n2konvergens
KH = [minus1 1]
sum xn
ncn =
1
na = 0
R =1
lim n
radic1n
= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
ndivergens
x = 1 rArrsum (minus1)n
nkonvergens
KH = [ minus 1 1 )
Def
Legyensum
cn(xminus a)n egy hatvaacutenysor A hatvaacutenysor fuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
0
cn(xminus a)nx isin KH
pl
sumxnf(x) =
x isin (minus1 1)
Nsum
0
xn = 1 + x+ x2 + xN = 11 middot xN+1 minus 1
xminus 1
infinsum
n=0
xn = limNrarrinfin
(
Nsum
0
xn) = limNrarrinfin
1 middot xN+1 minus 1
xminus 12 =
1
1minus x
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Oumltletsum
nxn oumlsszegeacutere
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Derivaacuteljuk Keacutesobb megneacutezzuumlk hogy szabad-e
infinsum
n=0
nxnminus1 =minusminus 1
1minus x
2
middot x
infinsum
n=0
nxn =1
1minus x
n
pl
infinsum
n=0
n
2n=
1
2+
2
4+
3
8+
4
16+
Ez hagyomaacutenyos moacutedszerrel eseacutelytelen
12
(1minus 12 )
2=
1
2times 1
4= 2
Igaz-e hogy(sum
fn)prime =sum
fnprimeEz nem mindig igaz Kulcsszoacute egyenletes konvergenciaTeacutetel
Legyensum
cn(x minus a)n egy hatvaacutenysorLegyen az oumlsszegfuumlggveacuteny
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n x isin KH
Ekkor f akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacute eacutes tagonkeacutent lehet a sort derivaacutelniazaz
f prime(x) =infinsum
n=1
cnn(xminus a)nminus1(middot1)
f primeprime(x) =
infinsum
n=2
cnn(nminus 1)(xminus a)nminus23
1meacutertani sorozat2xN+1
0-hoz tart kicsi a sokadikon31-tol illetve 2-tol hiszen az 1 ill 2 tag 0 lesz
2
2 Az oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes az egyuumltthatoacutekkapcsolata
Legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n = c0 + c1(xminus a) + c2(xminus a)2 +
f(a) = c0
f prime(x) = c1 + 2c2(xminus a) + 3c3(xminus a)2 +
f prime(a) = c1
f primeprime(x) = 2c2 + 6c3(xminus a) + 4 middot 3(xminus a)2 +
f primeprime(a) = 2c2
f primeprimeprime(a) = 6c3
Raacutejoumlvuumlnk hogy1c0 = 0c06c3 = 3c3
Teacutetel
Legyen
f(x) =infinsum
n=0
cn(xminus a)n rArr f (n)(a) = cn middot n
21 Taylor sor
Eddig adott volt
cn eacutes(a)rArrsum
cn(xminus a)n
Ebbol legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n
Eacuterdekes azf (n)(a) visszaadja acn-tMost legyen adott
fR rarr R
a isin R
akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacuteLegyen most
cn =f (n)a
nforalln
Neacutezzuumlkf(x) =
sum
cn(xminus a)n
hatvaacutenysortDef
Az f fuumlggveacutenya koumlzepu Taylor sora
sum f (n)a
n(xminus a)n
KeacuterdeacutesKH = valamint oumlsszegfuumlggveacuteny(de ezt nem illikf -el jeloumllni)
Joacute lenne ha az oumlsszegfuumlggveacuteny egyenlo lennef -elpl
f(x) =1
1minus x= (1minus x)minus1 legyena = 0
f (n) f (n)(a)f(x) = (1minus x)minus1 c0 = 1
f prime(x) = minus1(1minus x)minus2 minus 1 c1 = 1f primeprime(x) minus 2(1minus x)minus3 minus 1 c2 = 2f primeprimeprime(x)minus 6(1minus x)minus4 minus 1 c3 = 6
f (n)(a) = n
cn = 1
A kapott hatvaacutenysorsum
xn
IsmertKH = (minus1 1) oumlsszegfuumlggveacuteny 11minusx
Visszakaptuk azf -et de csak(minus1 1)-re Az f eacutertelmezve voltR1-reaz oumlsszegfuumlggveacuteny(minus1 1)-en eacutes ott =f
22 Fontos Taylor sorok
f (n) f (n)(a)f(x) = ex c0 = 1f prime(x) = ex c1 = 1f primeprime(x) = ex c2 = 1
2f primeprimeprime(x) = ex c3 = 1
6
Aacuteltalaacutenosan
cn =1
n
ex Taylor sorasum
xn
nKH oumlsszegfuumlggveacuteny
R =1
lim n
radic1n
= infin
Segiacutetseacutegn
radicn = infin
Magyarul akaacutermit iacuterok be konvergens lesz
Haacutenyadoskriteacuteriummal kijoumln aKHKH = R (0 koumlzepu jobbra-balra veacutegtelen intervallum)
sum xn
nforallx-re konvergens
Mi az oumlsszegfuumlggveacutenyTaylor polinom Lagrange maradeacutektaggalTeacutetelforallx isin R eseteacuten
infinsum
0
sum xn
n= ex
3
biz Lagrange maradeacutektagTeacutetel
f (n) f (n)(a)f(x) = sin(x) c0 = 0f prime(x) = cos(x) c1 = 1
f primeprime(x) = minus sin(x) c2 = 0f primeprimeprime(x) = minus cos(x) c3 = minus1
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n+1
(2n+ 1)
f (n) f (n)(a)f(x) = cos(x) c0 = 1
f prime(x) = minus sin(x) c1 = 0f primeprime(x) = minus cos(x) c2 = minus1f primeprimeprime(x) = sin(x) c3 = 0
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n
(2n)
Taylor sor=infin fokuacute Taylor polinom
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
12 Gyoumlkoumls fuumlggveacutenyek integraacutelaacutesaint radic
ax2 + bx+ c
Maacutes fokuacutera nincs aacuteltalaacutenos keacuteplet
1 a lt 0 plint
radic
1minus x2 = 5
intradic
1minus sin2(t) cos dt6 =
int
cos2(t)dt
Keacutet lehetseacuteges megoldaacutesi uacutet
bull cos(2t) = cos2(t)minus sin2(t)
bull cos2(t) = cos(t) middot sinprime(t)int
cos2(t) =
int
cos(t)middotsinprime(t) = cos(t)middotsin(t)minusint
minus sin(t)middotsin(t)
= cos(t) middot sin(t) +int
sin2(t) = cos(t) middot sin(t) +int
1minus cos2(t) =
cos(t) middot sin(t) + tminusint
cos2(t)dt
Oumlsszevonva
2
int
cos2(t) = cos(t) middot sin(t) + t
Ezt a legelejeacutere visszahelyettesiacutetveint
radic
1minus x2dx =
int
cos2(t)dt =cos(t) middot sin(t) + t
2=
1
2
radic
1minus x2 middot x+1
2arcsin(x)
Summaacutezvaint
radic
1minus x2 =1
2xradic
1minus x2 +1
2arcsin(x)
pl
int
radic
4minus x2dx = 2
int
radic
1minus (x
2)2 = 7
2
int
radic
1minus t22dt = x
radic
1minus (x
2)2 + 2 arcsin
radicx2
int
radic
3minus 2xminus x2 =
int
radic
4minus (x+ 1)2 =
2
int
radic
1minus (x+ 1
2)2t =
x+ 1
22dt = dx
int
radic
3minus 2xminus x2 =
int
radic
4minus (x+ 1)2 =
2
int
radic
1minus (x+ 1
2)2t =
x+ 1
28
5(x = sin(t)maacuter volt)6(dx
dt= cos(t))
7x = 2t
82dt = dx
4
int
radic
1minus t2dt =
2 a gt 0 exist valoacutes gyoumlk plint
radic
x2 minus 1 ch2 minus1 = sh2 =
int
sh(t) middot sh(t)dt =int
sh(t) middot chprime(t)
3 a gt 0∄ valoacutes gyoumlk plint
radic
x2 + 1 =
int
ch(t) middot ch(t)dt
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100216
Inpropius integraacutel
Motivaacuteloacute peacuteldaacutek
11int
0
1xdx
A rendes Riemann-integraacutel mieacutert nem hasznaacutelhatoacuteAzeacutert mert a Riemann-integraacutel korlaacutetos fuumlggveacutenyekre vaneacutertelmezve az1
xpedig nem korlaacutetos a(0 1) intervallumban
A kiszaacutemiacutetaacutesi moacutedszer(Newton-Liebnitz) sem mukoumldik
1int
0
1
xdx = [lnx]
10 = ln 1 minus ln 0
Itt baj van ugyanisln 0 = minusinfin iacutegy az eredmeacuteny veacutegtelenJelenleg ez megoldhatatlan
2infinint
0
eminusxdx
Az a baj hogy az integraacutelt eddig csak korlaacutetos intervallumoneacutertelmeztuumlk
infinint
0
eminusxdx =[eminusx
]1
0= minuseminusinfin minus
(minuseminus0
)= 0 minus (minus1) = 1
Ez se stimmel
Ceacutel
Definiaacuteljunk integraacutelt nem korlaacutetos
intervallumra (1)fuumlggveacutenyre (2)
I
Korlaacutetos fuumlggveacuteny integraacutelja nem korlaacutetos intervallumonDef Legyenf [a +infin) rarr R olyan hogy Riemann-integraacutelhatoacute[a b]-nforallb gt a-raAz f fuumlggveacutenynekexist az [ainfin) intervallumon inpropius integraacutelja ha u
exist limbrarrinfin
bint
a
f(x)dx
Ennek jele+infinint
a
f(x)dx
Hasonloacuteanbint
minusinfin
f(x)dx = limararrminusinfin
bint
a
f(x)dx
Peacuteldaacutek
bullinfinint
0
eminusxdx = limbrarrinfin
bint
0
eminusxdx = limbrarrinfin
[minuseminusx]b
0 =
= limbrarrinfin
(minuseminusbminus (minuseminus0)
)= 0 minus (minus1) = 1
bullinfinint
1
1
xdx = lim
brarrinfin
bint
1
1
xdx = lim
brarrinfin[lnx]
b
1 =
= limbrarrinfin
[ln b minus ln 1] = infin
bullinfinint
1
1
x2dx = lim
brarrinfin
bint
1
1
x2dx = lim
brarrinfin
[
minus 1
x
]b
1
=
= limbrarrinfin
[
minus1
bminus(
minus1
1
)]
= 1
0
1
2
0 1 2 3 4
Eacuterdekes hogy a pirossal jeloumllt teruumllet (x2) veacuteges a keacutekkel jeloumllt (x)veacutegtelen
1
infinint
1
1xα
dx Milyen α eacuterteacutekre veacuteges
α 6= 1
infinint
1
1
xαdx = lim
brarrinfin
bint
1
1
xαdx = lim
brarrinfin
[
minus x1minusα
1 minus α
]b
1
=
= limbrarrinfin
(b1minusα
1 minus αminus 11minusα
1 minus α
)
Haα gt 1 0 minus 1αminus1
Haα lt 1 infin
Def Azinfinint
a
f(x)dx inpropinus integraacutelt konvergensnek nevezzuumlk ha
veacuteges Ha divergens akkor vagy veacutegtelen vagy nincs limespl
infinint
1
1x2 dx konvergens
infinint
0
eminusxdx konvergensinfinint
2
1x2 dx konvergens
infinint
1
1xdx divergens
infinint
0
exdx divergensinfinint
03
1xdx divergens
infinint
1
1radicxdx divergens
infinint
0
sinxdx divergensinfinint
2
1xdx divergens
Tanulsaacuteg Az alsoacute hataacuter a konvergens-divergens keacutereacutesben nemszaacutemiacutet
neheacutez keacuterdeacutesek
bullinfinint
0
eminusx2
dx
0
1
2
0 1 2 3 4
Laacutethatoacute hogyeminusx alatt van hax gt 1Tudjuk hogy
infinint
0
eminusxdx konvergens
dArrinfinint
1
eminusxdx konvergens
dArrinfinint
1
eminusx2
dx konvergens
dArrinfinint
0
eminusx2
dx konvergens
bullinfinint
0
eminusx2
dx =
= lim0rarrinfin
infinint
0
eminusx2
dx = lim0rarrinfin
[]b0
Keacuteplettel nem adhatoacute meg a primitiacutev fuumlggveacuteny
Kideruumllinfinint
0
eminusx2
dx =radic
π
2
infinint
minusinfin
infinint
minusinfin
eminus(x2+y2)dx dy = π2
1
bullinfinint
0
sin xx
dx
bullinfinint
0
eminusx sinxdx
bullinfinint
0
sin(x2)dx
A gyoumlkoumlkradic
k middot π egyre surubben joumlnnek ezeacutert konvergens lesz
II
Intervallum korlaacutetos de a fuumlggveacuteny nem korlaacutetospl1int
0
1xdx
DefLegyenf [a b) rarr R olyan hogy azf [a c] intervallumon Riemann-integraacutelhatoacuteforallc isin (a b)-re
f inpropius integraacutelhatoacute[a b)-n halimcrarrb
cint
a
f(x)dx exist ekkor
bint
a
f(x)dx = limcrarrb
cint
a
f(x)dx
Ha aza-naacutel van baj akkor
bint
a
f(x)dx = limcrarra
bint
c
f(x)dx
bint
c
f(x)dx inpropius integraacutel konvergens haexist lim eacutes veacuteges
pl
1int
0
1
xdx = lim
crarr0+
1int
c
1
xdx = lim
crarr0+[lnx]
1c =
limcrarr0+
( ln 1︸︷︷︸
0
minus ln c) = +infin
1int
0
1radicx
dx = limcrarr0+
1int
c
xminus 12 dx = lim
crarr0+[]10 = lim
crarr0+
(
1 minusradic
012
)
= 2
1polaacuterkoordinaacuteta
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100223
1 Fuumlggveacutenysorozatok eacutes fuumlggveacutenysorok
11 Fuumlggveacutenysorozat fogalma
pl fn(x) = xn n = 1 2 3
1
Ez egy fuumlggveacutenysorozat
x n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 konvergencia
fn(
12
)
12
122
123
124 konvergens
fn(13 )
13
132
133
134 konvergens
fn(1) 1 1 1 1 divergens
fn(2) 2 22 23 24 divergens
fn(minus2) minus2 minus22 minus23 minus24 nem tart sehova
Hax-et fixaacuteljuk akkor egy szaacutemsorozatot kapunkHol lesz konvergens hol lesz divergensHax isin (minus1 1 ] akkorfn(x) konvergensexist lim eacutes veacuteges
Def Legyenekfn R rarr R fuumlggveacutenyekn = 1 2 Ezt fuumlggveacuteny-sorozatnak nevezzuumlk
Def LegyenfnR rarr R egy fuumlggveacutenysorozat Ennek konvergenciahal-mazaKH(fh) = x isin R fn(x)szaacutemsorozat konvergenspl
fn(x) = xn rArr KH(fn) = (minus1 1]
Def Az fn fuumlggveacutenysorozat az f fuumlggveacutenyhez tart pontonkeacutent halimnrarrinfin
= f(x)forallx isin KH(fn)
Keacuterdeacutes oumlroumlkli-e azf (limes-hataacuterfuumlggveacuteny) azfn tulajdonsaacutegaitFolytonossaacuteg derivaacutelt integraacutel
ffn
Vaacutelasz Aacuteltalaacuteban nem igaz de neacuteha igen MikorFolytonossaacuteg bukott integraacutel
1
1n
1int
0
fn(x)dx = 1minus1
2n
1int
0
f(x)dx = 1
Tehaacutet
limnrarrinfin
1int
0
fn(x)dx = 1minus1
2n=
1int
0
f(x)dx = 1
1
1
2n
1n
1int
0
fn(x)dx =2
nmiddot 1 middot
1
2= 1foralln
1int
0
f(x)dx = 0
Def azfn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf fuumlggveacutenyhez egyHhalmazon haforallε gt 0existN isin N hogy|fn(x)minusf(x)| lt εforalln ge Nforallx isin H
x fix forallεexistN isin R hogy|fn(x) minus f(x)| lt εforalln ge N
H
fn
fn minus ε
fn + ε
AZ egyenletes konvergenciaacutenaacutelN nem fuumlggx-tol miacuteg a pontnaacutel magaacutetx-et vaacutelasztom eacutes hozzaacute egy kuumlszoumlbindexetplfn(x) = xn
fn(x) = xn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf(x) = 0 fuumlggveacuteny-hez aH [0 12 ] halmazon
H
H=[01] maacuter nemH = [ 0 1 ) nem egyenletesen tartf -hez
deH = [ 0 q ) igen haq lt 1
Mindenfn kiloacuteg azε csobol
Teacutetel Legyenekfn-ek folytonos fuumlggveacutenyek eacutes aH-n egyenletesenkonvergaacutelnak azf hez akkor azf is folytonos aH-n
Teacutetel Legyenekfn-ek Riemann integraacutelhatoacutek egy[a b]-n eacutes egyen-letesen konvergaacutelnak az[a b] intervallumon azf -hez akkor azf isRiemann integraacutelhatoacute eacutes
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
f(x)dx
Maacuteskeacutepp
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
lim fn(x)dx
lim eacutesint
felcsereacutelehto ha egyenletes a konvergencia
2 Fuumlggveacutenysorok
Mi asor sorozatdArr dArr
sum
an anUgyanez a fuumlggveacutenysornaacutel is
Def Legyenfn egy fuumlggveacutenysorozat Az ezekbol keacutepezett fuumlggveacuteny-sorsum
fn azSn = f1 + f2 + fn
fuumlggveacutenysorozat
Def asum
fn fuumlggveacutenysor konvergenciahalmaza
KH(sum
fn) = x isin R
sum
fn(x)konvergens szaacutemsorsum
fn sor oumlsszegfuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
n=1
fn(x)
pl fn(x) = xn
s1(x) = x1 s2(x) = x1 + x2
sum
fn(x) milyenx-re konvergens
KH(sum
fn) = (minus1 1)sum
fn fuumlggveacutenysor egyenletesen konvergens aH halmazon haSn =f1 + f2 + fn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen konvergens aH halmazonFontos speciaacutelis fuumlggveacutenysorhatvaacutenysorLegyenCn egy szaacutemsorozat eacutes legyena isin R egy szaacutem
sum
cn middot (x minus a)n
2
fuumlggveacutenysorta koumlzepu hatvaacutenysornak nevezik
sum
xn Cn = 1 a = 0
plsum
xn
nKH =
x =1
2sum 1
nmiddot1
2n
ez konvergens mertlt 12n Tehaacutet(minus1 1) benne van aKH-ban-
x = 2sum 2n
n
ez erosen divergensx = 1sum 1
ndivergens
x = minus1sum (minus1)n
nez konvergens
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100302
1 Hatvaacutenysorok eacutes Taylor sorok
Def Hatvaacutenysor ilyen fuumlggveacutenysorsum
cn middot (xminus a)n
cn adott szaacutemsorozat(egyuumltthatoacutek)a isin R adott hatvaacutenysor koumlzepepl
sumxn cn = 1 a = 0
sumn middot xn cn = n a = 0
sumxn
n cn = 1n a = 0
AlapkeacuterdeacutesKonvergenciahalmaz (KH) milyenx-re konvergens
pl
sumxn
x = 12 rArr konvergens
x = 2 rarr divergens
Aacuteltalaacuteban milyenx-re konvergensHasznaacuteljuk a gyoumlkkriteacuteriumot
sumansor
konvergens ha lim n
radican lt 1
divergens ha lim n
radican gt 1
sum
xnpeacuteldaacutejaacutenan = xn
n
radic
|an| = |x|Ha negatiacutevok is vannak akkor megneacutezzuumlk az abszolulteacuterteacutekessort
lim n
radic
|an| = |x|
konvergens ha |x| lt 1divergens ha |x| ge 1
pl
sumn middot xn milyenx-re konvergens
an = n middot xn
n
radic
|an| = n
radicn|x|
limnrarrinfin
n
radic
|an| = 1 middot n|x|
Neheacutez hogylimnrarrinfin
n
radicn = 1
Gyoumlkkriteacuterium azt mondja meg hogy
ha
|x| lt 1 akkor
sumn middot xnkonvergens
|x| ge 1 akkorsum
n middot xndivergens
Aacuteltalaacutenos esetsum
cn middot (xminus a)n milyenx-re konvergens
an =sum
cn middot (xminus a)n
n
radic
|an| = n
radiccn middot |xminus a|
Kell ennek a sorozatnak a limese
limnrarrinfin
n
radic
|an| = limnrarrinfin
n
radiccn middot |xminus a| lt 1
hogy konvergens legyen
|xminus a| lt 1
lim n
radiccn
Def
sumcn middot (xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciasugara
R =1
lim n
radiccn
(ha alim = 0rArr R = infin)
|xminus a| lt R lArrrArr x isin (aminusR a+R)︸ ︷︷ ︸
enneka a koumlzepe
Hogyha azx a-toacutel legfeljebbR taacutevolsaacutegra van akkor konvergens
Ezt fogalmazza meg a teacutetel
(Cauchy-Hadamard) Teacutetel
Asum
cn(xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciahalmazaacutera fennaacutel
(aminusR a+R) sub KH sub [aminusR a+R]
ahol
R =1
lim n
radiccn
Azeacutert sugaacuter mert ez komplex szaacutemmokkal is szeacutepen mukoumldikBizonyiacutetaacutes fennt
Megj Az intervallum veacutegpontjai benne lehetnekKH-ban de ezcn-tolfuumlgg (a teacutetel arroacutel nem szoacutel ha x pont a hataacuteron van)
1
pl
sum
xn cn = 1 a = 0
R =1
lim n
radic1= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok(minus1)n (nem tart sehova)1n divergens (infin-hez tart)
KH = (minus1 1)
sum xn
n2cn =
1
n2a = 0
R =1
lim n
radic1n2
= 1
segiacutetseacuteg
limn
radic
1
n2= lim
n
radic1
n
radicn2
= limn
radic1
( n
radicn)2
=1
12= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
n2konvergens
x = minus1 rArrsum (minus1)n
n2konvergens
KH = [minus1 1]
sum xn
ncn =
1
na = 0
R =1
lim n
radic1n
= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
ndivergens
x = 1 rArrsum (minus1)n
nkonvergens
KH = [ minus 1 1 )
Def
Legyensum
cn(xminus a)n egy hatvaacutenysor A hatvaacutenysor fuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
0
cn(xminus a)nx isin KH
pl
sumxnf(x) =
x isin (minus1 1)
Nsum
0
xn = 1 + x+ x2 + xN = 11 middot xN+1 minus 1
xminus 1
infinsum
n=0
xn = limNrarrinfin
(
Nsum
0
xn) = limNrarrinfin
1 middot xN+1 minus 1
xminus 12 =
1
1minus x
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Oumltletsum
nxn oumlsszegeacutere
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Derivaacuteljuk Keacutesobb megneacutezzuumlk hogy szabad-e
infinsum
n=0
nxnminus1 =minusminus 1
1minus x
2
middot x
infinsum
n=0
nxn =1
1minus x
n
pl
infinsum
n=0
n
2n=
1
2+
2
4+
3
8+
4
16+
Ez hagyomaacutenyos moacutedszerrel eseacutelytelen
12
(1minus 12 )
2=
1
2times 1
4= 2
Igaz-e hogy(sum
fn)prime =sum
fnprimeEz nem mindig igaz Kulcsszoacute egyenletes konvergenciaTeacutetel
Legyensum
cn(x minus a)n egy hatvaacutenysorLegyen az oumlsszegfuumlggveacuteny
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n x isin KH
Ekkor f akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacute eacutes tagonkeacutent lehet a sort derivaacutelniazaz
f prime(x) =infinsum
n=1
cnn(xminus a)nminus1(middot1)
f primeprime(x) =
infinsum
n=2
cnn(nminus 1)(xminus a)nminus23
1meacutertani sorozat2xN+1
0-hoz tart kicsi a sokadikon31-tol illetve 2-tol hiszen az 1 ill 2 tag 0 lesz
2
2 Az oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes az egyuumltthatoacutekkapcsolata
Legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n = c0 + c1(xminus a) + c2(xminus a)2 +
f(a) = c0
f prime(x) = c1 + 2c2(xminus a) + 3c3(xminus a)2 +
f prime(a) = c1
f primeprime(x) = 2c2 + 6c3(xminus a) + 4 middot 3(xminus a)2 +
f primeprime(a) = 2c2
f primeprimeprime(a) = 6c3
Raacutejoumlvuumlnk hogy1c0 = 0c06c3 = 3c3
Teacutetel
Legyen
f(x) =infinsum
n=0
cn(xminus a)n rArr f (n)(a) = cn middot n
21 Taylor sor
Eddig adott volt
cn eacutes(a)rArrsum
cn(xminus a)n
Ebbol legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n
Eacuterdekes azf (n)(a) visszaadja acn-tMost legyen adott
fR rarr R
a isin R
akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacuteLegyen most
cn =f (n)a
nforalln
Neacutezzuumlkf(x) =
sum
cn(xminus a)n
hatvaacutenysortDef
Az f fuumlggveacutenya koumlzepu Taylor sora
sum f (n)a
n(xminus a)n
KeacuterdeacutesKH = valamint oumlsszegfuumlggveacuteny(de ezt nem illikf -el jeloumllni)
Joacute lenne ha az oumlsszegfuumlggveacuteny egyenlo lennef -elpl
f(x) =1
1minus x= (1minus x)minus1 legyena = 0
f (n) f (n)(a)f(x) = (1minus x)minus1 c0 = 1
f prime(x) = minus1(1minus x)minus2 minus 1 c1 = 1f primeprime(x) minus 2(1minus x)minus3 minus 1 c2 = 2f primeprimeprime(x)minus 6(1minus x)minus4 minus 1 c3 = 6
f (n)(a) = n
cn = 1
A kapott hatvaacutenysorsum
xn
IsmertKH = (minus1 1) oumlsszegfuumlggveacuteny 11minusx
Visszakaptuk azf -et de csak(minus1 1)-re Az f eacutertelmezve voltR1-reaz oumlsszegfuumlggveacuteny(minus1 1)-en eacutes ott =f
22 Fontos Taylor sorok
f (n) f (n)(a)f(x) = ex c0 = 1f prime(x) = ex c1 = 1f primeprime(x) = ex c2 = 1
2f primeprimeprime(x) = ex c3 = 1
6
Aacuteltalaacutenosan
cn =1
n
ex Taylor sorasum
xn
nKH oumlsszegfuumlggveacuteny
R =1
lim n
radic1n
= infin
Segiacutetseacutegn
radicn = infin
Magyarul akaacutermit iacuterok be konvergens lesz
Haacutenyadoskriteacuteriummal kijoumln aKHKH = R (0 koumlzepu jobbra-balra veacutegtelen intervallum)
sum xn
nforallx-re konvergens
Mi az oumlsszegfuumlggveacutenyTaylor polinom Lagrange maradeacutektaggalTeacutetelforallx isin R eseteacuten
infinsum
0
sum xn
n= ex
3
biz Lagrange maradeacutektagTeacutetel
f (n) f (n)(a)f(x) = sin(x) c0 = 0f prime(x) = cos(x) c1 = 1
f primeprime(x) = minus sin(x) c2 = 0f primeprimeprime(x) = minus cos(x) c3 = minus1
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n+1
(2n+ 1)
f (n) f (n)(a)f(x) = cos(x) c0 = 1
f prime(x) = minus sin(x) c1 = 0f primeprime(x) = minus cos(x) c2 = minus1f primeprimeprime(x) = sin(x) c3 = 0
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n
(2n)
Taylor sor=infin fokuacute Taylor polinom
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100216
Inpropius integraacutel
Motivaacuteloacute peacuteldaacutek
11int
0
1xdx
A rendes Riemann-integraacutel mieacutert nem hasznaacutelhatoacuteAzeacutert mert a Riemann-integraacutel korlaacutetos fuumlggveacutenyekre vaneacutertelmezve az1
xpedig nem korlaacutetos a(0 1) intervallumban
A kiszaacutemiacutetaacutesi moacutedszer(Newton-Liebnitz) sem mukoumldik
1int
0
1
xdx = [lnx]
10 = ln 1 minus ln 0
Itt baj van ugyanisln 0 = minusinfin iacutegy az eredmeacuteny veacutegtelenJelenleg ez megoldhatatlan
2infinint
0
eminusxdx
Az a baj hogy az integraacutelt eddig csak korlaacutetos intervallumoneacutertelmeztuumlk
infinint
0
eminusxdx =[eminusx
]1
0= minuseminusinfin minus
(minuseminus0
)= 0 minus (minus1) = 1
Ez se stimmel
Ceacutel
Definiaacuteljunk integraacutelt nem korlaacutetos
intervallumra (1)fuumlggveacutenyre (2)
I
Korlaacutetos fuumlggveacuteny integraacutelja nem korlaacutetos intervallumonDef Legyenf [a +infin) rarr R olyan hogy Riemann-integraacutelhatoacute[a b]-nforallb gt a-raAz f fuumlggveacutenynekexist az [ainfin) intervallumon inpropius integraacutelja ha u
exist limbrarrinfin
bint
a
f(x)dx
Ennek jele+infinint
a
f(x)dx
Hasonloacuteanbint
minusinfin
f(x)dx = limararrminusinfin
bint
a
f(x)dx
Peacuteldaacutek
bullinfinint
0
eminusxdx = limbrarrinfin
bint
0
eminusxdx = limbrarrinfin
[minuseminusx]b
0 =
= limbrarrinfin
(minuseminusbminus (minuseminus0)
)= 0 minus (minus1) = 1
bullinfinint
1
1
xdx = lim
brarrinfin
bint
1
1
xdx = lim
brarrinfin[lnx]
b
1 =
= limbrarrinfin
[ln b minus ln 1] = infin
bullinfinint
1
1
x2dx = lim
brarrinfin
bint
1
1
x2dx = lim
brarrinfin
[
minus 1
x
]b
1
=
= limbrarrinfin
[
minus1
bminus(
minus1
1
)]
= 1
0
1
2
0 1 2 3 4
Eacuterdekes hogy a pirossal jeloumllt teruumllet (x2) veacuteges a keacutekkel jeloumllt (x)veacutegtelen
1
infinint
1
1xα
dx Milyen α eacuterteacutekre veacuteges
α 6= 1
infinint
1
1
xαdx = lim
brarrinfin
bint
1
1
xαdx = lim
brarrinfin
[
minus x1minusα
1 minus α
]b
1
=
= limbrarrinfin
(b1minusα
1 minus αminus 11minusα
1 minus α
)
Haα gt 1 0 minus 1αminus1
Haα lt 1 infin
Def Azinfinint
a
f(x)dx inpropinus integraacutelt konvergensnek nevezzuumlk ha
veacuteges Ha divergens akkor vagy veacutegtelen vagy nincs limespl
infinint
1
1x2 dx konvergens
infinint
0
eminusxdx konvergensinfinint
2
1x2 dx konvergens
infinint
1
1xdx divergens
infinint
0
exdx divergensinfinint
03
1xdx divergens
infinint
1
1radicxdx divergens
infinint
0
sinxdx divergensinfinint
2
1xdx divergens
Tanulsaacuteg Az alsoacute hataacuter a konvergens-divergens keacutereacutesben nemszaacutemiacutet
neheacutez keacuterdeacutesek
bullinfinint
0
eminusx2
dx
0
1
2
0 1 2 3 4
Laacutethatoacute hogyeminusx alatt van hax gt 1Tudjuk hogy
infinint
0
eminusxdx konvergens
dArrinfinint
1
eminusxdx konvergens
dArrinfinint
1
eminusx2
dx konvergens
dArrinfinint
0
eminusx2
dx konvergens
bullinfinint
0
eminusx2
dx =
= lim0rarrinfin
infinint
0
eminusx2
dx = lim0rarrinfin
[]b0
Keacuteplettel nem adhatoacute meg a primitiacutev fuumlggveacuteny
Kideruumllinfinint
0
eminusx2
dx =radic
π
2
infinint
minusinfin
infinint
minusinfin
eminus(x2+y2)dx dy = π2
1
bullinfinint
0
sin xx
dx
bullinfinint
0
eminusx sinxdx
bullinfinint
0
sin(x2)dx
A gyoumlkoumlkradic
k middot π egyre surubben joumlnnek ezeacutert konvergens lesz
II
Intervallum korlaacutetos de a fuumlggveacuteny nem korlaacutetospl1int
0
1xdx
DefLegyenf [a b) rarr R olyan hogy azf [a c] intervallumon Riemann-integraacutelhatoacuteforallc isin (a b)-re
f inpropius integraacutelhatoacute[a b)-n halimcrarrb
cint
a
f(x)dx exist ekkor
bint
a
f(x)dx = limcrarrb
cint
a
f(x)dx
Ha aza-naacutel van baj akkor
bint
a
f(x)dx = limcrarra
bint
c
f(x)dx
bint
c
f(x)dx inpropius integraacutel konvergens haexist lim eacutes veacuteges
pl
1int
0
1
xdx = lim
crarr0+
1int
c
1
xdx = lim
crarr0+[lnx]
1c =
limcrarr0+
( ln 1︸︷︷︸
0
minus ln c) = +infin
1int
0
1radicx
dx = limcrarr0+
1int
c
xminus 12 dx = lim
crarr0+[]10 = lim
crarr0+
(
1 minusradic
012
)
= 2
1polaacuterkoordinaacuteta
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100223
1 Fuumlggveacutenysorozatok eacutes fuumlggveacutenysorok
11 Fuumlggveacutenysorozat fogalma
pl fn(x) = xn n = 1 2 3
1
Ez egy fuumlggveacutenysorozat
x n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 konvergencia
fn(
12
)
12
122
123
124 konvergens
fn(13 )
13
132
133
134 konvergens
fn(1) 1 1 1 1 divergens
fn(2) 2 22 23 24 divergens
fn(minus2) minus2 minus22 minus23 minus24 nem tart sehova
Hax-et fixaacuteljuk akkor egy szaacutemsorozatot kapunkHol lesz konvergens hol lesz divergensHax isin (minus1 1 ] akkorfn(x) konvergensexist lim eacutes veacuteges
Def Legyenekfn R rarr R fuumlggveacutenyekn = 1 2 Ezt fuumlggveacuteny-sorozatnak nevezzuumlk
Def LegyenfnR rarr R egy fuumlggveacutenysorozat Ennek konvergenciahal-mazaKH(fh) = x isin R fn(x)szaacutemsorozat konvergenspl
fn(x) = xn rArr KH(fn) = (minus1 1]
Def Az fn fuumlggveacutenysorozat az f fuumlggveacutenyhez tart pontonkeacutent halimnrarrinfin
= f(x)forallx isin KH(fn)
Keacuterdeacutes oumlroumlkli-e azf (limes-hataacuterfuumlggveacuteny) azfn tulajdonsaacutegaitFolytonossaacuteg derivaacutelt integraacutel
ffn
Vaacutelasz Aacuteltalaacuteban nem igaz de neacuteha igen MikorFolytonossaacuteg bukott integraacutel
1
1n
1int
0
fn(x)dx = 1minus1
2n
1int
0
f(x)dx = 1
Tehaacutet
limnrarrinfin
1int
0
fn(x)dx = 1minus1
2n=
1int
0
f(x)dx = 1
1
1
2n
1n
1int
0
fn(x)dx =2
nmiddot 1 middot
1
2= 1foralln
1int
0
f(x)dx = 0
Def azfn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf fuumlggveacutenyhez egyHhalmazon haforallε gt 0existN isin N hogy|fn(x)minusf(x)| lt εforalln ge Nforallx isin H
x fix forallεexistN isin R hogy|fn(x) minus f(x)| lt εforalln ge N
H
fn
fn minus ε
fn + ε
AZ egyenletes konvergenciaacutenaacutelN nem fuumlggx-tol miacuteg a pontnaacutel magaacutetx-et vaacutelasztom eacutes hozzaacute egy kuumlszoumlbindexetplfn(x) = xn
fn(x) = xn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf(x) = 0 fuumlggveacuteny-hez aH [0 12 ] halmazon
H
H=[01] maacuter nemH = [ 0 1 ) nem egyenletesen tartf -hez
deH = [ 0 q ) igen haq lt 1
Mindenfn kiloacuteg azε csobol
Teacutetel Legyenekfn-ek folytonos fuumlggveacutenyek eacutes aH-n egyenletesenkonvergaacutelnak azf hez akkor azf is folytonos aH-n
Teacutetel Legyenekfn-ek Riemann integraacutelhatoacutek egy[a b]-n eacutes egyen-letesen konvergaacutelnak az[a b] intervallumon azf -hez akkor azf isRiemann integraacutelhatoacute eacutes
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
f(x)dx
Maacuteskeacutepp
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
lim fn(x)dx
lim eacutesint
felcsereacutelehto ha egyenletes a konvergencia
2 Fuumlggveacutenysorok
Mi asor sorozatdArr dArr
sum
an anUgyanez a fuumlggveacutenysornaacutel is
Def Legyenfn egy fuumlggveacutenysorozat Az ezekbol keacutepezett fuumlggveacuteny-sorsum
fn azSn = f1 + f2 + fn
fuumlggveacutenysorozat
Def asum
fn fuumlggveacutenysor konvergenciahalmaza
KH(sum
fn) = x isin R
sum
fn(x)konvergens szaacutemsorsum
fn sor oumlsszegfuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
n=1
fn(x)
pl fn(x) = xn
s1(x) = x1 s2(x) = x1 + x2
sum
fn(x) milyenx-re konvergens
KH(sum
fn) = (minus1 1)sum
fn fuumlggveacutenysor egyenletesen konvergens aH halmazon haSn =f1 + f2 + fn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen konvergens aH halmazonFontos speciaacutelis fuumlggveacutenysorhatvaacutenysorLegyenCn egy szaacutemsorozat eacutes legyena isin R egy szaacutem
sum
cn middot (x minus a)n
2
fuumlggveacutenysorta koumlzepu hatvaacutenysornak nevezik
sum
xn Cn = 1 a = 0
plsum
xn
nKH =
x =1
2sum 1
nmiddot1
2n
ez konvergens mertlt 12n Tehaacutet(minus1 1) benne van aKH-ban-
x = 2sum 2n
n
ez erosen divergensx = 1sum 1
ndivergens
x = minus1sum (minus1)n
nez konvergens
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100302
1 Hatvaacutenysorok eacutes Taylor sorok
Def Hatvaacutenysor ilyen fuumlggveacutenysorsum
cn middot (xminus a)n
cn adott szaacutemsorozat(egyuumltthatoacutek)a isin R adott hatvaacutenysor koumlzepepl
sumxn cn = 1 a = 0
sumn middot xn cn = n a = 0
sumxn
n cn = 1n a = 0
AlapkeacuterdeacutesKonvergenciahalmaz (KH) milyenx-re konvergens
pl
sumxn
x = 12 rArr konvergens
x = 2 rarr divergens
Aacuteltalaacuteban milyenx-re konvergensHasznaacuteljuk a gyoumlkkriteacuteriumot
sumansor
konvergens ha lim n
radican lt 1
divergens ha lim n
radican gt 1
sum
xnpeacuteldaacutejaacutenan = xn
n
radic
|an| = |x|Ha negatiacutevok is vannak akkor megneacutezzuumlk az abszolulteacuterteacutekessort
lim n
radic
|an| = |x|
konvergens ha |x| lt 1divergens ha |x| ge 1
pl
sumn middot xn milyenx-re konvergens
an = n middot xn
n
radic
|an| = n
radicn|x|
limnrarrinfin
n
radic
|an| = 1 middot n|x|
Neheacutez hogylimnrarrinfin
n
radicn = 1
Gyoumlkkriteacuterium azt mondja meg hogy
ha
|x| lt 1 akkor
sumn middot xnkonvergens
|x| ge 1 akkorsum
n middot xndivergens
Aacuteltalaacutenos esetsum
cn middot (xminus a)n milyenx-re konvergens
an =sum
cn middot (xminus a)n
n
radic
|an| = n
radiccn middot |xminus a|
Kell ennek a sorozatnak a limese
limnrarrinfin
n
radic
|an| = limnrarrinfin
n
radiccn middot |xminus a| lt 1
hogy konvergens legyen
|xminus a| lt 1
lim n
radiccn
Def
sumcn middot (xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciasugara
R =1
lim n
radiccn
(ha alim = 0rArr R = infin)
|xminus a| lt R lArrrArr x isin (aminusR a+R)︸ ︷︷ ︸
enneka a koumlzepe
Hogyha azx a-toacutel legfeljebbR taacutevolsaacutegra van akkor konvergens
Ezt fogalmazza meg a teacutetel
(Cauchy-Hadamard) Teacutetel
Asum
cn(xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciahalmazaacutera fennaacutel
(aminusR a+R) sub KH sub [aminusR a+R]
ahol
R =1
lim n
radiccn
Azeacutert sugaacuter mert ez komplex szaacutemmokkal is szeacutepen mukoumldikBizonyiacutetaacutes fennt
Megj Az intervallum veacutegpontjai benne lehetnekKH-ban de ezcn-tolfuumlgg (a teacutetel arroacutel nem szoacutel ha x pont a hataacuteron van)
1
pl
sum
xn cn = 1 a = 0
R =1
lim n
radic1= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok(minus1)n (nem tart sehova)1n divergens (infin-hez tart)
KH = (minus1 1)
sum xn
n2cn =
1
n2a = 0
R =1
lim n
radic1n2
= 1
segiacutetseacuteg
limn
radic
1
n2= lim
n
radic1
n
radicn2
= limn
radic1
( n
radicn)2
=1
12= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
n2konvergens
x = minus1 rArrsum (minus1)n
n2konvergens
KH = [minus1 1]
sum xn
ncn =
1
na = 0
R =1
lim n
radic1n
= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
ndivergens
x = 1 rArrsum (minus1)n
nkonvergens
KH = [ minus 1 1 )
Def
Legyensum
cn(xminus a)n egy hatvaacutenysor A hatvaacutenysor fuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
0
cn(xminus a)nx isin KH
pl
sumxnf(x) =
x isin (minus1 1)
Nsum
0
xn = 1 + x+ x2 + xN = 11 middot xN+1 minus 1
xminus 1
infinsum
n=0
xn = limNrarrinfin
(
Nsum
0
xn) = limNrarrinfin
1 middot xN+1 minus 1
xminus 12 =
1
1minus x
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Oumltletsum
nxn oumlsszegeacutere
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Derivaacuteljuk Keacutesobb megneacutezzuumlk hogy szabad-e
infinsum
n=0
nxnminus1 =minusminus 1
1minus x
2
middot x
infinsum
n=0
nxn =1
1minus x
n
pl
infinsum
n=0
n
2n=
1
2+
2
4+
3
8+
4
16+
Ez hagyomaacutenyos moacutedszerrel eseacutelytelen
12
(1minus 12 )
2=
1
2times 1
4= 2
Igaz-e hogy(sum
fn)prime =sum
fnprimeEz nem mindig igaz Kulcsszoacute egyenletes konvergenciaTeacutetel
Legyensum
cn(x minus a)n egy hatvaacutenysorLegyen az oumlsszegfuumlggveacuteny
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n x isin KH
Ekkor f akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacute eacutes tagonkeacutent lehet a sort derivaacutelniazaz
f prime(x) =infinsum
n=1
cnn(xminus a)nminus1(middot1)
f primeprime(x) =
infinsum
n=2
cnn(nminus 1)(xminus a)nminus23
1meacutertani sorozat2xN+1
0-hoz tart kicsi a sokadikon31-tol illetve 2-tol hiszen az 1 ill 2 tag 0 lesz
2
2 Az oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes az egyuumltthatoacutekkapcsolata
Legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n = c0 + c1(xminus a) + c2(xminus a)2 +
f(a) = c0
f prime(x) = c1 + 2c2(xminus a) + 3c3(xminus a)2 +
f prime(a) = c1
f primeprime(x) = 2c2 + 6c3(xminus a) + 4 middot 3(xminus a)2 +
f primeprime(a) = 2c2
f primeprimeprime(a) = 6c3
Raacutejoumlvuumlnk hogy1c0 = 0c06c3 = 3c3
Teacutetel
Legyen
f(x) =infinsum
n=0
cn(xminus a)n rArr f (n)(a) = cn middot n
21 Taylor sor
Eddig adott volt
cn eacutes(a)rArrsum
cn(xminus a)n
Ebbol legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n
Eacuterdekes azf (n)(a) visszaadja acn-tMost legyen adott
fR rarr R
a isin R
akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacuteLegyen most
cn =f (n)a
nforalln
Neacutezzuumlkf(x) =
sum
cn(xminus a)n
hatvaacutenysortDef
Az f fuumlggveacutenya koumlzepu Taylor sora
sum f (n)a
n(xminus a)n
KeacuterdeacutesKH = valamint oumlsszegfuumlggveacuteny(de ezt nem illikf -el jeloumllni)
Joacute lenne ha az oumlsszegfuumlggveacuteny egyenlo lennef -elpl
f(x) =1
1minus x= (1minus x)minus1 legyena = 0
f (n) f (n)(a)f(x) = (1minus x)minus1 c0 = 1
f prime(x) = minus1(1minus x)minus2 minus 1 c1 = 1f primeprime(x) minus 2(1minus x)minus3 minus 1 c2 = 2f primeprimeprime(x)minus 6(1minus x)minus4 minus 1 c3 = 6
f (n)(a) = n
cn = 1
A kapott hatvaacutenysorsum
xn
IsmertKH = (minus1 1) oumlsszegfuumlggveacuteny 11minusx
Visszakaptuk azf -et de csak(minus1 1)-re Az f eacutertelmezve voltR1-reaz oumlsszegfuumlggveacuteny(minus1 1)-en eacutes ott =f
22 Fontos Taylor sorok
f (n) f (n)(a)f(x) = ex c0 = 1f prime(x) = ex c1 = 1f primeprime(x) = ex c2 = 1
2f primeprimeprime(x) = ex c3 = 1
6
Aacuteltalaacutenosan
cn =1
n
ex Taylor sorasum
xn
nKH oumlsszegfuumlggveacuteny
R =1
lim n
radic1n
= infin
Segiacutetseacutegn
radicn = infin
Magyarul akaacutermit iacuterok be konvergens lesz
Haacutenyadoskriteacuteriummal kijoumln aKHKH = R (0 koumlzepu jobbra-balra veacutegtelen intervallum)
sum xn
nforallx-re konvergens
Mi az oumlsszegfuumlggveacutenyTaylor polinom Lagrange maradeacutektaggalTeacutetelforallx isin R eseteacuten
infinsum
0
sum xn
n= ex
3
biz Lagrange maradeacutektagTeacutetel
f (n) f (n)(a)f(x) = sin(x) c0 = 0f prime(x) = cos(x) c1 = 1
f primeprime(x) = minus sin(x) c2 = 0f primeprimeprime(x) = minus cos(x) c3 = minus1
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n+1
(2n+ 1)
f (n) f (n)(a)f(x) = cos(x) c0 = 1
f prime(x) = minus sin(x) c1 = 0f primeprime(x) = minus cos(x) c2 = minus1f primeprimeprime(x) = sin(x) c3 = 0
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n
(2n)
Taylor sor=infin fokuacute Taylor polinom
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
infinint
1
1xα
dx Milyen α eacuterteacutekre veacuteges
α 6= 1
infinint
1
1
xαdx = lim
brarrinfin
bint
1
1
xαdx = lim
brarrinfin
[
minus x1minusα
1 minus α
]b
1
=
= limbrarrinfin
(b1minusα
1 minus αminus 11minusα
1 minus α
)
Haα gt 1 0 minus 1αminus1
Haα lt 1 infin
Def Azinfinint
a
f(x)dx inpropinus integraacutelt konvergensnek nevezzuumlk ha
veacuteges Ha divergens akkor vagy veacutegtelen vagy nincs limespl
infinint
1
1x2 dx konvergens
infinint
0
eminusxdx konvergensinfinint
2
1x2 dx konvergens
infinint
1
1xdx divergens
infinint
0
exdx divergensinfinint
03
1xdx divergens
infinint
1
1radicxdx divergens
infinint
0
sinxdx divergensinfinint
2
1xdx divergens
Tanulsaacuteg Az alsoacute hataacuter a konvergens-divergens keacutereacutesben nemszaacutemiacutet
neheacutez keacuterdeacutesek
bullinfinint
0
eminusx2
dx
0
1
2
0 1 2 3 4
Laacutethatoacute hogyeminusx alatt van hax gt 1Tudjuk hogy
infinint
0
eminusxdx konvergens
dArrinfinint
1
eminusxdx konvergens
dArrinfinint
1
eminusx2
dx konvergens
dArrinfinint
0
eminusx2
dx konvergens
bullinfinint
0
eminusx2
dx =
= lim0rarrinfin
infinint
0
eminusx2
dx = lim0rarrinfin
[]b0
Keacuteplettel nem adhatoacute meg a primitiacutev fuumlggveacuteny
Kideruumllinfinint
0
eminusx2
dx =radic
π
2
infinint
minusinfin
infinint
minusinfin
eminus(x2+y2)dx dy = π2
1
bullinfinint
0
sin xx
dx
bullinfinint
0
eminusx sinxdx
bullinfinint
0
sin(x2)dx
A gyoumlkoumlkradic
k middot π egyre surubben joumlnnek ezeacutert konvergens lesz
II
Intervallum korlaacutetos de a fuumlggveacuteny nem korlaacutetospl1int
0
1xdx
DefLegyenf [a b) rarr R olyan hogy azf [a c] intervallumon Riemann-integraacutelhatoacuteforallc isin (a b)-re
f inpropius integraacutelhatoacute[a b)-n halimcrarrb
cint
a
f(x)dx exist ekkor
bint
a
f(x)dx = limcrarrb
cint
a
f(x)dx
Ha aza-naacutel van baj akkor
bint
a
f(x)dx = limcrarra
bint
c
f(x)dx
bint
c
f(x)dx inpropius integraacutel konvergens haexist lim eacutes veacuteges
pl
1int
0
1
xdx = lim
crarr0+
1int
c
1
xdx = lim
crarr0+[lnx]
1c =
limcrarr0+
( ln 1︸︷︷︸
0
minus ln c) = +infin
1int
0
1radicx
dx = limcrarr0+
1int
c
xminus 12 dx = lim
crarr0+[]10 = lim
crarr0+
(
1 minusradic
012
)
= 2
1polaacuterkoordinaacuteta
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100223
1 Fuumlggveacutenysorozatok eacutes fuumlggveacutenysorok
11 Fuumlggveacutenysorozat fogalma
pl fn(x) = xn n = 1 2 3
1
Ez egy fuumlggveacutenysorozat
x n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 konvergencia
fn(
12
)
12
122
123
124 konvergens
fn(13 )
13
132
133
134 konvergens
fn(1) 1 1 1 1 divergens
fn(2) 2 22 23 24 divergens
fn(minus2) minus2 minus22 minus23 minus24 nem tart sehova
Hax-et fixaacuteljuk akkor egy szaacutemsorozatot kapunkHol lesz konvergens hol lesz divergensHax isin (minus1 1 ] akkorfn(x) konvergensexist lim eacutes veacuteges
Def Legyenekfn R rarr R fuumlggveacutenyekn = 1 2 Ezt fuumlggveacuteny-sorozatnak nevezzuumlk
Def LegyenfnR rarr R egy fuumlggveacutenysorozat Ennek konvergenciahal-mazaKH(fh) = x isin R fn(x)szaacutemsorozat konvergenspl
fn(x) = xn rArr KH(fn) = (minus1 1]
Def Az fn fuumlggveacutenysorozat az f fuumlggveacutenyhez tart pontonkeacutent halimnrarrinfin
= f(x)forallx isin KH(fn)
Keacuterdeacutes oumlroumlkli-e azf (limes-hataacuterfuumlggveacuteny) azfn tulajdonsaacutegaitFolytonossaacuteg derivaacutelt integraacutel
ffn
Vaacutelasz Aacuteltalaacuteban nem igaz de neacuteha igen MikorFolytonossaacuteg bukott integraacutel
1
1n
1int
0
fn(x)dx = 1minus1
2n
1int
0
f(x)dx = 1
Tehaacutet
limnrarrinfin
1int
0
fn(x)dx = 1minus1
2n=
1int
0
f(x)dx = 1
1
1
2n
1n
1int
0
fn(x)dx =2
nmiddot 1 middot
1
2= 1foralln
1int
0
f(x)dx = 0
Def azfn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf fuumlggveacutenyhez egyHhalmazon haforallε gt 0existN isin N hogy|fn(x)minusf(x)| lt εforalln ge Nforallx isin H
x fix forallεexistN isin R hogy|fn(x) minus f(x)| lt εforalln ge N
H
fn
fn minus ε
fn + ε
AZ egyenletes konvergenciaacutenaacutelN nem fuumlggx-tol miacuteg a pontnaacutel magaacutetx-et vaacutelasztom eacutes hozzaacute egy kuumlszoumlbindexetplfn(x) = xn
fn(x) = xn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf(x) = 0 fuumlggveacuteny-hez aH [0 12 ] halmazon
H
H=[01] maacuter nemH = [ 0 1 ) nem egyenletesen tartf -hez
deH = [ 0 q ) igen haq lt 1
Mindenfn kiloacuteg azε csobol
Teacutetel Legyenekfn-ek folytonos fuumlggveacutenyek eacutes aH-n egyenletesenkonvergaacutelnak azf hez akkor azf is folytonos aH-n
Teacutetel Legyenekfn-ek Riemann integraacutelhatoacutek egy[a b]-n eacutes egyen-letesen konvergaacutelnak az[a b] intervallumon azf -hez akkor azf isRiemann integraacutelhatoacute eacutes
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
f(x)dx
Maacuteskeacutepp
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
lim fn(x)dx
lim eacutesint
felcsereacutelehto ha egyenletes a konvergencia
2 Fuumlggveacutenysorok
Mi asor sorozatdArr dArr
sum
an anUgyanez a fuumlggveacutenysornaacutel is
Def Legyenfn egy fuumlggveacutenysorozat Az ezekbol keacutepezett fuumlggveacuteny-sorsum
fn azSn = f1 + f2 + fn
fuumlggveacutenysorozat
Def asum
fn fuumlggveacutenysor konvergenciahalmaza
KH(sum
fn) = x isin R
sum
fn(x)konvergens szaacutemsorsum
fn sor oumlsszegfuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
n=1
fn(x)
pl fn(x) = xn
s1(x) = x1 s2(x) = x1 + x2
sum
fn(x) milyenx-re konvergens
KH(sum
fn) = (minus1 1)sum
fn fuumlggveacutenysor egyenletesen konvergens aH halmazon haSn =f1 + f2 + fn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen konvergens aH halmazonFontos speciaacutelis fuumlggveacutenysorhatvaacutenysorLegyenCn egy szaacutemsorozat eacutes legyena isin R egy szaacutem
sum
cn middot (x minus a)n
2
fuumlggveacutenysorta koumlzepu hatvaacutenysornak nevezik
sum
xn Cn = 1 a = 0
plsum
xn
nKH =
x =1
2sum 1
nmiddot1
2n
ez konvergens mertlt 12n Tehaacutet(minus1 1) benne van aKH-ban-
x = 2sum 2n
n
ez erosen divergensx = 1sum 1
ndivergens
x = minus1sum (minus1)n
nez konvergens
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100302
1 Hatvaacutenysorok eacutes Taylor sorok
Def Hatvaacutenysor ilyen fuumlggveacutenysorsum
cn middot (xminus a)n
cn adott szaacutemsorozat(egyuumltthatoacutek)a isin R adott hatvaacutenysor koumlzepepl
sumxn cn = 1 a = 0
sumn middot xn cn = n a = 0
sumxn
n cn = 1n a = 0
AlapkeacuterdeacutesKonvergenciahalmaz (KH) milyenx-re konvergens
pl
sumxn
x = 12 rArr konvergens
x = 2 rarr divergens
Aacuteltalaacuteban milyenx-re konvergensHasznaacuteljuk a gyoumlkkriteacuteriumot
sumansor
konvergens ha lim n
radican lt 1
divergens ha lim n
radican gt 1
sum
xnpeacuteldaacutejaacutenan = xn
n
radic
|an| = |x|Ha negatiacutevok is vannak akkor megneacutezzuumlk az abszolulteacuterteacutekessort
lim n
radic
|an| = |x|
konvergens ha |x| lt 1divergens ha |x| ge 1
pl
sumn middot xn milyenx-re konvergens
an = n middot xn
n
radic
|an| = n
radicn|x|
limnrarrinfin
n
radic
|an| = 1 middot n|x|
Neheacutez hogylimnrarrinfin
n
radicn = 1
Gyoumlkkriteacuterium azt mondja meg hogy
ha
|x| lt 1 akkor
sumn middot xnkonvergens
|x| ge 1 akkorsum
n middot xndivergens
Aacuteltalaacutenos esetsum
cn middot (xminus a)n milyenx-re konvergens
an =sum
cn middot (xminus a)n
n
radic
|an| = n
radiccn middot |xminus a|
Kell ennek a sorozatnak a limese
limnrarrinfin
n
radic
|an| = limnrarrinfin
n
radiccn middot |xminus a| lt 1
hogy konvergens legyen
|xminus a| lt 1
lim n
radiccn
Def
sumcn middot (xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciasugara
R =1
lim n
radiccn
(ha alim = 0rArr R = infin)
|xminus a| lt R lArrrArr x isin (aminusR a+R)︸ ︷︷ ︸
enneka a koumlzepe
Hogyha azx a-toacutel legfeljebbR taacutevolsaacutegra van akkor konvergens
Ezt fogalmazza meg a teacutetel
(Cauchy-Hadamard) Teacutetel
Asum
cn(xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciahalmazaacutera fennaacutel
(aminusR a+R) sub KH sub [aminusR a+R]
ahol
R =1
lim n
radiccn
Azeacutert sugaacuter mert ez komplex szaacutemmokkal is szeacutepen mukoumldikBizonyiacutetaacutes fennt
Megj Az intervallum veacutegpontjai benne lehetnekKH-ban de ezcn-tolfuumlgg (a teacutetel arroacutel nem szoacutel ha x pont a hataacuteron van)
1
pl
sum
xn cn = 1 a = 0
R =1
lim n
radic1= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok(minus1)n (nem tart sehova)1n divergens (infin-hez tart)
KH = (minus1 1)
sum xn
n2cn =
1
n2a = 0
R =1
lim n
radic1n2
= 1
segiacutetseacuteg
limn
radic
1
n2= lim
n
radic1
n
radicn2
= limn
radic1
( n
radicn)2
=1
12= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
n2konvergens
x = minus1 rArrsum (minus1)n
n2konvergens
KH = [minus1 1]
sum xn
ncn =
1
na = 0
R =1
lim n
radic1n
= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
ndivergens
x = 1 rArrsum (minus1)n
nkonvergens
KH = [ minus 1 1 )
Def
Legyensum
cn(xminus a)n egy hatvaacutenysor A hatvaacutenysor fuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
0
cn(xminus a)nx isin KH
pl
sumxnf(x) =
x isin (minus1 1)
Nsum
0
xn = 1 + x+ x2 + xN = 11 middot xN+1 minus 1
xminus 1
infinsum
n=0
xn = limNrarrinfin
(
Nsum
0
xn) = limNrarrinfin
1 middot xN+1 minus 1
xminus 12 =
1
1minus x
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Oumltletsum
nxn oumlsszegeacutere
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Derivaacuteljuk Keacutesobb megneacutezzuumlk hogy szabad-e
infinsum
n=0
nxnminus1 =minusminus 1
1minus x
2
middot x
infinsum
n=0
nxn =1
1minus x
n
pl
infinsum
n=0
n
2n=
1
2+
2
4+
3
8+
4
16+
Ez hagyomaacutenyos moacutedszerrel eseacutelytelen
12
(1minus 12 )
2=
1
2times 1
4= 2
Igaz-e hogy(sum
fn)prime =sum
fnprimeEz nem mindig igaz Kulcsszoacute egyenletes konvergenciaTeacutetel
Legyensum
cn(x minus a)n egy hatvaacutenysorLegyen az oumlsszegfuumlggveacuteny
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n x isin KH
Ekkor f akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacute eacutes tagonkeacutent lehet a sort derivaacutelniazaz
f prime(x) =infinsum
n=1
cnn(xminus a)nminus1(middot1)
f primeprime(x) =
infinsum
n=2
cnn(nminus 1)(xminus a)nminus23
1meacutertani sorozat2xN+1
0-hoz tart kicsi a sokadikon31-tol illetve 2-tol hiszen az 1 ill 2 tag 0 lesz
2
2 Az oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes az egyuumltthatoacutekkapcsolata
Legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n = c0 + c1(xminus a) + c2(xminus a)2 +
f(a) = c0
f prime(x) = c1 + 2c2(xminus a) + 3c3(xminus a)2 +
f prime(a) = c1
f primeprime(x) = 2c2 + 6c3(xminus a) + 4 middot 3(xminus a)2 +
f primeprime(a) = 2c2
f primeprimeprime(a) = 6c3
Raacutejoumlvuumlnk hogy1c0 = 0c06c3 = 3c3
Teacutetel
Legyen
f(x) =infinsum
n=0
cn(xminus a)n rArr f (n)(a) = cn middot n
21 Taylor sor
Eddig adott volt
cn eacutes(a)rArrsum
cn(xminus a)n
Ebbol legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n
Eacuterdekes azf (n)(a) visszaadja acn-tMost legyen adott
fR rarr R
a isin R
akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacuteLegyen most
cn =f (n)a
nforalln
Neacutezzuumlkf(x) =
sum
cn(xminus a)n
hatvaacutenysortDef
Az f fuumlggveacutenya koumlzepu Taylor sora
sum f (n)a
n(xminus a)n
KeacuterdeacutesKH = valamint oumlsszegfuumlggveacuteny(de ezt nem illikf -el jeloumllni)
Joacute lenne ha az oumlsszegfuumlggveacuteny egyenlo lennef -elpl
f(x) =1
1minus x= (1minus x)minus1 legyena = 0
f (n) f (n)(a)f(x) = (1minus x)minus1 c0 = 1
f prime(x) = minus1(1minus x)minus2 minus 1 c1 = 1f primeprime(x) minus 2(1minus x)minus3 minus 1 c2 = 2f primeprimeprime(x)minus 6(1minus x)minus4 minus 1 c3 = 6
f (n)(a) = n
cn = 1
A kapott hatvaacutenysorsum
xn
IsmertKH = (minus1 1) oumlsszegfuumlggveacuteny 11minusx
Visszakaptuk azf -et de csak(minus1 1)-re Az f eacutertelmezve voltR1-reaz oumlsszegfuumlggveacuteny(minus1 1)-en eacutes ott =f
22 Fontos Taylor sorok
f (n) f (n)(a)f(x) = ex c0 = 1f prime(x) = ex c1 = 1f primeprime(x) = ex c2 = 1
2f primeprimeprime(x) = ex c3 = 1
6
Aacuteltalaacutenosan
cn =1
n
ex Taylor sorasum
xn
nKH oumlsszegfuumlggveacuteny
R =1
lim n
radic1n
= infin
Segiacutetseacutegn
radicn = infin
Magyarul akaacutermit iacuterok be konvergens lesz
Haacutenyadoskriteacuteriummal kijoumln aKHKH = R (0 koumlzepu jobbra-balra veacutegtelen intervallum)
sum xn
nforallx-re konvergens
Mi az oumlsszegfuumlggveacutenyTaylor polinom Lagrange maradeacutektaggalTeacutetelforallx isin R eseteacuten
infinsum
0
sum xn
n= ex
3
biz Lagrange maradeacutektagTeacutetel
f (n) f (n)(a)f(x) = sin(x) c0 = 0f prime(x) = cos(x) c1 = 1
f primeprime(x) = minus sin(x) c2 = 0f primeprimeprime(x) = minus cos(x) c3 = minus1
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n+1
(2n+ 1)
f (n) f (n)(a)f(x) = cos(x) c0 = 1
f prime(x) = minus sin(x) c1 = 0f primeprime(x) = minus cos(x) c2 = minus1f primeprimeprime(x) = sin(x) c3 = 0
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n
(2n)
Taylor sor=infin fokuacute Taylor polinom
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100223
1 Fuumlggveacutenysorozatok eacutes fuumlggveacutenysorok
11 Fuumlggveacutenysorozat fogalma
pl fn(x) = xn n = 1 2 3
1
Ez egy fuumlggveacutenysorozat
x n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 konvergencia
fn(
12
)
12
122
123
124 konvergens
fn(13 )
13
132
133
134 konvergens
fn(1) 1 1 1 1 divergens
fn(2) 2 22 23 24 divergens
fn(minus2) minus2 minus22 minus23 minus24 nem tart sehova
Hax-et fixaacuteljuk akkor egy szaacutemsorozatot kapunkHol lesz konvergens hol lesz divergensHax isin (minus1 1 ] akkorfn(x) konvergensexist lim eacutes veacuteges
Def Legyenekfn R rarr R fuumlggveacutenyekn = 1 2 Ezt fuumlggveacuteny-sorozatnak nevezzuumlk
Def LegyenfnR rarr R egy fuumlggveacutenysorozat Ennek konvergenciahal-mazaKH(fh) = x isin R fn(x)szaacutemsorozat konvergenspl
fn(x) = xn rArr KH(fn) = (minus1 1]
Def Az fn fuumlggveacutenysorozat az f fuumlggveacutenyhez tart pontonkeacutent halimnrarrinfin
= f(x)forallx isin KH(fn)
Keacuterdeacutes oumlroumlkli-e azf (limes-hataacuterfuumlggveacuteny) azfn tulajdonsaacutegaitFolytonossaacuteg derivaacutelt integraacutel
ffn
Vaacutelasz Aacuteltalaacuteban nem igaz de neacuteha igen MikorFolytonossaacuteg bukott integraacutel
1
1n
1int
0
fn(x)dx = 1minus1
2n
1int
0
f(x)dx = 1
Tehaacutet
limnrarrinfin
1int
0
fn(x)dx = 1minus1
2n=
1int
0
f(x)dx = 1
1
1
2n
1n
1int
0
fn(x)dx =2
nmiddot 1 middot
1
2= 1foralln
1int
0
f(x)dx = 0
Def azfn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf fuumlggveacutenyhez egyHhalmazon haforallε gt 0existN isin N hogy|fn(x)minusf(x)| lt εforalln ge Nforallx isin H
x fix forallεexistN isin R hogy|fn(x) minus f(x)| lt εforalln ge N
H
fn
fn minus ε
fn + ε
AZ egyenletes konvergenciaacutenaacutelN nem fuumlggx-tol miacuteg a pontnaacutel magaacutetx-et vaacutelasztom eacutes hozzaacute egy kuumlszoumlbindexetplfn(x) = xn
fn(x) = xn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf(x) = 0 fuumlggveacuteny-hez aH [0 12 ] halmazon
H
H=[01] maacuter nemH = [ 0 1 ) nem egyenletesen tartf -hez
deH = [ 0 q ) igen haq lt 1
Mindenfn kiloacuteg azε csobol
Teacutetel Legyenekfn-ek folytonos fuumlggveacutenyek eacutes aH-n egyenletesenkonvergaacutelnak azf hez akkor azf is folytonos aH-n
Teacutetel Legyenekfn-ek Riemann integraacutelhatoacutek egy[a b]-n eacutes egyen-letesen konvergaacutelnak az[a b] intervallumon azf -hez akkor azf isRiemann integraacutelhatoacute eacutes
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
f(x)dx
Maacuteskeacutepp
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
lim fn(x)dx
lim eacutesint
felcsereacutelehto ha egyenletes a konvergencia
2 Fuumlggveacutenysorok
Mi asor sorozatdArr dArr
sum
an anUgyanez a fuumlggveacutenysornaacutel is
Def Legyenfn egy fuumlggveacutenysorozat Az ezekbol keacutepezett fuumlggveacuteny-sorsum
fn azSn = f1 + f2 + fn
fuumlggveacutenysorozat
Def asum
fn fuumlggveacutenysor konvergenciahalmaza
KH(sum
fn) = x isin R
sum
fn(x)konvergens szaacutemsorsum
fn sor oumlsszegfuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
n=1
fn(x)
pl fn(x) = xn
s1(x) = x1 s2(x) = x1 + x2
sum
fn(x) milyenx-re konvergens
KH(sum
fn) = (minus1 1)sum
fn fuumlggveacutenysor egyenletesen konvergens aH halmazon haSn =f1 + f2 + fn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen konvergens aH halmazonFontos speciaacutelis fuumlggveacutenysorhatvaacutenysorLegyenCn egy szaacutemsorozat eacutes legyena isin R egy szaacutem
sum
cn middot (x minus a)n
2
fuumlggveacutenysorta koumlzepu hatvaacutenysornak nevezik
sum
xn Cn = 1 a = 0
plsum
xn
nKH =
x =1
2sum 1
nmiddot1
2n
ez konvergens mertlt 12n Tehaacutet(minus1 1) benne van aKH-ban-
x = 2sum 2n
n
ez erosen divergensx = 1sum 1
ndivergens
x = minus1sum (minus1)n
nez konvergens
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100302
1 Hatvaacutenysorok eacutes Taylor sorok
Def Hatvaacutenysor ilyen fuumlggveacutenysorsum
cn middot (xminus a)n
cn adott szaacutemsorozat(egyuumltthatoacutek)a isin R adott hatvaacutenysor koumlzepepl
sumxn cn = 1 a = 0
sumn middot xn cn = n a = 0
sumxn
n cn = 1n a = 0
AlapkeacuterdeacutesKonvergenciahalmaz (KH) milyenx-re konvergens
pl
sumxn
x = 12 rArr konvergens
x = 2 rarr divergens
Aacuteltalaacuteban milyenx-re konvergensHasznaacuteljuk a gyoumlkkriteacuteriumot
sumansor
konvergens ha lim n
radican lt 1
divergens ha lim n
radican gt 1
sum
xnpeacuteldaacutejaacutenan = xn
n
radic
|an| = |x|Ha negatiacutevok is vannak akkor megneacutezzuumlk az abszolulteacuterteacutekessort
lim n
radic
|an| = |x|
konvergens ha |x| lt 1divergens ha |x| ge 1
pl
sumn middot xn milyenx-re konvergens
an = n middot xn
n
radic
|an| = n
radicn|x|
limnrarrinfin
n
radic
|an| = 1 middot n|x|
Neheacutez hogylimnrarrinfin
n
radicn = 1
Gyoumlkkriteacuterium azt mondja meg hogy
ha
|x| lt 1 akkor
sumn middot xnkonvergens
|x| ge 1 akkorsum
n middot xndivergens
Aacuteltalaacutenos esetsum
cn middot (xminus a)n milyenx-re konvergens
an =sum
cn middot (xminus a)n
n
radic
|an| = n
radiccn middot |xminus a|
Kell ennek a sorozatnak a limese
limnrarrinfin
n
radic
|an| = limnrarrinfin
n
radiccn middot |xminus a| lt 1
hogy konvergens legyen
|xminus a| lt 1
lim n
radiccn
Def
sumcn middot (xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciasugara
R =1
lim n
radiccn
(ha alim = 0rArr R = infin)
|xminus a| lt R lArrrArr x isin (aminusR a+R)︸ ︷︷ ︸
enneka a koumlzepe
Hogyha azx a-toacutel legfeljebbR taacutevolsaacutegra van akkor konvergens
Ezt fogalmazza meg a teacutetel
(Cauchy-Hadamard) Teacutetel
Asum
cn(xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciahalmazaacutera fennaacutel
(aminusR a+R) sub KH sub [aminusR a+R]
ahol
R =1
lim n
radiccn
Azeacutert sugaacuter mert ez komplex szaacutemmokkal is szeacutepen mukoumldikBizonyiacutetaacutes fennt
Megj Az intervallum veacutegpontjai benne lehetnekKH-ban de ezcn-tolfuumlgg (a teacutetel arroacutel nem szoacutel ha x pont a hataacuteron van)
1
pl
sum
xn cn = 1 a = 0
R =1
lim n
radic1= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok(minus1)n (nem tart sehova)1n divergens (infin-hez tart)
KH = (minus1 1)
sum xn
n2cn =
1
n2a = 0
R =1
lim n
radic1n2
= 1
segiacutetseacuteg
limn
radic
1
n2= lim
n
radic1
n
radicn2
= limn
radic1
( n
radicn)2
=1
12= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
n2konvergens
x = minus1 rArrsum (minus1)n
n2konvergens
KH = [minus1 1]
sum xn
ncn =
1
na = 0
R =1
lim n
radic1n
= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
ndivergens
x = 1 rArrsum (minus1)n
nkonvergens
KH = [ minus 1 1 )
Def
Legyensum
cn(xminus a)n egy hatvaacutenysor A hatvaacutenysor fuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
0
cn(xminus a)nx isin KH
pl
sumxnf(x) =
x isin (minus1 1)
Nsum
0
xn = 1 + x+ x2 + xN = 11 middot xN+1 minus 1
xminus 1
infinsum
n=0
xn = limNrarrinfin
(
Nsum
0
xn) = limNrarrinfin
1 middot xN+1 minus 1
xminus 12 =
1
1minus x
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Oumltletsum
nxn oumlsszegeacutere
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Derivaacuteljuk Keacutesobb megneacutezzuumlk hogy szabad-e
infinsum
n=0
nxnminus1 =minusminus 1
1minus x
2
middot x
infinsum
n=0
nxn =1
1minus x
n
pl
infinsum
n=0
n
2n=
1
2+
2
4+
3
8+
4
16+
Ez hagyomaacutenyos moacutedszerrel eseacutelytelen
12
(1minus 12 )
2=
1
2times 1
4= 2
Igaz-e hogy(sum
fn)prime =sum
fnprimeEz nem mindig igaz Kulcsszoacute egyenletes konvergenciaTeacutetel
Legyensum
cn(x minus a)n egy hatvaacutenysorLegyen az oumlsszegfuumlggveacuteny
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n x isin KH
Ekkor f akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacute eacutes tagonkeacutent lehet a sort derivaacutelniazaz
f prime(x) =infinsum
n=1
cnn(xminus a)nminus1(middot1)
f primeprime(x) =
infinsum
n=2
cnn(nminus 1)(xminus a)nminus23
1meacutertani sorozat2xN+1
0-hoz tart kicsi a sokadikon31-tol illetve 2-tol hiszen az 1 ill 2 tag 0 lesz
2
2 Az oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes az egyuumltthatoacutekkapcsolata
Legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n = c0 + c1(xminus a) + c2(xminus a)2 +
f(a) = c0
f prime(x) = c1 + 2c2(xminus a) + 3c3(xminus a)2 +
f prime(a) = c1
f primeprime(x) = 2c2 + 6c3(xminus a) + 4 middot 3(xminus a)2 +
f primeprime(a) = 2c2
f primeprimeprime(a) = 6c3
Raacutejoumlvuumlnk hogy1c0 = 0c06c3 = 3c3
Teacutetel
Legyen
f(x) =infinsum
n=0
cn(xminus a)n rArr f (n)(a) = cn middot n
21 Taylor sor
Eddig adott volt
cn eacutes(a)rArrsum
cn(xminus a)n
Ebbol legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n
Eacuterdekes azf (n)(a) visszaadja acn-tMost legyen adott
fR rarr R
a isin R
akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacuteLegyen most
cn =f (n)a
nforalln
Neacutezzuumlkf(x) =
sum
cn(xminus a)n
hatvaacutenysortDef
Az f fuumlggveacutenya koumlzepu Taylor sora
sum f (n)a
n(xminus a)n
KeacuterdeacutesKH = valamint oumlsszegfuumlggveacuteny(de ezt nem illikf -el jeloumllni)
Joacute lenne ha az oumlsszegfuumlggveacuteny egyenlo lennef -elpl
f(x) =1
1minus x= (1minus x)minus1 legyena = 0
f (n) f (n)(a)f(x) = (1minus x)minus1 c0 = 1
f prime(x) = minus1(1minus x)minus2 minus 1 c1 = 1f primeprime(x) minus 2(1minus x)minus3 minus 1 c2 = 2f primeprimeprime(x)minus 6(1minus x)minus4 minus 1 c3 = 6
f (n)(a) = n
cn = 1
A kapott hatvaacutenysorsum
xn
IsmertKH = (minus1 1) oumlsszegfuumlggveacuteny 11minusx
Visszakaptuk azf -et de csak(minus1 1)-re Az f eacutertelmezve voltR1-reaz oumlsszegfuumlggveacuteny(minus1 1)-en eacutes ott =f
22 Fontos Taylor sorok
f (n) f (n)(a)f(x) = ex c0 = 1f prime(x) = ex c1 = 1f primeprime(x) = ex c2 = 1
2f primeprimeprime(x) = ex c3 = 1
6
Aacuteltalaacutenosan
cn =1
n
ex Taylor sorasum
xn
nKH oumlsszegfuumlggveacuteny
R =1
lim n
radic1n
= infin
Segiacutetseacutegn
radicn = infin
Magyarul akaacutermit iacuterok be konvergens lesz
Haacutenyadoskriteacuteriummal kijoumln aKHKH = R (0 koumlzepu jobbra-balra veacutegtelen intervallum)
sum xn
nforallx-re konvergens
Mi az oumlsszegfuumlggveacutenyTaylor polinom Lagrange maradeacutektaggalTeacutetelforallx isin R eseteacuten
infinsum
0
sum xn
n= ex
3
biz Lagrange maradeacutektagTeacutetel
f (n) f (n)(a)f(x) = sin(x) c0 = 0f prime(x) = cos(x) c1 = 1
f primeprime(x) = minus sin(x) c2 = 0f primeprimeprime(x) = minus cos(x) c3 = minus1
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n+1
(2n+ 1)
f (n) f (n)(a)f(x) = cos(x) c0 = 1
f prime(x) = minus sin(x) c1 = 0f primeprime(x) = minus cos(x) c2 = minus1f primeprimeprime(x) = sin(x) c3 = 0
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n
(2n)
Taylor sor=infin fokuacute Taylor polinom
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
1
2n
1n
1int
0
fn(x)dx =2
nmiddot 1 middot
1
2= 1foralln
1int
0
f(x)dx = 0
Def azfn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf fuumlggveacutenyhez egyHhalmazon haforallε gt 0existN isin N hogy|fn(x)minusf(x)| lt εforalln ge Nforallx isin H
x fix forallεexistN isin R hogy|fn(x) minus f(x)| lt εforalln ge N
H
fn
fn minus ε
fn + ε
AZ egyenletes konvergenciaacutenaacutelN nem fuumlggx-tol miacuteg a pontnaacutel magaacutetx-et vaacutelasztom eacutes hozzaacute egy kuumlszoumlbindexetplfn(x) = xn
fn(x) = xn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen tart azf(x) = 0 fuumlggveacuteny-hez aH [0 12 ] halmazon
H
H=[01] maacuter nemH = [ 0 1 ) nem egyenletesen tartf -hez
deH = [ 0 q ) igen haq lt 1
Mindenfn kiloacuteg azε csobol
Teacutetel Legyenekfn-ek folytonos fuumlggveacutenyek eacutes aH-n egyenletesenkonvergaacutelnak azf hez akkor azf is folytonos aH-n
Teacutetel Legyenekfn-ek Riemann integraacutelhatoacutek egy[a b]-n eacutes egyen-letesen konvergaacutelnak az[a b] intervallumon azf -hez akkor azf isRiemann integraacutelhatoacute eacutes
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
f(x)dx
Maacuteskeacutepp
limnrarrinfin
bint
a
f(x)dx =
bint
a
lim fn(x)dx
lim eacutesint
felcsereacutelehto ha egyenletes a konvergencia
2 Fuumlggveacutenysorok
Mi asor sorozatdArr dArr
sum
an anUgyanez a fuumlggveacutenysornaacutel is
Def Legyenfn egy fuumlggveacutenysorozat Az ezekbol keacutepezett fuumlggveacuteny-sorsum
fn azSn = f1 + f2 + fn
fuumlggveacutenysorozat
Def asum
fn fuumlggveacutenysor konvergenciahalmaza
KH(sum
fn) = x isin R
sum
fn(x)konvergens szaacutemsorsum
fn sor oumlsszegfuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
n=1
fn(x)
pl fn(x) = xn
s1(x) = x1 s2(x) = x1 + x2
sum
fn(x) milyenx-re konvergens
KH(sum
fn) = (minus1 1)sum
fn fuumlggveacutenysor egyenletesen konvergens aH halmazon haSn =f1 + f2 + fn fuumlggveacutenysorozat egyenletesen konvergens aH halmazonFontos speciaacutelis fuumlggveacutenysorhatvaacutenysorLegyenCn egy szaacutemsorozat eacutes legyena isin R egy szaacutem
sum
cn middot (x minus a)n
2
fuumlggveacutenysorta koumlzepu hatvaacutenysornak nevezik
sum
xn Cn = 1 a = 0
plsum
xn
nKH =
x =1
2sum 1
nmiddot1
2n
ez konvergens mertlt 12n Tehaacutet(minus1 1) benne van aKH-ban-
x = 2sum 2n
n
ez erosen divergensx = 1sum 1
ndivergens
x = minus1sum (minus1)n
nez konvergens
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100302
1 Hatvaacutenysorok eacutes Taylor sorok
Def Hatvaacutenysor ilyen fuumlggveacutenysorsum
cn middot (xminus a)n
cn adott szaacutemsorozat(egyuumltthatoacutek)a isin R adott hatvaacutenysor koumlzepepl
sumxn cn = 1 a = 0
sumn middot xn cn = n a = 0
sumxn
n cn = 1n a = 0
AlapkeacuterdeacutesKonvergenciahalmaz (KH) milyenx-re konvergens
pl
sumxn
x = 12 rArr konvergens
x = 2 rarr divergens
Aacuteltalaacuteban milyenx-re konvergensHasznaacuteljuk a gyoumlkkriteacuteriumot
sumansor
konvergens ha lim n
radican lt 1
divergens ha lim n
radican gt 1
sum
xnpeacuteldaacutejaacutenan = xn
n
radic
|an| = |x|Ha negatiacutevok is vannak akkor megneacutezzuumlk az abszolulteacuterteacutekessort
lim n
radic
|an| = |x|
konvergens ha |x| lt 1divergens ha |x| ge 1
pl
sumn middot xn milyenx-re konvergens
an = n middot xn
n
radic
|an| = n
radicn|x|
limnrarrinfin
n
radic
|an| = 1 middot n|x|
Neheacutez hogylimnrarrinfin
n
radicn = 1
Gyoumlkkriteacuterium azt mondja meg hogy
ha
|x| lt 1 akkor
sumn middot xnkonvergens
|x| ge 1 akkorsum
n middot xndivergens
Aacuteltalaacutenos esetsum
cn middot (xminus a)n milyenx-re konvergens
an =sum
cn middot (xminus a)n
n
radic
|an| = n
radiccn middot |xminus a|
Kell ennek a sorozatnak a limese
limnrarrinfin
n
radic
|an| = limnrarrinfin
n
radiccn middot |xminus a| lt 1
hogy konvergens legyen
|xminus a| lt 1
lim n
radiccn
Def
sumcn middot (xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciasugara
R =1
lim n
radiccn
(ha alim = 0rArr R = infin)
|xminus a| lt R lArrrArr x isin (aminusR a+R)︸ ︷︷ ︸
enneka a koumlzepe
Hogyha azx a-toacutel legfeljebbR taacutevolsaacutegra van akkor konvergens
Ezt fogalmazza meg a teacutetel
(Cauchy-Hadamard) Teacutetel
Asum
cn(xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciahalmazaacutera fennaacutel
(aminusR a+R) sub KH sub [aminusR a+R]
ahol
R =1
lim n
radiccn
Azeacutert sugaacuter mert ez komplex szaacutemmokkal is szeacutepen mukoumldikBizonyiacutetaacutes fennt
Megj Az intervallum veacutegpontjai benne lehetnekKH-ban de ezcn-tolfuumlgg (a teacutetel arroacutel nem szoacutel ha x pont a hataacuteron van)
1
pl
sum
xn cn = 1 a = 0
R =1
lim n
radic1= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok(minus1)n (nem tart sehova)1n divergens (infin-hez tart)
KH = (minus1 1)
sum xn
n2cn =
1
n2a = 0
R =1
lim n
radic1n2
= 1
segiacutetseacuteg
limn
radic
1
n2= lim
n
radic1
n
radicn2
= limn
radic1
( n
radicn)2
=1
12= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
n2konvergens
x = minus1 rArrsum (minus1)n
n2konvergens
KH = [minus1 1]
sum xn
ncn =
1
na = 0
R =1
lim n
radic1n
= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
ndivergens
x = 1 rArrsum (minus1)n
nkonvergens
KH = [ minus 1 1 )
Def
Legyensum
cn(xminus a)n egy hatvaacutenysor A hatvaacutenysor fuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
0
cn(xminus a)nx isin KH
pl
sumxnf(x) =
x isin (minus1 1)
Nsum
0
xn = 1 + x+ x2 + xN = 11 middot xN+1 minus 1
xminus 1
infinsum
n=0
xn = limNrarrinfin
(
Nsum
0
xn) = limNrarrinfin
1 middot xN+1 minus 1
xminus 12 =
1
1minus x
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Oumltletsum
nxn oumlsszegeacutere
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Derivaacuteljuk Keacutesobb megneacutezzuumlk hogy szabad-e
infinsum
n=0
nxnminus1 =minusminus 1
1minus x
2
middot x
infinsum
n=0
nxn =1
1minus x
n
pl
infinsum
n=0
n
2n=
1
2+
2
4+
3
8+
4
16+
Ez hagyomaacutenyos moacutedszerrel eseacutelytelen
12
(1minus 12 )
2=
1
2times 1
4= 2
Igaz-e hogy(sum
fn)prime =sum
fnprimeEz nem mindig igaz Kulcsszoacute egyenletes konvergenciaTeacutetel
Legyensum
cn(x minus a)n egy hatvaacutenysorLegyen az oumlsszegfuumlggveacuteny
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n x isin KH
Ekkor f akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacute eacutes tagonkeacutent lehet a sort derivaacutelniazaz
f prime(x) =infinsum
n=1
cnn(xminus a)nminus1(middot1)
f primeprime(x) =
infinsum
n=2
cnn(nminus 1)(xminus a)nminus23
1meacutertani sorozat2xN+1
0-hoz tart kicsi a sokadikon31-tol illetve 2-tol hiszen az 1 ill 2 tag 0 lesz
2
2 Az oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes az egyuumltthatoacutekkapcsolata
Legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n = c0 + c1(xminus a) + c2(xminus a)2 +
f(a) = c0
f prime(x) = c1 + 2c2(xminus a) + 3c3(xminus a)2 +
f prime(a) = c1
f primeprime(x) = 2c2 + 6c3(xminus a) + 4 middot 3(xminus a)2 +
f primeprime(a) = 2c2
f primeprimeprime(a) = 6c3
Raacutejoumlvuumlnk hogy1c0 = 0c06c3 = 3c3
Teacutetel
Legyen
f(x) =infinsum
n=0
cn(xminus a)n rArr f (n)(a) = cn middot n
21 Taylor sor
Eddig adott volt
cn eacutes(a)rArrsum
cn(xminus a)n
Ebbol legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n
Eacuterdekes azf (n)(a) visszaadja acn-tMost legyen adott
fR rarr R
a isin R
akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacuteLegyen most
cn =f (n)a
nforalln
Neacutezzuumlkf(x) =
sum
cn(xminus a)n
hatvaacutenysortDef
Az f fuumlggveacutenya koumlzepu Taylor sora
sum f (n)a
n(xminus a)n
KeacuterdeacutesKH = valamint oumlsszegfuumlggveacuteny(de ezt nem illikf -el jeloumllni)
Joacute lenne ha az oumlsszegfuumlggveacuteny egyenlo lennef -elpl
f(x) =1
1minus x= (1minus x)minus1 legyena = 0
f (n) f (n)(a)f(x) = (1minus x)minus1 c0 = 1
f prime(x) = minus1(1minus x)minus2 minus 1 c1 = 1f primeprime(x) minus 2(1minus x)minus3 minus 1 c2 = 2f primeprimeprime(x)minus 6(1minus x)minus4 minus 1 c3 = 6
f (n)(a) = n
cn = 1
A kapott hatvaacutenysorsum
xn
IsmertKH = (minus1 1) oumlsszegfuumlggveacuteny 11minusx
Visszakaptuk azf -et de csak(minus1 1)-re Az f eacutertelmezve voltR1-reaz oumlsszegfuumlggveacuteny(minus1 1)-en eacutes ott =f
22 Fontos Taylor sorok
f (n) f (n)(a)f(x) = ex c0 = 1f prime(x) = ex c1 = 1f primeprime(x) = ex c2 = 1
2f primeprimeprime(x) = ex c3 = 1
6
Aacuteltalaacutenosan
cn =1
n
ex Taylor sorasum
xn
nKH oumlsszegfuumlggveacuteny
R =1
lim n
radic1n
= infin
Segiacutetseacutegn
radicn = infin
Magyarul akaacutermit iacuterok be konvergens lesz
Haacutenyadoskriteacuteriummal kijoumln aKHKH = R (0 koumlzepu jobbra-balra veacutegtelen intervallum)
sum xn
nforallx-re konvergens
Mi az oumlsszegfuumlggveacutenyTaylor polinom Lagrange maradeacutektaggalTeacutetelforallx isin R eseteacuten
infinsum
0
sum xn
n= ex
3
biz Lagrange maradeacutektagTeacutetel
f (n) f (n)(a)f(x) = sin(x) c0 = 0f prime(x) = cos(x) c1 = 1
f primeprime(x) = minus sin(x) c2 = 0f primeprimeprime(x) = minus cos(x) c3 = minus1
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n+1
(2n+ 1)
f (n) f (n)(a)f(x) = cos(x) c0 = 1
f prime(x) = minus sin(x) c1 = 0f primeprime(x) = minus cos(x) c2 = minus1f primeprimeprime(x) = sin(x) c3 = 0
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n
(2n)
Taylor sor=infin fokuacute Taylor polinom
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
fuumlggveacutenysorta koumlzepu hatvaacutenysornak nevezik
sum
xn Cn = 1 a = 0
plsum
xn
nKH =
x =1
2sum 1
nmiddot1
2n
ez konvergens mertlt 12n Tehaacutet(minus1 1) benne van aKH-ban-
x = 2sum 2n
n
ez erosen divergensx = 1sum 1
ndivergens
x = minus1sum (minus1)n
nez konvergens
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100302
1 Hatvaacutenysorok eacutes Taylor sorok
Def Hatvaacutenysor ilyen fuumlggveacutenysorsum
cn middot (xminus a)n
cn adott szaacutemsorozat(egyuumltthatoacutek)a isin R adott hatvaacutenysor koumlzepepl
sumxn cn = 1 a = 0
sumn middot xn cn = n a = 0
sumxn
n cn = 1n a = 0
AlapkeacuterdeacutesKonvergenciahalmaz (KH) milyenx-re konvergens
pl
sumxn
x = 12 rArr konvergens
x = 2 rarr divergens
Aacuteltalaacuteban milyenx-re konvergensHasznaacuteljuk a gyoumlkkriteacuteriumot
sumansor
konvergens ha lim n
radican lt 1
divergens ha lim n
radican gt 1
sum
xnpeacuteldaacutejaacutenan = xn
n
radic
|an| = |x|Ha negatiacutevok is vannak akkor megneacutezzuumlk az abszolulteacuterteacutekessort
lim n
radic
|an| = |x|
konvergens ha |x| lt 1divergens ha |x| ge 1
pl
sumn middot xn milyenx-re konvergens
an = n middot xn
n
radic
|an| = n
radicn|x|
limnrarrinfin
n
radic
|an| = 1 middot n|x|
Neheacutez hogylimnrarrinfin
n
radicn = 1
Gyoumlkkriteacuterium azt mondja meg hogy
ha
|x| lt 1 akkor
sumn middot xnkonvergens
|x| ge 1 akkorsum
n middot xndivergens
Aacuteltalaacutenos esetsum
cn middot (xminus a)n milyenx-re konvergens
an =sum
cn middot (xminus a)n
n
radic
|an| = n
radiccn middot |xminus a|
Kell ennek a sorozatnak a limese
limnrarrinfin
n
radic
|an| = limnrarrinfin
n
radiccn middot |xminus a| lt 1
hogy konvergens legyen
|xminus a| lt 1
lim n
radiccn
Def
sumcn middot (xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciasugara
R =1
lim n
radiccn
(ha alim = 0rArr R = infin)
|xminus a| lt R lArrrArr x isin (aminusR a+R)︸ ︷︷ ︸
enneka a koumlzepe
Hogyha azx a-toacutel legfeljebbR taacutevolsaacutegra van akkor konvergens
Ezt fogalmazza meg a teacutetel
(Cauchy-Hadamard) Teacutetel
Asum
cn(xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciahalmazaacutera fennaacutel
(aminusR a+R) sub KH sub [aminusR a+R]
ahol
R =1
lim n
radiccn
Azeacutert sugaacuter mert ez komplex szaacutemmokkal is szeacutepen mukoumldikBizonyiacutetaacutes fennt
Megj Az intervallum veacutegpontjai benne lehetnekKH-ban de ezcn-tolfuumlgg (a teacutetel arroacutel nem szoacutel ha x pont a hataacuteron van)
1
pl
sum
xn cn = 1 a = 0
R =1
lim n
radic1= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok(minus1)n (nem tart sehova)1n divergens (infin-hez tart)
KH = (minus1 1)
sum xn
n2cn =
1
n2a = 0
R =1
lim n
radic1n2
= 1
segiacutetseacuteg
limn
radic
1
n2= lim
n
radic1
n
radicn2
= limn
radic1
( n
radicn)2
=1
12= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
n2konvergens
x = minus1 rArrsum (minus1)n
n2konvergens
KH = [minus1 1]
sum xn
ncn =
1
na = 0
R =1
lim n
radic1n
= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
ndivergens
x = 1 rArrsum (minus1)n
nkonvergens
KH = [ minus 1 1 )
Def
Legyensum
cn(xminus a)n egy hatvaacutenysor A hatvaacutenysor fuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
0
cn(xminus a)nx isin KH
pl
sumxnf(x) =
x isin (minus1 1)
Nsum
0
xn = 1 + x+ x2 + xN = 11 middot xN+1 minus 1
xminus 1
infinsum
n=0
xn = limNrarrinfin
(
Nsum
0
xn) = limNrarrinfin
1 middot xN+1 minus 1
xminus 12 =
1
1minus x
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Oumltletsum
nxn oumlsszegeacutere
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Derivaacuteljuk Keacutesobb megneacutezzuumlk hogy szabad-e
infinsum
n=0
nxnminus1 =minusminus 1
1minus x
2
middot x
infinsum
n=0
nxn =1
1minus x
n
pl
infinsum
n=0
n
2n=
1
2+
2
4+
3
8+
4
16+
Ez hagyomaacutenyos moacutedszerrel eseacutelytelen
12
(1minus 12 )
2=
1
2times 1
4= 2
Igaz-e hogy(sum
fn)prime =sum
fnprimeEz nem mindig igaz Kulcsszoacute egyenletes konvergenciaTeacutetel
Legyensum
cn(x minus a)n egy hatvaacutenysorLegyen az oumlsszegfuumlggveacuteny
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n x isin KH
Ekkor f akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacute eacutes tagonkeacutent lehet a sort derivaacutelniazaz
f prime(x) =infinsum
n=1
cnn(xminus a)nminus1(middot1)
f primeprime(x) =
infinsum
n=2
cnn(nminus 1)(xminus a)nminus23
1meacutertani sorozat2xN+1
0-hoz tart kicsi a sokadikon31-tol illetve 2-tol hiszen az 1 ill 2 tag 0 lesz
2
2 Az oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes az egyuumltthatoacutekkapcsolata
Legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n = c0 + c1(xminus a) + c2(xminus a)2 +
f(a) = c0
f prime(x) = c1 + 2c2(xminus a) + 3c3(xminus a)2 +
f prime(a) = c1
f primeprime(x) = 2c2 + 6c3(xminus a) + 4 middot 3(xminus a)2 +
f primeprime(a) = 2c2
f primeprimeprime(a) = 6c3
Raacutejoumlvuumlnk hogy1c0 = 0c06c3 = 3c3
Teacutetel
Legyen
f(x) =infinsum
n=0
cn(xminus a)n rArr f (n)(a) = cn middot n
21 Taylor sor
Eddig adott volt
cn eacutes(a)rArrsum
cn(xminus a)n
Ebbol legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n
Eacuterdekes azf (n)(a) visszaadja acn-tMost legyen adott
fR rarr R
a isin R
akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacuteLegyen most
cn =f (n)a
nforalln
Neacutezzuumlkf(x) =
sum
cn(xminus a)n
hatvaacutenysortDef
Az f fuumlggveacutenya koumlzepu Taylor sora
sum f (n)a
n(xminus a)n
KeacuterdeacutesKH = valamint oumlsszegfuumlggveacuteny(de ezt nem illikf -el jeloumllni)
Joacute lenne ha az oumlsszegfuumlggveacuteny egyenlo lennef -elpl
f(x) =1
1minus x= (1minus x)minus1 legyena = 0
f (n) f (n)(a)f(x) = (1minus x)minus1 c0 = 1
f prime(x) = minus1(1minus x)minus2 minus 1 c1 = 1f primeprime(x) minus 2(1minus x)minus3 minus 1 c2 = 2f primeprimeprime(x)minus 6(1minus x)minus4 minus 1 c3 = 6
f (n)(a) = n
cn = 1
A kapott hatvaacutenysorsum
xn
IsmertKH = (minus1 1) oumlsszegfuumlggveacuteny 11minusx
Visszakaptuk azf -et de csak(minus1 1)-re Az f eacutertelmezve voltR1-reaz oumlsszegfuumlggveacuteny(minus1 1)-en eacutes ott =f
22 Fontos Taylor sorok
f (n) f (n)(a)f(x) = ex c0 = 1f prime(x) = ex c1 = 1f primeprime(x) = ex c2 = 1
2f primeprimeprime(x) = ex c3 = 1
6
Aacuteltalaacutenosan
cn =1
n
ex Taylor sorasum
xn
nKH oumlsszegfuumlggveacuteny
R =1
lim n
radic1n
= infin
Segiacutetseacutegn
radicn = infin
Magyarul akaacutermit iacuterok be konvergens lesz
Haacutenyadoskriteacuteriummal kijoumln aKHKH = R (0 koumlzepu jobbra-balra veacutegtelen intervallum)
sum xn
nforallx-re konvergens
Mi az oumlsszegfuumlggveacutenyTaylor polinom Lagrange maradeacutektaggalTeacutetelforallx isin R eseteacuten
infinsum
0
sum xn
n= ex
3
biz Lagrange maradeacutektagTeacutetel
f (n) f (n)(a)f(x) = sin(x) c0 = 0f prime(x) = cos(x) c1 = 1
f primeprime(x) = minus sin(x) c2 = 0f primeprimeprime(x) = minus cos(x) c3 = minus1
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n+1
(2n+ 1)
f (n) f (n)(a)f(x) = cos(x) c0 = 1
f prime(x) = minus sin(x) c1 = 0f primeprime(x) = minus cos(x) c2 = minus1f primeprimeprime(x) = sin(x) c3 = 0
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n
(2n)
Taylor sor=infin fokuacute Taylor polinom
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100302
1 Hatvaacutenysorok eacutes Taylor sorok
Def Hatvaacutenysor ilyen fuumlggveacutenysorsum
cn middot (xminus a)n
cn adott szaacutemsorozat(egyuumltthatoacutek)a isin R adott hatvaacutenysor koumlzepepl
sumxn cn = 1 a = 0
sumn middot xn cn = n a = 0
sumxn
n cn = 1n a = 0
AlapkeacuterdeacutesKonvergenciahalmaz (KH) milyenx-re konvergens
pl
sumxn
x = 12 rArr konvergens
x = 2 rarr divergens
Aacuteltalaacuteban milyenx-re konvergensHasznaacuteljuk a gyoumlkkriteacuteriumot
sumansor
konvergens ha lim n
radican lt 1
divergens ha lim n
radican gt 1
sum
xnpeacuteldaacutejaacutenan = xn
n
radic
|an| = |x|Ha negatiacutevok is vannak akkor megneacutezzuumlk az abszolulteacuterteacutekessort
lim n
radic
|an| = |x|
konvergens ha |x| lt 1divergens ha |x| ge 1
pl
sumn middot xn milyenx-re konvergens
an = n middot xn
n
radic
|an| = n
radicn|x|
limnrarrinfin
n
radic
|an| = 1 middot n|x|
Neheacutez hogylimnrarrinfin
n
radicn = 1
Gyoumlkkriteacuterium azt mondja meg hogy
ha
|x| lt 1 akkor
sumn middot xnkonvergens
|x| ge 1 akkorsum
n middot xndivergens
Aacuteltalaacutenos esetsum
cn middot (xminus a)n milyenx-re konvergens
an =sum
cn middot (xminus a)n
n
radic
|an| = n
radiccn middot |xminus a|
Kell ennek a sorozatnak a limese
limnrarrinfin
n
radic
|an| = limnrarrinfin
n
radiccn middot |xminus a| lt 1
hogy konvergens legyen
|xminus a| lt 1
lim n
radiccn
Def
sumcn middot (xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciasugara
R =1
lim n
radiccn
(ha alim = 0rArr R = infin)
|xminus a| lt R lArrrArr x isin (aminusR a+R)︸ ︷︷ ︸
enneka a koumlzepe
Hogyha azx a-toacutel legfeljebbR taacutevolsaacutegra van akkor konvergens
Ezt fogalmazza meg a teacutetel
(Cauchy-Hadamard) Teacutetel
Asum
cn(xminus a)n hatvaacutenysor konvergenciahalmazaacutera fennaacutel
(aminusR a+R) sub KH sub [aminusR a+R]
ahol
R =1
lim n
radiccn
Azeacutert sugaacuter mert ez komplex szaacutemmokkal is szeacutepen mukoumldikBizonyiacutetaacutes fennt
Megj Az intervallum veacutegpontjai benne lehetnekKH-ban de ezcn-tolfuumlgg (a teacutetel arroacutel nem szoacutel ha x pont a hataacuteron van)
1
pl
sum
xn cn = 1 a = 0
R =1
lim n
radic1= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok(minus1)n (nem tart sehova)1n divergens (infin-hez tart)
KH = (minus1 1)
sum xn
n2cn =
1
n2a = 0
R =1
lim n
radic1n2
= 1
segiacutetseacuteg
limn
radic
1
n2= lim
n
radic1
n
radicn2
= limn
radic1
( n
radicn)2
=1
12= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
n2konvergens
x = minus1 rArrsum (minus1)n
n2konvergens
KH = [minus1 1]
sum xn
ncn =
1
na = 0
R =1
lim n
radic1n
= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
ndivergens
x = 1 rArrsum (minus1)n
nkonvergens
KH = [ minus 1 1 )
Def
Legyensum
cn(xminus a)n egy hatvaacutenysor A hatvaacutenysor fuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
0
cn(xminus a)nx isin KH
pl
sumxnf(x) =
x isin (minus1 1)
Nsum
0
xn = 1 + x+ x2 + xN = 11 middot xN+1 minus 1
xminus 1
infinsum
n=0
xn = limNrarrinfin
(
Nsum
0
xn) = limNrarrinfin
1 middot xN+1 minus 1
xminus 12 =
1
1minus x
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Oumltletsum
nxn oumlsszegeacutere
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Derivaacuteljuk Keacutesobb megneacutezzuumlk hogy szabad-e
infinsum
n=0
nxnminus1 =minusminus 1
1minus x
2
middot x
infinsum
n=0
nxn =1
1minus x
n
pl
infinsum
n=0
n
2n=
1
2+
2
4+
3
8+
4
16+
Ez hagyomaacutenyos moacutedszerrel eseacutelytelen
12
(1minus 12 )
2=
1
2times 1
4= 2
Igaz-e hogy(sum
fn)prime =sum
fnprimeEz nem mindig igaz Kulcsszoacute egyenletes konvergenciaTeacutetel
Legyensum
cn(x minus a)n egy hatvaacutenysorLegyen az oumlsszegfuumlggveacuteny
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n x isin KH
Ekkor f akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacute eacutes tagonkeacutent lehet a sort derivaacutelniazaz
f prime(x) =infinsum
n=1
cnn(xminus a)nminus1(middot1)
f primeprime(x) =
infinsum
n=2
cnn(nminus 1)(xminus a)nminus23
1meacutertani sorozat2xN+1
0-hoz tart kicsi a sokadikon31-tol illetve 2-tol hiszen az 1 ill 2 tag 0 lesz
2
2 Az oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes az egyuumltthatoacutekkapcsolata
Legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n = c0 + c1(xminus a) + c2(xminus a)2 +
f(a) = c0
f prime(x) = c1 + 2c2(xminus a) + 3c3(xminus a)2 +
f prime(a) = c1
f primeprime(x) = 2c2 + 6c3(xminus a) + 4 middot 3(xminus a)2 +
f primeprime(a) = 2c2
f primeprimeprime(a) = 6c3
Raacutejoumlvuumlnk hogy1c0 = 0c06c3 = 3c3
Teacutetel
Legyen
f(x) =infinsum
n=0
cn(xminus a)n rArr f (n)(a) = cn middot n
21 Taylor sor
Eddig adott volt
cn eacutes(a)rArrsum
cn(xminus a)n
Ebbol legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n
Eacuterdekes azf (n)(a) visszaadja acn-tMost legyen adott
fR rarr R
a isin R
akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacuteLegyen most
cn =f (n)a
nforalln
Neacutezzuumlkf(x) =
sum
cn(xminus a)n
hatvaacutenysortDef
Az f fuumlggveacutenya koumlzepu Taylor sora
sum f (n)a
n(xminus a)n
KeacuterdeacutesKH = valamint oumlsszegfuumlggveacuteny(de ezt nem illikf -el jeloumllni)
Joacute lenne ha az oumlsszegfuumlggveacuteny egyenlo lennef -elpl
f(x) =1
1minus x= (1minus x)minus1 legyena = 0
f (n) f (n)(a)f(x) = (1minus x)minus1 c0 = 1
f prime(x) = minus1(1minus x)minus2 minus 1 c1 = 1f primeprime(x) minus 2(1minus x)minus3 minus 1 c2 = 2f primeprimeprime(x)minus 6(1minus x)minus4 minus 1 c3 = 6
f (n)(a) = n
cn = 1
A kapott hatvaacutenysorsum
xn
IsmertKH = (minus1 1) oumlsszegfuumlggveacuteny 11minusx
Visszakaptuk azf -et de csak(minus1 1)-re Az f eacutertelmezve voltR1-reaz oumlsszegfuumlggveacuteny(minus1 1)-en eacutes ott =f
22 Fontos Taylor sorok
f (n) f (n)(a)f(x) = ex c0 = 1f prime(x) = ex c1 = 1f primeprime(x) = ex c2 = 1
2f primeprimeprime(x) = ex c3 = 1
6
Aacuteltalaacutenosan
cn =1
n
ex Taylor sorasum
xn
nKH oumlsszegfuumlggveacuteny
R =1
lim n
radic1n
= infin
Segiacutetseacutegn
radicn = infin
Magyarul akaacutermit iacuterok be konvergens lesz
Haacutenyadoskriteacuteriummal kijoumln aKHKH = R (0 koumlzepu jobbra-balra veacutegtelen intervallum)
sum xn
nforallx-re konvergens
Mi az oumlsszegfuumlggveacutenyTaylor polinom Lagrange maradeacutektaggalTeacutetelforallx isin R eseteacuten
infinsum
0
sum xn
n= ex
3
biz Lagrange maradeacutektagTeacutetel
f (n) f (n)(a)f(x) = sin(x) c0 = 0f prime(x) = cos(x) c1 = 1
f primeprime(x) = minus sin(x) c2 = 0f primeprimeprime(x) = minus cos(x) c3 = minus1
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n+1
(2n+ 1)
f (n) f (n)(a)f(x) = cos(x) c0 = 1
f prime(x) = minus sin(x) c1 = 0f primeprime(x) = minus cos(x) c2 = minus1f primeprimeprime(x) = sin(x) c3 = 0
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n
(2n)
Taylor sor=infin fokuacute Taylor polinom
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
pl
sum
xn cn = 1 a = 0
R =1
lim n
radic1= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok(minus1)n (nem tart sehova)1n divergens (infin-hez tart)
KH = (minus1 1)
sum xn
n2cn =
1
n2a = 0
R =1
lim n
radic1n2
= 1
segiacutetseacuteg
limn
radic
1
n2= lim
n
radic1
n
radicn2
= limn
radic1
( n
radicn)2
=1
12= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
n2konvergens
x = minus1 rArrsum (minus1)n
n2konvergens
KH = [minus1 1]
sum xn
ncn =
1
na = 0
R =1
lim n
radic1n
= 1
(minus1 1) sub KH sub [minus1 1]
veacutegpontok
x = 1 rArrsum 1
ndivergens
x = 1 rArrsum (minus1)n
nkonvergens
KH = [ minus 1 1 )
Def
Legyensum
cn(xminus a)n egy hatvaacutenysor A hatvaacutenysor fuumlggveacutenye
f(x) =
infinsum
0
cn(xminus a)nx isin KH
pl
sumxnf(x) =
x isin (minus1 1)
Nsum
0
xn = 1 + x+ x2 + xN = 11 middot xN+1 minus 1
xminus 1
infinsum
n=0
xn = limNrarrinfin
(
Nsum
0
xn) = limNrarrinfin
1 middot xN+1 minus 1
xminus 12 =
1
1minus x
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Oumltletsum
nxn oumlsszegeacutere
infinsum
n=0
xn =1
1minus x
Derivaacuteljuk Keacutesobb megneacutezzuumlk hogy szabad-e
infinsum
n=0
nxnminus1 =minusminus 1
1minus x
2
middot x
infinsum
n=0
nxn =1
1minus x
n
pl
infinsum
n=0
n
2n=
1
2+
2
4+
3
8+
4
16+
Ez hagyomaacutenyos moacutedszerrel eseacutelytelen
12
(1minus 12 )
2=
1
2times 1
4= 2
Igaz-e hogy(sum
fn)prime =sum
fnprimeEz nem mindig igaz Kulcsszoacute egyenletes konvergenciaTeacutetel
Legyensum
cn(x minus a)n egy hatvaacutenysorLegyen az oumlsszegfuumlggveacuteny
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n x isin KH
Ekkor f akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacute eacutes tagonkeacutent lehet a sort derivaacutelniazaz
f prime(x) =infinsum
n=1
cnn(xminus a)nminus1(middot1)
f primeprime(x) =
infinsum
n=2
cnn(nminus 1)(xminus a)nminus23
1meacutertani sorozat2xN+1
0-hoz tart kicsi a sokadikon31-tol illetve 2-tol hiszen az 1 ill 2 tag 0 lesz
2
2 Az oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes az egyuumltthatoacutekkapcsolata
Legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n = c0 + c1(xminus a) + c2(xminus a)2 +
f(a) = c0
f prime(x) = c1 + 2c2(xminus a) + 3c3(xminus a)2 +
f prime(a) = c1
f primeprime(x) = 2c2 + 6c3(xminus a) + 4 middot 3(xminus a)2 +
f primeprime(a) = 2c2
f primeprimeprime(a) = 6c3
Raacutejoumlvuumlnk hogy1c0 = 0c06c3 = 3c3
Teacutetel
Legyen
f(x) =infinsum
n=0
cn(xminus a)n rArr f (n)(a) = cn middot n
21 Taylor sor
Eddig adott volt
cn eacutes(a)rArrsum
cn(xminus a)n
Ebbol legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n
Eacuterdekes azf (n)(a) visszaadja acn-tMost legyen adott
fR rarr R
a isin R
akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacuteLegyen most
cn =f (n)a
nforalln
Neacutezzuumlkf(x) =
sum
cn(xminus a)n
hatvaacutenysortDef
Az f fuumlggveacutenya koumlzepu Taylor sora
sum f (n)a
n(xminus a)n
KeacuterdeacutesKH = valamint oumlsszegfuumlggveacuteny(de ezt nem illikf -el jeloumllni)
Joacute lenne ha az oumlsszegfuumlggveacuteny egyenlo lennef -elpl
f(x) =1
1minus x= (1minus x)minus1 legyena = 0
f (n) f (n)(a)f(x) = (1minus x)minus1 c0 = 1
f prime(x) = minus1(1minus x)minus2 minus 1 c1 = 1f primeprime(x) minus 2(1minus x)minus3 minus 1 c2 = 2f primeprimeprime(x)minus 6(1minus x)minus4 minus 1 c3 = 6
f (n)(a) = n
cn = 1
A kapott hatvaacutenysorsum
xn
IsmertKH = (minus1 1) oumlsszegfuumlggveacuteny 11minusx
Visszakaptuk azf -et de csak(minus1 1)-re Az f eacutertelmezve voltR1-reaz oumlsszegfuumlggveacuteny(minus1 1)-en eacutes ott =f
22 Fontos Taylor sorok
f (n) f (n)(a)f(x) = ex c0 = 1f prime(x) = ex c1 = 1f primeprime(x) = ex c2 = 1
2f primeprimeprime(x) = ex c3 = 1
6
Aacuteltalaacutenosan
cn =1
n
ex Taylor sorasum
xn
nKH oumlsszegfuumlggveacuteny
R =1
lim n
radic1n
= infin
Segiacutetseacutegn
radicn = infin
Magyarul akaacutermit iacuterok be konvergens lesz
Haacutenyadoskriteacuteriummal kijoumln aKHKH = R (0 koumlzepu jobbra-balra veacutegtelen intervallum)
sum xn
nforallx-re konvergens
Mi az oumlsszegfuumlggveacutenyTaylor polinom Lagrange maradeacutektaggalTeacutetelforallx isin R eseteacuten
infinsum
0
sum xn
n= ex
3
biz Lagrange maradeacutektagTeacutetel
f (n) f (n)(a)f(x) = sin(x) c0 = 0f prime(x) = cos(x) c1 = 1
f primeprime(x) = minus sin(x) c2 = 0f primeprimeprime(x) = minus cos(x) c3 = minus1
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n+1
(2n+ 1)
f (n) f (n)(a)f(x) = cos(x) c0 = 1
f prime(x) = minus sin(x) c1 = 0f primeprime(x) = minus cos(x) c2 = minus1f primeprimeprime(x) = sin(x) c3 = 0
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n
(2n)
Taylor sor=infin fokuacute Taylor polinom
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
2 Az oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes az egyuumltthatoacutekkapcsolata
Legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n = c0 + c1(xminus a) + c2(xminus a)2 +
f(a) = c0
f prime(x) = c1 + 2c2(xminus a) + 3c3(xminus a)2 +
f prime(a) = c1
f primeprime(x) = 2c2 + 6c3(xminus a) + 4 middot 3(xminus a)2 +
f primeprime(a) = 2c2
f primeprimeprime(a) = 6c3
Raacutejoumlvuumlnk hogy1c0 = 0c06c3 = 3c3
Teacutetel
Legyen
f(x) =infinsum
n=0
cn(xminus a)n rArr f (n)(a) = cn middot n
21 Taylor sor
Eddig adott volt
cn eacutes(a)rArrsum
cn(xminus a)n
Ebbol legyen
f(x) =
infinsum
n=0
cn(xminus a)n
Eacuterdekes azf (n)(a) visszaadja acn-tMost legyen adott
fR rarr R
a isin R
akaacuterhaacutenyszor derivaacutelhatoacuteLegyen most
cn =f (n)a
nforalln
Neacutezzuumlkf(x) =
sum
cn(xminus a)n
hatvaacutenysortDef
Az f fuumlggveacutenya koumlzepu Taylor sora
sum f (n)a
n(xminus a)n
KeacuterdeacutesKH = valamint oumlsszegfuumlggveacuteny(de ezt nem illikf -el jeloumllni)
Joacute lenne ha az oumlsszegfuumlggveacuteny egyenlo lennef -elpl
f(x) =1
1minus x= (1minus x)minus1 legyena = 0
f (n) f (n)(a)f(x) = (1minus x)minus1 c0 = 1
f prime(x) = minus1(1minus x)minus2 minus 1 c1 = 1f primeprime(x) minus 2(1minus x)minus3 minus 1 c2 = 2f primeprimeprime(x)minus 6(1minus x)minus4 minus 1 c3 = 6
f (n)(a) = n
cn = 1
A kapott hatvaacutenysorsum
xn
IsmertKH = (minus1 1) oumlsszegfuumlggveacuteny 11minusx
Visszakaptuk azf -et de csak(minus1 1)-re Az f eacutertelmezve voltR1-reaz oumlsszegfuumlggveacuteny(minus1 1)-en eacutes ott =f
22 Fontos Taylor sorok
f (n) f (n)(a)f(x) = ex c0 = 1f prime(x) = ex c1 = 1f primeprime(x) = ex c2 = 1
2f primeprimeprime(x) = ex c3 = 1
6
Aacuteltalaacutenosan
cn =1
n
ex Taylor sorasum
xn
nKH oumlsszegfuumlggveacuteny
R =1
lim n
radic1n
= infin
Segiacutetseacutegn
radicn = infin
Magyarul akaacutermit iacuterok be konvergens lesz
Haacutenyadoskriteacuteriummal kijoumln aKHKH = R (0 koumlzepu jobbra-balra veacutegtelen intervallum)
sum xn
nforallx-re konvergens
Mi az oumlsszegfuumlggveacutenyTaylor polinom Lagrange maradeacutektaggalTeacutetelforallx isin R eseteacuten
infinsum
0
sum xn
n= ex
3
biz Lagrange maradeacutektagTeacutetel
f (n) f (n)(a)f(x) = sin(x) c0 = 0f prime(x) = cos(x) c1 = 1
f primeprime(x) = minus sin(x) c2 = 0f primeprimeprime(x) = minus cos(x) c3 = minus1
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n+1
(2n+ 1)
f (n) f (n)(a)f(x) = cos(x) c0 = 1
f prime(x) = minus sin(x) c1 = 0f primeprime(x) = minus cos(x) c2 = minus1f primeprimeprime(x) = sin(x) c3 = 0
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n
(2n)
Taylor sor=infin fokuacute Taylor polinom
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
biz Lagrange maradeacutektagTeacutetel
f (n) f (n)(a)f(x) = sin(x) c0 = 0f prime(x) = cos(x) c1 = 1
f primeprime(x) = minus sin(x) c2 = 0f primeprimeprime(x) = minus cos(x) c3 = minus1
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n+1
(2n+ 1)
f (n) f (n)(a)f(x) = cos(x) c0 = 1
f prime(x) = minus sin(x) c1 = 0f primeprime(x) = minus cos(x) c2 = minus1f primeprimeprime(x) = sin(x) c3 = 0
forallx isin R eseteacuteninfinsum
0
(minus1)n middot x2n
(2n)
Taylor sor=infin fokuacute Taylor polinom
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100309
Trigonometrikus eacutes Fourier sorok
A hatvaacutenysor eacutes Taylor sor ismeacutetleacutese
1 A hatvaacutenysor fogalmasum
Cn(xminus a)n
2 Konvergenciahalmaz(aminusR a+R) intervallum CH keacuteplet
3 Oumlsszegfuumlggveacuteny eacutes egyuumltthatoacutek kapcsolata
f(x) =
infinsum
n=0
Cn(xminus a)n Cn =fn(a)
n
4 f Taylor sorasum fn(a)
n(xminus a)n
5 peacuteldaacutekex sin(x) cos(x) forallx-re egyenlo
Trigonometrikus sor
1 Trigonometrikus sor definiacutecioacuteja
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx)
2 A konvergenciahalmaza neheacutez uacutegyhogy itt nem taacutergyaljuk
3 Legyen
a0
2+sum
an middot cos(nx) + bn middot sin(nx) = f(x)
valamilyenx-ekre ahol ez konvergens
bull Hogyan szedjuumlk kiam-t eacutesbn-t
4 Elokeacuteszuumlletπint
minusπ
cos(nx) middot sin(kx)
eacutes hasonloacutek kiszaacutemiacutetaacutesa
bullπint
minusπ
sin(kx) = 0forall k-ra
πint
minusπ
cos(nx) =
2π hak = 00 hak 6= 0
bull
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
+ cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
cos(α) cos(β) = 1
2(cos(αminus β) + cos(α+ β))
cos(α+ β) = cos(α) cos(β) minus sin(α) sin(β)
minus cos(αminus β) = cos(α) cos(β) + sin(α) sin(β)
minus sin(α) sin(β) = 1
2(cos(αminus β)minus cos(α+ β))
sin(α+ β) = sin(α) cos(β) + cos(α) sin(β)
+ sin(αminus β) = sin(α) cos(β) minus cos(α) sin(β)
sin(α) cos(β) = 1
2(sin(αminus β) + sin(α+ β))
bullπint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) middot sin( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(sin [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
1
2middot
[minus cos(k + n)x
n+ k+
minus cos(k minus n)x
k minus n
]π
minusπ
= 0
Mert acos fuumlggveacuteny periodikus2π-n keacutent
πint
minusπ
cos( nx︸︷︷︸
α
) cos( kx︸︷︷︸
β
) =
1
2
πint
minusπ
(cos [(k + n)x] + cos [(k minus n)x]) dx =
=
2π han = k = 0π han = k 6= 00 minden maacutes esetben
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx) =
π han = k 6= 00 midnen maacutes esetben
1
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
bull
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
middot sin(kx)
πint
minusπ
πint
minusπ
f(x) middot sin(kx) =a0
2
πint
minusπ
sin(kx)dx︸ ︷︷ ︸
=0
+
infinsum
n=1
an middot
πint
minusπ
cos(nx) sin(kx)dx+
bn middot
πint
minusπ
sin(nx) sin(kx)dx
=
A keacuterdeacutes az egyenletes konvergencia
= bk middot π =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
πint
minusπ
f(x) cos(kx)dx = πak
ak =1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx
k isin N
TEacuteTEL
Most nem iacuterjuk le de meg lehet fogalmazniMost azf adott
Def Legyenf 2π szerint periodikus fuumlggveacuteny (vagy adott(minusππ)-
n eacutes legyenak = 1
πmiddot
πint
minusπ
f(x) middot cos(kx)dx eacutes = bk middot π =
1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx
Az f fuumlggveacuteny(minusππ) intervallumhoz tartozoacute Fourier-sora
a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
Def Az f fuumlggveacuteny Fouriet-sora sorba fejtheto (minusππ)-n ha a Fo-uriet sora ott konvergens eacutes eloaacutelliacutetj f -et azaz
f(x) =a0
2+
infinsum
n=1
an cos(nx) + bn sin(nx)
forallx isin (minusππ)
MegjItt sok matematikai teacutetel van
5 Peacutelda
-1
1 πminusπ
bk =1
π
πint
minusπ
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
0int
minusπ
f(x) sin(kx)dx +1
π
πint
0
f(x) sin(kx)dx =
minus1
π
[minus cos(kx)
k
]0
π
+1
π
[minus cos(kx)
k
]π
0
=
1
kπ[cos(k middot 0)minus cos(k middot π)]minus
1
kπ[cos(k middot π)minus cos(k middot 0)] =
1
kπ
(1minus (1)k
)minus
1
kπ
((1)k minus 1
)=
2π
kminus
2π
k(1)k =
0 ha k paacuteros4
kπ ha k paacuteratlan
ak = 0 forallkMert f paacuteratlan fuumlggveacuteny
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100316
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekRn
DefR
n = RtimesRtimes middot middot middot timesR︸ ︷︷ ︸
n db
Rn teacuter elemei szaacutem n-esek(n dimenzioacutes vektorok)pl x = (x1 x2 xn) xi isin RforalliR
n-ben muveletekx y isin Rn
x+ y = (x1 + y1 x2 + y2 xn + yn)
x isin Rn c isin Rc middot cx = (cx1 cx2 cxn)
x isin Rn hosszaMegjegyzeacutes a hosszra sokfeacutele definiacutecioacute van
|x| =radic
(x21 x
22 x
2n) P = 2
||x|| =infinsum
i=1
|xi| P = 1
||x||p = p
radicinfinsum
i=1
|xi|p P ge 1
Ezek metrikaacutet definiaacutelnak
P = 2b
s =y isin R2 ||y||2 = r
P = 1b
s =y isin R2 ||y||1 = r
P = infinb
|x|+ |y| = r
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyLegyenf Rn rarr R
1 toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenypl
f(x1 x2)=x1 + x2 n = 2 k = 1f(x1 x2)=(x1 middot x2 e
x1 middot cos(x2)) n = 2 k = 2f(x1 x2 x3)=(x1 + x2
2x1 + x3) n = 3 k = 2
Haf Rn rarr Rk rArr f1 fn fk koordinaacutetafuumlggveacutenyei
fi Rn rarr R
1 f(x) = (f1(x) f2(x) f3(x) fn(x))
plf1(x1 x2 x3) = x1x
22 f2(x1 x2 x3) = x1 + x3
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny aacutebraacutezolaacutesa
bull Rrarr R eset(x f(x)) isin R2
pontokat oumlsszegyujtuumlk
x
f(x)
bull R2 rarr R eset(x f(x)) isin R3
a pontok egy feluumlletet alkotnakviacutezszintesR2
fuumlgguumllegesR
y
x
z
y0x0
Pl x2 + y2
(x)
(y)
bull Egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutesSzintvonalak
1
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
1radic2
2
Az elozo peacuteldaacutenaacutel is hasonloacute de maacutesok a szaacutemok
bull R3 rarr R eset(x f(x)) isin R4 Neheacutez aacutebraacutezolni szintvonalas csakR3-hez kellpl f(x y z) = x2 + y2 + z2 szintfeluumlleteif(x y z) = x2 + y2 + z2 = c
b
c
bull R4 rarr R itt semmi sem segiacutet
bull Rrarr R2
(x f(x)) isin R3 pontokat gyujtuumlnkpl f(x) = (cos(x) sin(x)) x isin R
f1
f2
f1(x)
f2(x)
x
Jobbra a rendes balra az egyszerusiacutetett aacutebraacutezolaacutes
bull Rrarr R3
(x f(x)) ezt maacuter nem rajzoljuk de az egyszerusiacutetett rajzR3-banvan eacutes ez egy goumlrbe a teacuterbenf(x) = (x cos(x) sin(x)) ennek az egyszerusiacutetett rajza az elobbicsavarvonal
bull R2
︸︷︷︸
C
rarr R2
︸︷︷︸
C
eset ez nagyjaacuteboacutel remeacutenytelen
bull R3 rarr R3
pl gravitaacutecioacutes eroteacuterMatematikus ezt vektormezonek hiacutevja
(NagysaacutegaγMmr2
iraacutenya M feleacute)
f(x) = minusx middot M middotm|x|3 γ
f1(x1 x2 x3) =minusMmγ
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
x1
f1 R3 rarr R
Hataacutereacuterteacutek eacutes folytonossaacuteg toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekre
Legyenf Rn rarr Rk
Def lim f(x) = A
Ez mit jelent
Az f fuumlggveacuteny hataacutereacuterteacuteke aza isin Rn pontbanA isin Rk haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutesx 6= a rArr |f(x)minusA| lt ε
A
δ
x
f(x)
Rk
Rn
Def azf fuumlggveacuteny folytonos aza isin Rn pontban haforallε gt 0 existδ gt 0 hogy|xminus a| lt δ eacutes|f(x)minus f(a)| lt ε
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesa
Parciaacutelis derivaacutelt
Def LegyenRn rarr R Az f fuumlggveacuteny elso vaacuteltozoacute szerintiparciaacutelis derivaacuteltja azx isin Rn pontban
part1f(x) = limhrarr0
f(x1 + h x2 xn))minus f(x1 x2 xn))
h
Egy vaacuteltozoacute eseteacuteben volt
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Az i-edik vaacuteltozoacute szerinti parciaacutelis derivaacutelt
partif(x) = limhrarr0
f(x1 xi + h xn))minus f(x1 xn))
h
Maacutes jeloumlleacutessel
partif(x) =partf
partxi
Peacuteldaacutek
bull f(x1 x2) = x1 middot x2
part1f(x1 x2) = x2︸︷︷︸
(cmiddotx)prime=c
part2f(x1 x2) = x1
bull f(x1 x2) = x1 + x2
part1f(x1 x2) = 1︸︷︷︸
(c+x)prime=1
part2f(x1 x2) = 1
2
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
bull f(x1 x2) = x1 middot ex2
part1f(x1 x2) = ex2
part2f(x1 x2) = x1 middot ex2
bull f(x1 x2) = x21 middot x3
2 + 2x1 + x2
part1f(x1 x2) = 2x1 middot x32 + 2
part2f(x1 x2) = x21 middot 3x2
2 + 1
bull f(x1 x2 x3) =1radic
x2
1+x2
2+x2
3
= (x21 + x2
2 + x23)
minus1
2
part1f(x1 x2 x3) = minus1
2middot (x2
1 + x22 + x2
3)minus
3
2 middot 2x1 =
= minusx1 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part2f(x1 x2 x3) = minusx2 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
part3f(x1 x2 x3) = minusx3 middot1
(x21 + x2
2 + x23)
3
2
(part1f part2f part3f) = minus x
|x|3
Ez a gradiens (grad)
Furcsa peacutelda
f(x1 x2) =
0 hax1 middot x2 = 01 minden maacutes esetben
Folytonos-e a fuumlggveacuteny(0 0)-banEz nem folytonos
part1f(0 0) = 0 part2f(0 0) = 0part1f(1 0) = 0 part2f(0 1)part1f(0 1) = ∄ part2f(1 0) = ∄ lim
hrarr0
1minus0h
Ez a limes divergens tehaacutet nincs limese
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100323
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyek derivaacutelaacutesaVoltparciaacutelis derivaacutelt
f Rn rarr R
partif(x) = limhrarr0
f(x1 x2 xi + h xn)minus f(x1 xn)
h
Derivaacutelt vagy Jacobi maacutetrix
Egy vaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyf Rrarr R
f prime(x) = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)
h
Mostf Rh rarr R
az a baj a keacuteplettel hogyh isin f Rn-el osztani kelleneAacutetalakiacutetva
0 = limhrarr0
f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h
h
Ha ez a hataacutereacuterteacutek0 akkor az abszolulteacuterteacuteke is0
0 = limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minus f prime(x) middot h|
|h|
Az abszolulteacuterteacutekes truumlkk csak akkor igaz ha 0 a hataacutereacuterteacutek hiszenplusmn0 = 0 (deplusmn2 6= 2)f prime(x) middot h isin R kell kuumlloumlnben nem joumln ki (szaacutem - vektor)
f prime(x) = (( ) ( ) ( )︸ ︷︷ ︸
nminusdarab
)
DefLegyenf Rn rarr R Ezx isin Rn helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin R1timesn
sormaacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A derivaacuteltJacobi maacutetrixHonnan tudjuk az A maacutetrixotProacutebaacuteljuk meg neacutehaacuteny speciaacutelish vektornaacutelh = (1 0 0)t t isin R(t 0 0) t rarr 0
x+ h = (x1t+ x2 + x3 + middot middot middot+ xn)|h| = |t|
A middot h =(A1 An
)middot
t
0
= A1t
limtrarr0
|(x+ h)minus f(x)minusA1t|
|t|=
limtrarr0
∣∣∣∣∣∣∣∣
f(x+ h)minus f prime(x)
t︸ ︷︷ ︸
part1f(x)
minusA1
∣∣∣∣∣∣∣∣
TehaacutetA1 = part1f(x)HasonloacuteanA2 = part2f(x)
AacutelliacutetaacutesHaf Rh rarr R differenciaacutelhatoacutex-benrArr
f prime(x) = (part1f(x) partnf(x)) = grad f(x)
Ez a kiszaacutemiacutetaacutes moacutedjaBizonyiacutetaacutes a fentipl
f(x1 x2) = x1 middot ex2f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (ex2 x1ex2)
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes Emleacutekezteto n = 1
f Rrarr R
x0
f(x0)l(x)minus f(x0)
l(x)minus l(x0)
xminus x0= f prime(x0)
Maacuteskeacuteppl(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0))
1
Ugyan ezt kellene toumlbbvaacuteltozoacutesran = 2
f Rn rarr R
1f(x0 = l(x0)
1
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Szeretneacutenk egyl(x y) lineaacuteris koumlzeliacuteteacutest
b
(x)(y)
l(x y) = f(x0 y0) + f prime(x0 y0) middot (xminus x0 y minus y0)
l(x y)f(x0 y0) + (part1(x0 y0) part1(x0 y0)) middot
(xminus x0
y minus y0
)
l(x y) = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
Ezt iacuterjuk aacutet siacutekegyenletbe
z = f(x0 y0) + part1f(x0 y0) middot (xminus x0) + part2f(x0 y0) middot (y minus y0)
(tehaacutetl(x y) helyettz)
Legyenz0 = f(x0 y0)
0 = (part1f(x0 y0) part2f(x0 y0)minus1︸ ︷︷ ︸
~n
) middot (xminus x0 y minus y0 minus z minus z0︸ ︷︷ ︸
rminusr0
plf(x y)x2 + y2
(x)
(y)
(x0 y0) = (1 2)-houmlz eacuterinto siacutekot akarunky0 = f(x0 y0) = 12 + 22 = 5A siacutek normaacutelvektora
~n = part1f(1 2) part2f(1 2)minus1)
part1f(1 2) = 2x = 2
part2f(1 2) = 2x = 4
~n = (2 4minus1)
[(2 4minus1) (xminus 1 y minus 2 z minus 5)] = 0
2(xminus 1) + 4(y minus 2)minus (z minus 5) = 0
2x+ 4y minus z = 5
Derivaacutelt maacutetrixf Rn rarr Rk
(eddig k=1 volt)Legyenf Rn rarr R
k Ez x isin Rh helyen differenciaacutelhatoacute haexistA isin
Rktimesn maacutetrix hogy
limhrarr0
|f(x+ h)minus f(x)minusA middot h|
|h|= 0
Ekkorf prime(x) = A Itt most vektorok vannak skalaacuterok helyettItt hogyan joumln ki azA maacutetrixAacutelliacutetaacutesHaf Rn rarr R
k differenciaacutelhatoacutex-ben akkor
f prime(x) =
part1f1(x) part2f1(x) partnf1(x)part1f2(x) part2f2(x) partnf2(x)
part1fk(x) part2fk(x) partnfk(x)
Ez az igazi Jacobi maacutetrix(ez elozo is az volt de az nem volt annyira szeacutep maacutetrix) (itt most nincsbizonyiacutetaacutes)
pl
f(x1 x2) =
(x1 middot x2
sin(x1 + 3x2)
)
f R2 rarr R2
f1(x1 x2) = x1 middot x2
f2(x1 x2) = sin(x1 + 3x2)
f prime(x) =
(x2 x1
cos(x1 + 3x2) 3 cos(x1 + 3x2)
)
f(x) =
cosxsinxx
f R1 rarr R3
f prime(x) =
minus sinxcosx1
Maacutes jeloumlleacutesDf(x) = A
Lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
f Rn rarr Rkfuumlggveacutenyre
f(x+ h) = f(x) + f prime(x) middot h+ α(h)2
lim|α(h)|
|h|= 0
Olyan kicsi azα(h) hogy meacuteg egy kicsih-val leosztva is0-aacutet adMaacutes jeloumlleacutessel
x = x0
h = xminus x0
f(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0) +α(xminus x0)
α lehuacutezaacutesa a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutes
l(x) = f(x0) + f prime(x0) middot (xminus x0)
2ez kicsi
2
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
(eddig is ez volt csak k=1-el)
l Rn rarr Rk
Alkalmazaacutes spec esetre
n = 1(t)k = 3(x y z)
(x) (y)
b
pl
cos tsin tt
ennek a lineaacuteris koumlzeliacuteteacutese egy egyenes a teacuterben
l(t)f(t0) + f prime(t0) middot (tminus t0)
Konkreacutetan
f prime(t)
minus sin tcos t1
t0 = π-ben eacuterinto
x
y
z
=
minus10π)
+
0minus11
middot (tminus t0)
x = minus1y = π minus t
z =π + tminusπ
t isin R
Maacutesodik derivaacuteltEgy vaacuteltozoacute eseteacutenf primeprime nem maacutes mint(f prime)prime
Han-vaacuteltozoacute van
f Rrarr RrArr f prime(x) isin R1timesn
Ez maacutes tipusuacute mint azfJoacute hiacuterf prime = R1timesn tekintheto uacutegyRn
Ekkor
f primeprime(x) isin Rntimesnf primeprime Rn rarr Rntimesn
pl
f(x y) = x3 + y4
R2 rarr R
f prime(x y) = (3x2 4y3)f prime R2 rarr R2
f primeprime(x y) =
(6x 00 12y2
)
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Szeacutelsoeacuterteacutek toumlbbvaacuteltozoacuteban
Balog Daacuteniel
20100330
Ugyanezt szeretneacutenkf Rn rarr R eseteacuten
(Rn rarr Rk-ba nem akarjuk ugyanezt
Nem mertRk-ban nincslt jel)
Def
Legyenf Rn rarr R a isin Rn lokaacutelis minimumhaexistδ gt 0 |xminus a| lt δ rArr f(x) ge f(a)Pl
a
(n=2 a rajzon) ez egy szigoruacute lokaacutelis minimum
a
ez egy szigoruacute lokaacutelis maximum
gt szigoruacute lokaacutelis minimumle lokaacutelis maxikmumlt szigoruacute lokaacutelis maximumszeacutelsoeacuterteacutek= min cup max
Teacutetel
(Szuumlkeacuteges felteacutetel) Haa isin Rn lokaacutelis szeacutelso eacuterteacutekf Rn rarr R
differenciaacutelhatoacute fuumlggveacutenynek akkor apartif(a) = 0 foralli = 1 n azazf prime(a) = 0
[Emleacutek part1f(a) part2f(a) partnf(a)](8 35) - Aacutellandoacute rettegeacutesben eacutelek hogy egy vektor nem egyenlo-e5szaacutemmal
Nem bizonyiacutetom de rajzolok
a
Elmeteszem egy siacutekkalx1 vaacuteltx2 = a2x3 = a3
xn = an
a1
egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny ennek van lokaacutelis minimumaez a goumlrbe f(x1 a2 a3 an) ennek derivaacuteltja 0 azazpart1f(a1 a2 a3 an) = 0
1
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Pl
f(x1 x2) = x2
1+ x2
2
Keacuterdeacutes sz eacute (szeacutelsoeacuterteacutek)part1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = 2x2
ezeket0-val egyenloveacute teszem2x1 = 0 2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Szeacutelsoeacuterteacutek lehet(0 0) pontban
Pl2
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
1
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = minus2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
minus2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 x2 = 0
Sz eacute lehet(0 0) pontban
(8 47) - Voltak meacuternoumlki tanulmaacutenyaim0 percig voltam meacuternoumlktehaacutet
Pl3
f(x1 x2) = x2
1minus x2
2
nyereg feluumllet
Keacuterdeacutes sz eacutepart1f(x1 x2) = 2x1 part2f(x1 x2) = minus2x2
2x1 = 0 minus2x2 = 0x1 = 0 minusx2 = 0
Szeacute lehet(0 0) pontban persze nincs sz eacute
Eleacutegseacuteges felteacutetelf primeprime segiacutetseacutegeacutevel
Eloszoumlr a peacuteldaacutekkal
1 lokaacutelis minimum
f(x1 x2) = x21 + x2
2 f R2 rarr R
f prime(x1 x2) = (2x1 2x2) f prime R2 rarr R2times2
f primeprime(x1 x2) =
(
2 00 2
)
f primeprime R2 rarr R2times2
2 lokaacutelis maximum
f(x1 x2) = 1minus x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (minus2x1minus2x2)
f primeprime = (x1 x2) =
(
minus2 00 minus2
)
part1part1f
part2part1f
3 nyereg
f(x1 x2) = x2
1 minus x2
2
f prime(x1 x2) = (2x1minus2x2)(
2 00 minus2
)
(9 00) - Az izgalmas reacuteszneacutel joumln a reklaacutem
2
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Teacutetel
(Eleacutegseacuteges felteacuteteln = 2 eseteacuten)Legyenf R2 rarr R
2times2 differenciaacutelhatoacute Legyenf prime(a) = 0
1 Ha detf primeprime(a) gt 0 eacutespart11f(a) gt 0 rArr a-ban lokaacutelis minimumpart11f(a) = part1part1f(a)
2 Ha detf primeprime(a) lt 0 eacutespart11f(a) lt 0 rArr a-ban lokaacutelis maximum
3 Ha detf primeprime(a) lt 0 rArr nincs sz eacute (nyereg)Nem bizonyiacutetom
Megjegyzeacutes
Ez megfogalmazhatoacuteRn rarr R fuumlggveacutenyre isf primeprime(a)pozitiacutev definitrarr lok min negatiacutev definitrarr lok max(lt Ax x gtgt 0 ez a pozitiacutev definit) - NEM KELL TUDNI
Pl
f(x1 x2) = x31 + x3
2 minus 3x1x2
Szeacute=
f prime(x1 x2) = (3x21 minus 3x2 3x
22 minus 3x1)
3x21 minus 3x2 = 0 eacutes 3x2
2 minus 3x1 = 0x2
1= x2 x2
2= x1
x4
1= x1 rArr x1(x
3
1minus 1) = 0
x1 = 1 x2 = 1
x1 = 0 x2 = 0
1
1
Sz eacute lehet(0 0) vagy(1 1)
Most joumln az eleacutegseacuteges felteacutetel
f primeprime(x1 x2) =
(
6x1 minus3minus3 6x2
)
Beiacuterjuk az egyik jeloumlltet eacutes megneacutezzuumlk mit kapunk
f primeprime(0 0) =
(
0 minus3minus3 0
)
rarr detf primeprime(0 0) = 0minus(minus3)middot(minus3) = minus9 lt 0
(0 0) nem sz eacute
f primeprime(1 1) =
(
6 minus3minus3 6
)
rarr det f primeprime(1 1) = 6 middot 6 minus (minus3) middot (minus3) =
27 gt 0part11f(1 1) = 6 gt 0 rArr (1 1) lok minHF f(x1 x2) = x4
1+ x2
2+ 4x1x2 sz eacute=
Primitiacutev fuumlggveacuteny (potenciaacutel) toumlbbvaacuteltozoacutesfuumlggveacutenyre
Emleacutek
1-vaacuteltozoacutebanf R rarr R
n adott keresemF Rrarr R melyreF prime = f F primitiacutevfuumlggveacutenye f -nek
Def
Legyenf Rn rarr R F Rn rarr R
primitiacutev fuumlggveacutenye f-nek haF prime = f
F prime = (part1F part2F partnF )F prime = Rn rarr R
n
Megjegyzeacutes
bajf R2 rarr R3 nincsF
PL
f(x y) = (2x+ y x+ 2y) f R2 rarr R2
F =partFpartx
F (x y) = 2x+ ypartFparty
F (x y) = x+ 2yKi az akit x szerint derivaacutelva2x+ y joumln ki
F (x y) = x2 + xy + C
ez aC x szerint konstans tehaacutet akaacutermilyeny fuumlggveacuteny lehet(plsin y utoacutelagC(y))
F (x y) = x2 + xy + C(y)
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
partF
partyF (x y) = x+ Cprime(y) = x+ 2y
x+ Cprime(y) = x+ 2yminus x
Cprime(y) = 2y
C(y) =
int
2y dy = y2 +K
F (x y) = x2 + xy + C(y) = x2 + xy + y2 +K
Ez aK valoacutedi konstans
Megoldaacutes
F (x y) = x2 + xy + y2 +K
Amikor nincsen tehaacutet Antipeacutelda )
f(x y) = (minusy x)
part1F (x y) = minusy part2F (x y) = x
F (x y) = minusyx+ C(y)
minusx+ Cprime(y) = part2F (x y) = x
Baj nem esik ki az x Nincs F
Ennek az eroteacuternek nincs potenciaacutelja
Hogyan laacutetszik f -en hogy van primitiacutev fuumlggveacutenye
Levezeteacutes(Bizonyiacutetaacutes)
F prime = f lArrrArr part1F = f1 part2F = f2 partnF = fn(keacutet vektor egyenlo ha koordinaacutetaacuteik egyenloek)oumltlet
part1F = f1
derivaacutelomx2 szerintpart2part1F = part2f1
part2F = f2
derivaacutelomx1 szerintpart1part2F = part1f2
(9 55) - Ez egy matematikus volt Eloszoumlr fiatal volt aztaacuten nemtudom
Teacutetel(Young)
szuumlkseacuteges felteacutetel primitiacutev fuumlggveacuteny leacutetezeacuteseacutereLegyen egy fuumlggveacuteny melynek maacutesodik derivaacuteltja leacutetezik eacutesfolytonosEkkor
part2f
partxparty=
part2f
partypartx
Nem szaacutemiacutet a sorrend
Ebbol koumlvetkezikVan egy fuumlggveacutenyem aminek szeretneacutem kiszaacutemiacutetani a primitiacutev fuumlggveacute-nyeacutet Haexist primitiacutev fuumlggveacutenyrArr partipartj = partjparti forallij = 1 n
Young-teacuteteles feliacuteraacutesban
partfi
partdj=
partfj
partdi
Pl
f(x y) = (minusy x)part1f2(x y) = 1 part2f1(x y)1 6= minus1kuumlloumlnboumlzoekrArr nincsF
Megjegyzeacutes
R3 rarr R
3 esetben ez a rotaacutecioacutementesseacuteget jelenti
f prime =
part1f1 part2f1 part3f1part1f2 part2f2 part3f2part1f3 part2f3 part3f3
Haexist primitiacutev fuumlggveacuteny akkor ez a maacutetrix szimmetrikusrot = 0 rArr maacutetrix szimmetrikus
4
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100413
Iacutevhossz eacutes vonalintegraacutel
Def Egyr [a b] rarr Rn fuumlggveacutenyt nevezuumlnk goumlrbeacutenek azRn-ben
bull plr(t) = (t 2t)t isin [0 1]r [0 1]R2
1
2
1
r(t) = (2t 4t)t isin [0 1
2] ugyanaz a rajz
Ugyanaz a vonal toumlbbfeacutelekeacuteppen parameacuteterezheto
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
r(t) = (cos t sin t)t isin [0 4π]Ugyanez a rajz de minden pontot 2x rajzolunk meg
bull plr(t) = (RtminusR sin t) R minusR cos t)
b
Ez a paacutelya iacuteve a paacutelya az uacuten ciklois
Iacutevhossz
Legyenr [a b] rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Hosszkoumlzeliacuteto oumlsszeg
σ(r t1 t2 tn) =
nsum
i=1
|r(ti)minus r(timinus1)|
Def az r goumlrbeacutenek van hossza (rektifikaacutelhatoacute) hasupσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes veacuteges
A goumlrbe hossza
l(r) = supσ(r t1 t2 tn) n isin Ntitetszoleges felosztaacutes
bull pl (az egyszeru)r(t) = (t 2t)t isin [0 1]σ = l(r) forall felosztaacutesral(r) =
radic5
bull pl (a furcsa)r(t) = (t sin 1
t)t isin (0 1]
itt a sup = infin
TeacutetelHa r differenciaacutelhatoacute eacutesrprime folytonos akkor veacuteges hossza van eacutes
l(r) =b
infa|rprime(t)|dt
Ezt nem bizonyiacutetjuk be
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
1
minus1
1minus1
1
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
rprime(t) = (minus sin t cos t)|rprime(t)| =
radic
(minus sin t)2 + (cos t)2 = 1
l(r) =2πint
0
1dt = 2π
bull Mazohista peacuteldar(t) = (cos t2 sin t2)t isin [0
radic2π] A koumlr ugyanaz de ugyanaz e a
koumlriacutev
bull plr(t) = (t t2)t isin [minus1 1]
1
minus1
1minus1
bull plr(t) = (t R cos t R sin t)t isin [0 2π]
Vonalintegraacutel
(munkaveacutegzeacutes egy goumlrbe menteacuten)Adott r [a b] rarr R
n f Rn rarr Rn
a t1 t2 t3 t4 t5 br(a) r(t1)
r(t2) r(b)
Legyentlowasti isin [timinus1 ti]A vonalintegraacutel koumlzeliacuteto oumlsszege
σ(r f t1 tn tlowast
1 tlowast
n) ==
nsum
i=1
〈f(r(tlowasti )) r(ti)minus r(timinus1)〉︸ ︷︷ ︸
~F middot~smiddotcosα
Finomiacutetjuk a felosztaacutest eacutes megneacutezzuumlk hogy mihez tart
Def Az f fuumlggveacutenynek azr goumlrbe menteacuten van vonalintegraacutelja haexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 ha |ti minus timinus1| lt δ akkor baacutermilyentlowasti isin [ti timinus1] vaacutelasztaacutes eseteacuten|I minus σ()| lt ε
Ez azI a vonalintegraacutel jeleint
r
f = I
Teacutetel (kiszaacutemiacutetaacutes moacutedja)Har differenciaacutelhatoacute azrprime folytonos eacutesf (eroteacuter) is folytonos
Ekkorexistint
r
=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 dtNem bizonyiacutetjuk ugyanis neheacutez
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) = x y
Centraacutelis eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lt (cos t sin t) (minus sin t cos t)) gt dt =
= f
2πint
0
minus cos t sin t+ sin t cos tdt = 0
bull plr(t) = (cos t sin t)t isin [0 2π]
f(x y) =(
minusyx2+y2
xx2+y2
)
Rotaacutecioacutes eroteacuter
int
r
f =
2πint
0
lang((minus sin t
1cos t
1
)
(minus sin t cos t)
)rang
dt =
=
2πint
0
sin2 t+ cos2 tdt =
2πint
0
1dt = 2π
Vonalintegraacutel eacutes potenciaacutel kapcsolata
Adott egy f Rn rarr R
n eroteacuter a potencaacutelF Rn rarr R hogy
F prime = f(minus gradF = f)Legyenr [a b] rarr R
n goumlrbeCeacutel Vonalintegraacutelt a potenciaacuteboacutel szaacutemolhatunk-e
Leacutenyeg
Van primitiacutev fuumlggveacutenym
int
r
f csak azr veacutegpontjaitoacutel fuumlgg
mzaacutert goumlrbeacuten(r(a) = r(b)) 0 a vonalintegraacutel
TeacutetelA vonalintegraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa a primitiacutev fuumlggveacutennyelHa r differenciaacutelhatoacuterprime eacutesf folytonos valamintexistF Rn rarr R hogyF prime = f rArr
int
r
= F (r(b)) minus F (r(a))
Bizonyiacutetaacutesint
r
definiacutecioacute szerint=bint
a
〈f(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
〈F prime(r(t)) rprime(t)〉 =bint
a
F (r(t)) = F (r(b)) minus F (r(a))
Azeacutert van ez mert azr [a b]-bol Rn-be keacutepez viszontF ezt vissza-hozzaR-be iacutegyR rarr R a fuumlggveacuteny eacutes erre keacutenyelmesen hasznaacutelhatoacute aNewton-Leibnitz teacutetel(f g)prime = (f prime g) middot 1gprime ezt kiterjesztjuumlkRn esetre
1maacutetrixszorzaacutes lesz
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100420
Toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny Riemann-integraacutelja
Emleacutekezteto egyvaacuteltozoacutes
f Rrarr R
a ξ b
a = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
(A teacuteglalap magassaacutega legyenξ)Legyenξi isin [ximinus1 xi]A koumlzeliacutetooumlsszeg
σ =
nsum
i=1
f(ξi)(xi minus ximinus1)
Def HaexistI isin R hogyforallε gt 0existδ gt 0 hogyforallxi minus ximinus1 lt δforalli rArr forallξi vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt ε
Ekkorf Riemann integraacutelhatoacute[a b]-n eacutesbint
a
= I
A ceacutel
f R2 rarr R2 fuumlggveacutenyre a Riemann integraacutel definiaacutelaacutesa
Legyena lt b c lt d
b
c
d
a
d
ca b
A felosztaacutesoka = x0 lt x1 lt x2 lt xn = b
c = y0 lt y1 lt y2 lt ym = d
Ezzel beraacutecsozzuk a teacuteglalapot Az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyekneacutel teruuml-letet szaacutemiacutetottunk most teacuterfogatot szeretneacutenk kihozni
Legyenξi isin [xi minus 1minus xi] ηj isin [yjminus1 minus yj ]i = 1 n j = 1 mLegyen
σ =
msum
j=1
nsum
i=1
f(ξi ηj)(xi minus ximinus1)(yj minus yjminus1)
A keacutet szumma szabadon foumllcsereacutelheto csak az oumlsszegzeacutes moacuted-szere vaacuteltozik meg Peacuteldaacuteul sorok helyett oszloponkeacutent oumlsszegzuumlnkde a veacutegoumlsszeg ugyan annyi
Def azf fuumlggveacuteny az[a b]times [c d] teacuteglalapon Riemann integraacutelhatoacuteha existI isin R hogy forallε gt 0existδ gt 0 hogy forallxi minus ximinus1 lt δ eacutesforallyi minus yiminus1 lt δforalliforallj rArr forallξi ηj vaacutelasztaacutes mellett|I minus σ| lt εEkkor f Riemann integraacutelhatoacute[a b] times [c d]-n eacutes
int
T
= I itt
T = [a b]times [c d] teacuteglalapEz azonban nem mukoumldik ha nem teacuteglalap a grafikon alatti teruumlletpl feacutelgoumlmbHa mostD sub R
2 egy halmaz (pl koumlr) akkorint
D
hogyan
eacutertelmezheto
TD
LegyenD sub R2 korlaacutetos tartomaacutenyLegyenT sub R2 olyan teacuteglalap ami magaacuteba fogalalja aD-tLegyenf T rarr R olyan hogy
f(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
Def Az f fuumlggveacuteny Riemann integraacutelhatoacuteD-n haf Riemann integraacutel-hatoacuteT -n eacutes
int
D
f =int
T
f
(igazolhatoacute hogy megfelelo f vaacutelasztaacutesaacuteval toumlk mindegy milyen ateacuteglalap)Neheacutez keacuterdeacutes milyen lehet aDSzeacutepD pl az amit egy differenciaacutelhatoacute goumlrbe hataacuterol (pl koumlr)
Az integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa
Fubini-teacutetelLegyenf [a b]times [c d] rarr R folytonosEkkor
int
[ab]times[cd]
f =
1
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx =
dint
c
bint
a
f(x y)dx
dy
Ezeacutert gyakori jeloumlleacutesint
[ab]times[cd]
f helyettdint
c
bint
a
f Fizikusok kiiacuterjaacutek a toumlbb-
szoumlroumls integraacutelt hiszen nem dolgoznakn dimenzioacuteban A teacutetel bizonyiacute-taacutesaacutenak alapondolata
Legyeng(x)dint
c
f(x y)dy
g(x) egy egyvaacuteltozoacutes riemann integraacutel amitσ koumlzeliacutetooumlsszeggel defini-aacuteltunkEgy kis raacutecs meacuterete nagysaacutegrendileg az egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacuteny σ-jadint
c
g(x)dx az oszlopok teruumlleteinek oumlsszege
PeacuteldaacutekLegyenf(x y) = x middot y T = [0 1]times [2 3]int
T
f =
Fubini teacutetel szerint1int
0
3int
2
xydy
dx =
=
1int
0
[
x middoty2
2
]3
2
=
=
1int
0
(9
2xminus 2x)dx =
1int
0
(5
2x) =
5
2
[
x2
2
]1
0
=5
4
LegyenT = [1 2]times [1 2] f(x y) = 2xy(x2+y2)2
int
T
=
2int
1
2int
1
2xy
(x2 + y2)2dy
dx =
=
2int
1
[
minusx
x2 + y2
]2
1
=
2int
1
(
x
x2 + 1minus
x
x2 + 4
)
dx =
=
[
1
2ln(x2 + 1)minus
1
2ln(x2 + 4)
]2
1
=
=1
2
[
lnx2 + 1
x2 + 4
]2
1
=1
2ln
5825
=1
2ln
25
16= ln
5
4
Integraacutelkiszaacutemiacutetaacutes normaacuteltartomaacutenyon
Most a krumpli helyett keacutet fuumlggveacuteny aacutelltal koumlzbezaacutert teruumllet lesz aDDe mi is az a normaacuteltartomaacutenyLegyen [a b] sub R egy zaacutert intervallum legyenα β [a b] rarr R
fuumlggveacutenyekα(x) le β(x) forallx isin [a b]Def Azα eacutesβ fuumlggveacutenyek aacutelltal meghataacuterozott normaacuteltartomaacuteny
d
ca
β(x)
α(x)
b
N
N(x y) isin R2 x isin [a b] y isin [α(x) β(x)]Szeretneacutenk
int
N
f -et megadni
Veszek egyc eacutesd-t uacutegy hogyc le α(x) le β(x) le (d)forallxLegyenf N rarr R folytonos
Legyenf(x) =
f(x) hax isin D0 hax isin D
int
N
f =
int
f[ab]times[cd] =
bint
a
dint
c
fdy
dx =
=
bint
a
dint
c
f(x y)dy
dx
Tehaacutet a normaacuteltartomaacutenyon az integraacutel uacutegy adhatoacute meg hogybint
a
(
dint
c
f(x y)dy
)
dx
Peacuteldaacutekf(x y) = x middot yAz y = 1minus x2 eacutes azy = x2 minus 1 parabolaacutek koumlzoumltt fekvo tartomaacutenyon
1
minus1
1minus1
Mosta = minus1 b = 1 α(x) = x2 minus 1 β(x) = 1minus x2
N =
int
N
=
1int
minus1
x2
int
x2minus1
1minus x2(x middot y)dy
dx =
=
1int
minus1
[
x middoty2
2
]1minusx2
x2minus1
dx =
x(1 minus x2)2
2minus x
(x2 minus 1)2
2=
1int
minus1
0
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100427
Integraacuteltranszformaacutecioacute
(helyettesiacuteteacuteseacutees integraacutelaacutes toumlbbvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyre)
Ceacutel Integraacutel kiszaacutemiacutetaacutesa nem teacuteglalapon
mertint
T
f =b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dxdy de ez koumlroumln maacuter nem mukoumldik
EmleacutekeztetoHelyettesiacuteteacuteses integraacutel egyvaacuteltozoacutes fuumlggveacutenyref Rrarr R
g[α β] rarr [a b]Hag(α) = a
g(β) = bbint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot gprime(t)dt
gyakorlatilagx = g(t) dx = gprime(t)dt Fontos hogy ag egy bijekcioacutelegyen(ne legyen hullaacutemzoacute)Ha szigoruacute monoton noumlvekvo helyett szigoruacute monoton csoumlkkeno akkora hataacuterok helyet csereacutelnekUacutegy is meg lehet oldani hogy egy minuszjeletkapErre kellene valami oumlsszevont dologEacuteszreveheto ha a g no grsquo(t) pozitiacutev ha g csoumlkken grsquo(t) negatiacutev de azegeacutesz kap egy minuszjelet (ha a hataacuterok maradnak) Tehaacutet az oumlsszevontkeacuteplet
bint
a
f(x)dx =
βint
α
f(g(t)) middot |gprime(t)|dt
Proacutebaacuteljuk meg ugyaneztf R2 rarr R fuumlggveacutenyreint
T
f -et akarjuk kiszaacutemiacutetani helyettesiacuteteacutessel ittT = [a1 b1]times [a2 b2]
Legyen ag fuumlggveacutenyuumlnkg [α1 β1]times [α2 β2] rarr T bijekcioacuteEloszoumlr specg fuumlggveacutenyreg(t1 t2) = (g1(t1) g2(t2))Ez azeacutert speciaacutelis mertg1 g2 csak egyfeacutelet-tol fuumlgg
int
T
f =
b1int
a1
b2int
a2
f(x y)dy
dx
A zaacuteroacutejelben leacutevo valamix fuumlggveacutenye (hiszeny szerint kiintegraacuteltukattoacutel maacuter nem fuumlgg)Mosty helyeacutere behelyettesiacutetjuumlk ag2(t2)-t
int
T
f =
b1int
a1
β2int
α2
f(x g2(t2))|gprime2(t2)|dt2
dx
y helyettg1(t1)
int
T
f =
β1int
α1
β2int
α2
f(g1(t1) g2(t2))︸ ︷︷ ︸
f(g(t))
|gprime2(t2)|dt2
|gprime1(t1)|dt1
Mi is a gprime(t) =
(gprime1(t1) 0
0 gprime2(t2)
)
Ez oumlsszesiacutetve int
R
(f g) middot | det gprime|
Ahol R = [α1 β1]times [α2 β2]Ez a levezeteacutes keacutet iraacutenyban is aacuteltalaacutenosiacutethatoacute
bull g(t1 t2) = (g1(t1 t2) g2(t1 t2))
bull aT lehet maacutes tartomaacuteny nem csak teacuteglalap
Ezeket nem vezetjuumlk le
Teacutetel
LegyenD sub R2 f D rarr R folytonosLegyenR sub R teacuteglalapg R rarr D bijekcioacuteEkkor igaz hogy
int
D
f =int
R
(f g) middot | det gprime|
Ez az integraacuteltranszformaacutecioacute keacutepleteMegjEz a keacutepletn dimenzioacuteban is iacutegy van
Peacutelda
0 r0
2π
D = (x y) isin R2 x2 + y2 le 4 (koumlrlap)f(x y) = x2 + y2
Kell egyR teacuteglalap eacutes egyg R rarr D bijPolaacuterkoordinaacuteta-gyanuacutes
r isin [0 2]ϕ = [0 2π]1
1itt [0 2π) eacutesr = (0 2] kellene
1
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
x = r middot cosϕy = r middot sinϕ
g(r ϕ) =
(cos(ϕ) minusr sinϕsinϕ r cosϕ
)
det gprime(r ϕ) = r middot 1int
D
f =
int
[02]times[02π)
(r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕ)︸ ︷︷ ︸
fg
middotrdrdϕ =
2int
0
2πint
0
r3dϕdr =
2int
0
2πr3dr = 2π[r4
4]20 = 2π middot 4 = 8π
Maacutesodik peacutelda
minus30
60
A kuumllso sugaacuter 2 a belso 1f( xyradic
(x2+y2))
int
D
f =
R = [1 2]︸︷︷︸
r
times [minusπ
6+
π
3]
︸ ︷︷ ︸
ϕ
g(r ϕ) = (r middot cosϕ r middot sinϕ)int
D
f =
2int
1
+π
3int
minusπ
6
r2 cosϕ sinϕradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdϕdr =
=
2int
1
+π
3int
minusπ
6
= r21
2sin(2ϕ)dϕdr =
=
2int
1
r2
2
[
minuscos(2ϕ)
2
]+π
3
minusπ
6
dr =
=
2int
1
r2
4(1
2minus (minus1
2))dr =
1
4[r3
3]21 =
7
12
Az eddigi keacutet peacutelda a polaacutertranszformaacutecioacutet hasznaacuteltaMost joumln a 3D peacutelda Elso a hengerkoordinaacutetaacutekD = (x y z) isin R3 x2 + y2 le 1z isin [0 2]f(x y z) = zradic
x2+y2
Kell egyg R rarr D helyettesiacuteto fuumlggveacutenyg(x y z) = (r cosϕ r sinϕ z)
R = [0 1]︸︷︷︸
r
times [0 2π]︸ ︷︷ ︸
ϕ
times [0 2]︸︷︷︸
z
gprime(x y z)
cosϕ minusr sinϕ 0sinϕ r cosϕ 00 0 1
det gprime = r
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
zradic
r2 cos2 ϕ+ r2 sin2 ϕrdzdϕdr =
int
D
f =
1int
0
2πint
0
2int
0
z
dzdϕdr = [
z2
2]20 =
1int
0
2πint
0
2dϕdr =
1int
0
4πdr = 4π
goumlmb teacuterfogata
Itt haacuterom dimenzioacutes polaacuterkoordinaacutetaacutekat kell hasznaacutelniD = (x y z) isin R3 x2 + y2 + z2 le R2f(x y z) = 1Az R sugaruacute houmlmb teacuterfogataVg =
int
D
1
Kell egyg fuumlggveacutenyz = r middot cosϑx = r middot sinϑ middot cosϕy = r middot sinϑ middot sinϕ
g(r ϕ ϑ) = (r middot sinϑ middot cosϕ r cot sinϑ middot sinϕ r middot cosϑ)
gprime(r ϕ ϑ) =
cosϕ sinϑ minusr middot sinϕ sinϑ r middot cosϕ cosϑsinϕ sinϑ r middot cosϕ sinϑ r sinϕ cosϑ
cosϑ 0 minusr middot sinϑ
det gprime = minus(r2 middot sinϑ)| det gprime| = (r2 middot sinϑ)
Vg =
int
D
1 =
Rint
0
πint
0
2πint
0
1 middot r2 middot sinϑdϑdϕdr =
=
Rint
0
πint
0
r2 middot [sinϑ]2π0 dϕdr = 2
Rint
0
πint
0
r2dϕdr =
2
Rint
0
2πr2dr = 4π[r3
r]R0 = 4π
R3
3
2
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
Kalkulus II
Balog Daacuteniel
20100504
Feluumlletek
Emleacutekezteto goumlrbeacutekA goumlrbe egyr [a b] rarr R
nt isin [a b] lekeacutepezeacutesu alakzat
a
b
r(t) r(t+ 1)
A goumlrbe hossza
ab
r(t) r(t+ 1)
Az egyenes vonalak oumlsszege egy koumlzeliacuteto oumlsszeg
nsum
i=1
|r(timinusrtiminus1|
Ha eleacuteg suru a felosztaacutes akkor a koumlzeliacutetooumlsszeg tart a hosszaacutehozTeacutetel
l(r)(goumlrbe hossza)=
bint
a
|r(t)|dt
(a felbontaacutes tart az integraacutelaacutes feacutele felbontaacuteshoz)Mi a feluumlletDef Legyen Ω sub R
2 tartomaacuteny (teacuteglalap szokott lenni) EgyΦ Ω rarr R
3 fuumlggveacutenyt feluumlletnek nevezuumlkpl
Ω = [0 1]︸︷︷︸
u
times [0 1]︸︷︷︸
v
01
1
0 1
1Φ
Pontokat keacutepezuumlnk le(dehogy mi a geacutep ) Ha eleacuteg suruen vannak apontok akkor feluumlletnek laacutetjukMatematikai eacutertelemben az oumlsszes pontot (xi minus ximinus 1 lt ε-szerumegoldaacutes) kell venniMegjegyzeacutes A goumlrbe eacutes a feluumllet doumlbbdimenzioacutes aacuteltalaacutenosiacutetaacutesa asokasaacuteg(mainfold)plGoumlmbfeluumllet
ϑ isin [0 π]
ϕ isin [0 2π]1
u = ϑ
v = ϕ
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
A lilaacuteval jeloumllt szakasz hossza azRa saacutergaacuteval jeloumllt szoumlg (a z tangely-tol valoacute elteacutereacutes) a ϑ eacutes a zoumllddel je-loumllt (az x tegelytol valoacute elteacutereacutes) aϕHa maacuter uacutegyis megvan a feluumllet egy teacuteg-lalapban eacutes az hogy ebbol hogy leszgoumlmb akkor eacuterdemes a felsziacutent megmon-dani
Felsziacuten megadaacutesa(nagyjaacuteboacutel)
bb
b
Φ(u v)Φ(∆u+ u v)
Φ(u∆v + v)LegyenΩ-nak felosztaacutesa(raacutecsozaacutes)
Egy kis feluumlletdarab koumlzeliacuteto nagysaacutegaacutetkell definiaacutelni Az eacuterintosiacutekon egy para-lelogramma teruumlleteacutevel lehet koumlzeliacuteteni
partuΦ(u v) middot∆u partvΦ(u v) middot∆v isin R3
A paralelogramma teruumllete a ketto vektoriaacutelis szorzataacutenak abszolulteacuterteacuteke
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
σ a felsziacuten koumlzeliacuteto oumlsszege
sumsum
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|∆u∆v
10 = 2π
1
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
(bunkoacute autoacuteskeacutent nem indexeluumlnk )Teacutetel Legyen egyΦ Ω rarr R
3 feluumllet differenciaacutelhatoacute Ennek felsziacutene
S =
int
Ω
|partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plGoumlmbfelsziacuten kiszaacutemiacutetaacutes
Ω = [0 π]times [0 2π]
Φ(u v) =
R middot sinu middot cos vR middot sinu middot sin v
R middot cosu
partuΦ =
R middot cosu middot cos vR middot cosu middot sin vminusR middot sinu
partv =
minusR middot sinu middot sin vR middot sinu middot cos v
0
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
R cosu cos v R cosu sin v minusR sinuminusR sinu sin v R sinu cos v 0
∣∣∣∣∣∣
R2 middot sin2 u middot cos vR2 middot sin2 u middot sin v
R2 middot sinu cos2 v +R2 sinu cosu sin2 v︸ ︷︷ ︸
R2 sinu cosu
Ennek a hossza
R2 sinu(sin2 u cos2 v + sin2 u sin2 v︸ ︷︷ ︸
sin2 u
+cos2 u
︸ ︷︷ ︸
1
)1
2 = R2 sinu
s =
πint
0
2πint
0
R2 sinudvdu = 2πR2
πint
0
sinudu = 4R2π
Felsziacutenintegraacutel (skalaacuter eacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)
LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R3 differenciaacutelhatoacute feluumllet
LegyenU R3 rarr R folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelni akarjuk az
int
Φ
U
Kelleneσ eacutes Definiciacuteoacute de egyik sincs veacutegigvezetveTeacutetel
int
Φ
U =
int
Ω
U(Φ(u v)) middot |partuΦ(u v)times partvΦ(u v)|dudv
plΩ = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
U(x y z) = x+ y + zint
Φ
U =
Kiszaacutemiacutetaacutes a teacutetellel
partuΦ ==
111
partvΦ =
1minus10
partuΦtimes partvΦ =
∣∣∣∣∣∣
i j k
1 1 11 minus1 0
∣∣∣∣∣∣
=
11minus2
|partuΦtimes partvΦ| =radic1 + 1 + 4 =
radic6
int
Phi
U =
1int
0
1int
0
(u+ v + uminus v + u)︸ ︷︷ ︸
U(Φ(uv))
middotradic6dudv
= 3 middotradic
(6)
1int
0
1int
0
udu
dv =3radic6
2
Mi van a vektorokkalFeluumlleti integraacutel (vektoreacuterteacuteku fuumlggveacuteny integraacutelja feluumlleten)LegyenΩ sub R2Φ ω rarr R
3 differenciaacutelhatoacute feluumlletLegyenF R3 rarr R
3 folytonos fuumlggveacutenyDefiniaacutelandoacute
int
Φ
Kelleneσ Definiacutecioacute de ezek ismeacutet kimaradnakTeacutetel
int
Φ
F =
int
Ω
〈F (Φ(u v) partuΦ(u v)times partvΦ(u v)〉 dudv
Ω = [0 1]times [0 1]
Φ(u v) =
u+ v
uminus v
u
F =
y
x
z
int
Φ
F =partuΦtimes partvΦ =
11minus2
int
Ω
F =
1int
0
1int
0
lang
u+ v
uminus v
u
11minus2
rang
dudv
1int
0
1int
0
((((((((((
(uminus v + u+ v minus 2u)︸ ︷︷ ︸
0
dudv
2
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3
nabla div grad rot
nabla
nabla =
partxpartypartz
Haf R3 rarr R
nablaf =
partxf
partyf
partzf
= gradf
A grad f azf parciaacutelis derivaacuteltjaiboacutel keacutepezett vektorHaf R3 rarr R
3
lt nabla f gt= partxf1 + partyf2 + partzf3 = div f
f = (f1 f2 f3) fi R3 rarr R
f prime
jakobi =
part1f1 part1f2 part1f3part2f1 part2f2 part2f3part3f1 part3f2 part3f3
nablatimes f = rot f
- ∣∣∣∣∣∣
i k k
partx party partzf1 f2 f3
∣∣∣∣∣∣
=
partyf3minuspartzf2partzf1minuspartxf3partxf2minuspartyf1
= rot f
Haacutezinakrot(gradf) = 0 forallf
∆div(grad f) = part21f + part2
2f + part23f
Eacuterdemes megneacutezni az Integraacutelaacutetalakiacutetoacute teacuteteleketGauss-teacutetel eacutes Stokes teacutetel
3