Vorlesung: Analysis II für Ingenieure. Wintersemester 09/10. Michael Karow. Themen: Taylor-Entwicklung und lokale Extrema

Ähnliche Dokumente
Rückblick auf die letzte Vorlesung. Bemerkung

Vorlesung: Analysis II für Ingenieure. Wintersemester 07/08. Michael Karow. Themen: Niveaumengen und Gradient

Extremwerte von Funktionen mehrerer reeller Variabler

40 Lokale Extrema und Taylor-Formel

5.10. Mehrdimensionale Extrema und Sattelpunkte

8 Extremwerte reellwertiger Funktionen

Prof. Dr. H. Brenner Osnabrück SS Analysis II. Vorlesung 50. Hinreichende Kriterien für lokale Extrema

f f(x ɛξ) f(x) 0, d.h. f (x)ξ = 0 für alle ξ B 1 (0). Also f (x) = 0. In Koordinaten bedeutet dies gerade, dass in Extremstellen gilt: f(x) = 0.

Extrema von Funktionen mit zwei Variablen

Lösungen zu Mathematik I/II

f(x) f(x 0 ) lokales Maximum x U : gilt, so heißt x 0 isoliertes lokales Minimum lokales Minimum Ferner nennen wir x 0 Extremum.

Wirtschaftsmathematik für International Management (BA) und Betriebswirtschaft (BA)

Mathematische Behandlung der Natur- und Wirtschaftswissenschaften I. f(x) := e x + x.

18.2 Implizit definierte Funktionen

Musterlösung zu den Übungen zur Vorlesung Mathematik für Physiker II. x 2

Multivariate Analysis

Lineare Algebra und analytische Geometrie II

C. Eicher Analysis Study Center ETH Zürich HS Extremwerte

Mathematik 2 für Wirtschaftsinformatik

Partielle Ableitungen, Gradient, Lineare Näherung, Extrema, Fehlerfortpflanzung

Karlsruher Institut für Technologie Institut für Analysis Dr. Andreas Müller-Rettkowski Dr. Vu Hoang. Sommersemester

Übung 22: Gradient und Richtungsableitung; Extremwertaufgaben für Funktionen mehrerer Veränderlicher

Anwendungen der Differentialrechnung

Tutorium Mathematik II, M Lösungen

4.7 Der Taylorsche Satz

Aufgabenkomplex 5: Hauptachsentransformation, Lineare Optimierung, Differentialrechnung in mehreren Veränderlichen

Mathematik 1 für Wirtschaftsinformatik

Optimierung für Wirtschaftsinformatiker: Analytische Optimierung ohne Nebenbedingungen

Quadratische Formen und Definitheit

26. Höhere Ableitungen

Differential- und Integralrechnung

Analysis II. Vorlesung 48. Die Hesse-Form

16. FUNKTIONEN VON MEHREREN VARIABLEN

Funktionen mehrerer Variabler

Klausur zu Analysis II - Lösungen

Musterlösung. TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Fakultät für Mathematik. Klausur Mathematik für Physiker 3 (Analysis 2) I... II...

Kurvendiskussion für Funktionen mit einer Variablen

Technische Universität München Zentrum Mathematik. Übungsblatt 12

Outline. 1 Funktionen von mehreren Veränderlichen. 2 Grenzwert und Stetigkeit. 3 Partielle Ableitungen. 4 Die verallgemeinerte Kettenregel

Mathematik 3 für Informatik

Technische Universität Berlin Fakultät II Institut für Mathematik SS 13 G. Bärwolff, C. Mehl, G. Penn-Karras

Folgerungen aus dem Auflösungsatz

Analysis II WS 11/12 Serie 9 Musterlösung

Taylor-Entwicklung der Exponentialfunktion.

Der Begriff der konvexen Menge ist bereits aus Definition 1.4, Teil I, bekannt.

PRÜFUNG AUS ANALYSIS F. INF.

28 Taylor-Formel, lokale Extrema

10.6. Implizite ebene Kurven und Tangenten

9 Optimierung mehrdimensionaler reeller Funktionen f : R n R

3 Optimierung mehrdimensionaler Funktionen f : R n R

Extrema (Funktionen mit zwei Variablen)

18 Höhere Ableitungen und Taylorformel

Kapitel 16 : Differentialrechnung

Kritischer Punkt. Kritischer Punkt 1-1

Analysis II. Vorlesung 48. Die Hesse-Form

11 Untermannigfaltigkeiten des R n und lokale Extrema mit Nebenbedingungen

Übungen zur Ingenieur-Mathematik III WS 2009/10 Blatt

Mathematik II für Studierende der Informatik. Wirtschaftsinformatik (Analysis und lineare Algebra) im Sommersemester 2016

Abb lokales Maximum und Minimum

1.6 Implizite Funktionen

Da der Nenner immer positiv ist, folgt. g (x) > 0 2x(2 x) > 0 0 < x < 2 g (x) < 0 2x(2 x) < 0 x < 0 oder x > 2

INGENIEURMATHEMATIK. 9. Differentialrechnung für Funktionen mehrerer Variablen. Sommersemester Prof. Dr. Gunar Matthies

3 Anwendungen der Differentialrechnung. (x 1, x 2,..., x n 1, x n ) f xn (x 1, x 2,..., x n 1, x n ), 1 i n 1. y + cos z

Funktionen mehrerer Variabler

Grundlagen Kondition Demo. Numerisches Rechnen. (für Informatiker) M. Grepl P. Esser & G. Welper & L. Zhang

Mikroökonomik Prof. Dr. Stefan Klonner SoSe Übungsblatt 1

Thema 12 Differentialrechnung, Partielle Ableitungen, Differenzierbarkeit, Taylor-Formel, Lokale Extrema

Elemente der Analysis II

Technische Universität München Zentrum Mathematik. Übungsblatt 4

2004, x 0 (e 2x + x) x 1, x > 0. Untersuchen Sie die Funktion auf Stetigkeit an der Stelle x 0 = 0!

Ein Buch. Für Anwendungen des Stoffs in den Wirtschaftswissenschaften: Knut Sydsæter, Peter Hemmond: Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler

Übungen zur Analysis II Blatt 27 - Lösungen

B Lösungen. Aufgabe 1 (Begriffe zur Differenziation) Sei (x, y) R 2 Berechnen Sie zur Abbildung. f(x, y) := x sin(xy) f : R 2 R,

Prüfung zur Vorlesung Mathematik I/II

NEXTLEVEL im WiSe 2011/12

ÜBUNGSBLATT 11 LÖSUNGEN MAT121/MAT131 ANALYSIS II FRÜHJAHRSSEMESTER 2011 PROF. DR. CAMILLO DE LELLIS

LUDWIG-MAXIMILIANS-UNIVERSITÄT MÜNCHEN. 13. Übung/Lösung Mathematik für Studierende der Biologie

Musterlösungen Aufgabenblatt 2

Optimieren unter Nebenbedingungen

27 Taylor-Formel und Taylor-Entwicklungen

Klausur zur Mathematik für Maschinentechniker

Differentialrechnung in mehreren Veränderlichen

(a) Zunächst benötigen wir zwei Richtungsvektoren der Ebene E; diese sind zum Beispiel gegeben durch die Vektoren

2 Stetigkeit und Differenzierbarkeit

Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler II (Analysis) 2. Klausur Sommersemester

Extrema mit Nebenbedingungen

Optimierung für Nichtmathematiker

Höhere Mathematik für Physiker II

Zusammenfassung Mathematik 2012 Claudia Fabricius

42 Lokale Extrema mit Nebenbedingungen

Mathematische Methoden der VWL

Numerische Ableitung

Musterlösung. Aufgabe 1 a) Die Aussage ist falsch. Ein Gegenbeispiel ist die Funktion f : [0, 1] R, die folgendermaßen definiert ist:

Mathematik 2, SS 2015 Prof. F. Brock Zusammenfassung. Permutationen, Inversionen. Explizite Formel für die Determinante einer n n-

Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler Kapitel 4-6. Universität Trier Wintersemester 2013 / 2014

Klausurenkurs zum Staatsexamen (SS 2016): Differential und Integralrechnung 7

Dualitätssätze der linearen Optimierung

Gradient, Hessematrix, Definitheit, Taylorentwicklung und Extremwertaufgaben von Funktionen mehrerer Variabler

Thema14 Der Satz über inverse Funktionen und der Satz über implizite Funktionen

HTWD, FB Informatik/Mathematik Prof. Dr. M. Voigt. Mathematik II für Bauingenieure. (f) 4 sin x cos 5 x dx. 3 x e x2 dx (i) e 2x 1 dx.

Transkript:

Vorlesung: Analysis II für Ingenieure Wintersemester 09/10 Michael Karow Themen: Taylor-Entwicklung und lokale Extrema

Motivierendes Beispiel: die Funktion f(x, y) = x(x 1) 2 2 y 2.

Dieselbe Funktion von oben betrachtet mit Gradientenfeld

Nullstellen des Gradientenfeldes An der linken Nullstelle hat f ein lokales Maximum, an der rechten einen Sattelpunkt. Frage: Wie kann man das rechnerisch herausfinden? Antwort: durch Taylorentwicklung.

Taylor-Entwicklung für eine Funktion von einer Variablen. Sei I ein Intervall und f : I R an der Stelle x m-mal diff bar. Dann gilt für x + x I, wobei f(x + x) = f(x) + lim x 0 m k=1 f (k) (x) ( x) k + R m ( x), k! R m ( x) ( x) m = 0. Falls f in einer Umgebung von x sogar (m + 1)-mal stetig differenzierbar ist, hat man die Restglieddarstellung R m ( x) = f(m+1) (x + t x) (m + 1)! ( x) m+1 für ein t ]0,1[, das von x abhängt.

Taylor-Entwicklungen bis zur dritten Ordnung Sei f : I R an der Stelle x mindestens 3-mal diff bar. Dann hat man f(x + x) = f(x) + f (x) x + R 1 ( x) = f(x) + f (x) x + 1 2 f (x)( x) 2 + R 2 ( x) = f(x) + f (x) x + 1 2 f (x)( x) 2 + 1 6 f (x)( x) 3 + R 3 ( x) mit R 1 ( x) lim x 0 x = 0, R 1 ( x) = 1 2 f (x + t x)( x) 2, t ]0,1[ R 2 ( x) lim x 0 ( x) = 0, R 2( x) = 1 2 6 f (x + t x)( x) 3, t ]0,1[ R 3 ( x) lim x 0 ( x) = 0. 3

Anwendung: Berechnung einer Näherung für 103 mittels Taylor-Entwicklung. Sei f(x) = x, x = 100. Dann f (x) = 1 2 x, f (x) = 1 4 x 3 und 100 + x = f(x + x) = f(x) + f (x) x + R 1 ( x) = 10 + 1 20 x + R 1( x) mit R 1 ( x) = 1 2 f (x + t x)( x) 2 = 1 ( ) 1 2 4 ( x) 2 100 + t x 3 Für x > 0 ist R 1 ( x) R 1 (0) = ( x)2 8000 Für x = 3 bekommt man so 3 103 = 10 + 20 }{{} =10.15 103 auf 16 Stellen genau: 10.14889156509222 +R 1 (3), R 1 (3) 9 8000 = 0.001125.

Lokale Extrema im 1-dimensionalen Fall f glob.min. lok.max. lok.min. lok.max. lok.min. glob.max Eine diff bare Funktion f : [a, b] R mit lokalen Extrema im inneren des Definitionsbereichs und globalen Extrema am Rand.

Aus Analysis I bekannt: Sei x ein innerer Punkt des Intervalls I und sei f : I R differenzierbar an der Stelle x. Dann gelten folgende Aussgen. 1. Wenn f an der Stelle x ein lokales Minimum oder ein lokales Maximum hat, dann ist f (x) = 0. 2. Wenn f (x) = 0 und f (x) > 0, dann hat f an der Stelle x ein lokales Minimum. 3. Wenn f (x) = 0 und f (x) < 0, dann hat f an der Stelle x ein lokales Maximum. Diese Aussagen werden auf den folgenden Seite mittels Taylor-Entwicklung bewiesen.

Taylor-Entwicklung bis zur 1. Ordnung: f(x + x) = f(x) + f (x) x + R 1 ( x) Angenommen, f (x) > 0. Wegen lim x 0 R 1 ( x) x = 0 hat man R 1( x) x < f (x), wenn x hinreichend klein ist. Für solche x folgt R 1 ( x) < f (x) x Konsequenz: f (x) x und f (x) x + R 1 ( x) haben dasselbe Vorzeichen. Somit f(x + x) = f(x) + f (x) x + R 1 ( x) Also hat f kein lokales Extremum an der Stelle x. Analog argumentiert man, wenn f (x) < 0. { > f(x) wenn x > 0 < f(x) wenn x < 0. Fazit: Damit f an der Stelle x ein lokales Extremum haben kann, muss f (x) = 0 sein.

Taylor-Entwicklung bis zur 2. Ordnung: f(x + x) = f(x) + f (x) x + 1 2 f (x)( x) 2 + R 2 ( x) Angenommen, f (x) = 0, f (x) > 0. Wegen lim x 0 R 2 ( x) ( x) 2 = 0 hat man R 2( x) ( x) 2 < 1 2 f (x), wenn x hinreichend klein ist. Für solche x folgt Konsequenz: R 2 ( x) < 1 2 f (x)( x) 2 1 2 f (x)( x) 2 und 1 2 f (x)( x) 2 + R 2 ( x) haben dasselbe Vorzeichen. Somit f(x + x) = f(x) + 1 2 f (x)( x) 2 + R 2 ( x) > f(x) wenn x 0. Also hat f ein lokales Minimum an der Stelle x. Fazit: Wenn f (x) = 0, f (x) > 0, dann hat f an der Stelle x ein lokales Minimum.

Der n-dimensionale Fall (Wir betrachten hier aus didaktischen Gründen n = 2)

Höhere partielle Ableitungen Beispiel: 2 f x y (x, y) := x f (x, y) y Man leitet die partielle Ableitung nach y einfach noch einmal nach x ab. Satz von Schwarz (Vertauschbarkeit der Ableitungsreihenfolge) : Wenn f x (x, y) und 2 f 2 f y x (x, y) und es ist x y (x, y) existieren und stetig sind, dann existiert auch 2 f y x (x, y) = 2 f (x, y). x y

Taylor-Entwicklung für eine Funktion von 2 Variablen wobei m 1 f(x + x, y + y) = f(x, y) + k! P k( x, y) k=1 }{{} Taylorpolynom + R m ( x, y), P k ( x, y) = Summe über alle Produkte der Form k f u 1 u 2... u k (x, y) }{{} partielle Ableitung ( u 1 )( u 2 )...( u k ) }{{} k Faktoren und wobei u j = x oder u j = y. lim ( x, y) (0,0) R m ( x, y) ( ( x) 2 + ( y) 2 ) m = 0 Bemerkung: ( x) 2 + ( y) 2 ist die Länge des Vektors ( x, y).

Beispiel: der Summand P 3 des Taylor-Polynoms P 3 ( x, y) = 3 f (x, y)( x)( x)( x) + 3 x x x f (x, y)( y)( y)( y) y y y + 3 f (x, y)( y)( x)( x) + 3 y x x + 3 f (x, y)( x)( y)( x) + 3 x y x + 3 f (x, y)( x)( x)( y) + 3 x x y f (x, y)( x)( y)( y) x y y f (x, y)( y)( x)( y) y x y f (x, y)( y)( y)( x) y y x Einige Terme haben denselben Wert (Satz von Schwarz). Man kann P 3 deshalb kürzer schreiben: P 3 ( x, y) = 3 f x 3(x, y)( x)3 + 3 f (x, y)( y)3 y3 = 3 3 f ( x) 2 y (x, y)( x)2 ( y) + 3 3 f x ( y) 2(x, y)( x)( y)2. Zur Beruhigung: Es kommt in der Praxis selten vor, dass man Taylor-Entwicklung bis zu 3. Ordnung machen muss.

Die Summanden P 1 und P 2 P 1 ( x, y) = f f (x, y) x + (x, y) y. x y P 2 ( x, y) = 2 f x x (x, y)( x)( x) + 2 f (x, y)( y)( y) y y + 2 f x y (x, y)( x)( y) + 2 f (x, y)( y)( x) y x = 2 f x 2(x, y)( x)2 + 2 f y 2(x, y)( y)2 + 2 2 f (x, y)( x)( y). x y

Der Summand P 1 in Vektorschreibweise P 1 ( x, y) = f f (x, y) x + (x, y) y x y = f x f y (x, y) x (x, y) y = f(x, y) x y Skalarprodukt Der Summand P 1 ist nicht anderes als das Differential von f an der Stelle (x, y).

Der Summand P 2 in Matrix-Vektorschreibweise P 2 ( x, y) = 2 f x 2(x, y)( x)2 + 2 f (x, y)( y)( x) y x + 2 f x y (x, y)( x)( y) + 2 f y)( y)2 y2(x, = x y 2 f x2(x, y) 2 f x y (x, y) 2 f y x (x, y) 2 f y2(x, y) }{{} (Hess f)(x,y) x y Die Matrix der zweiten partiellen Ableitungen heisst Hesse-Matrix.

Taylor-Entwicklung bis zur zweiten Ordnung für eine Funktion von 2 Variablen f(x + x, y + y) = f(x, y) + P 1 ( x, y) + 1 2 P 2( x, y) + R 2 ( x, y) = f(x, y) + f(x, y) [ ] x + 1 y 2 [ ] x (Hess f)(x, y) y [ ] x y + R 2 ( x, y)

Lokale Extrema Wie im 1-dimensionalen Fall argumentiert man: Wenn f an der Stelle (x, y) ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum hat, dann müssen an der Stelle (x, y) alle partiellen Ableitungen 1. Ordnung 0 sein. Notwendige Bedingung für ein lokales Extremum ist also ( f)(x, y) = (0,0) ( ) Terminologie: Wenn die Bedingung ( ) erfüllt ist, dann nennt man (x, y) einen kritischen Punkt.

Lokale Extrema II Angenommen, die notwendige Bedingung ( f)(x, y) = (0, 0) ist erfüllt. Dann sieht die Taylor-Entwicklung so aus: f(x + x, y + y) = f(x, y) + 1 2 [ ] [ ] x x (Hess f)(x, y) y y }{{} =P 2 ( x, y) + R 2 ( x, y) Es gilt: Wenn P 2 ( x, y) 0 und ( x, y) hinreichend klein, dann ist R 2 ( x, y) << P 2 ( x, y) Unter dieser Voraussetzung folgt: f(x + x, y + y) > f(x, y) P 2 ( x, y) > 0 f(x + x, y + y) < f(x, y) P 2 ( x, y) < 0

Zitat von der vorherigen Seite: Wenn f(x, y) = (0,0) und ( x, y) hinreichend klein, dann gilt f(x + x, y + y) > f(x, y) P 2 ( x, y) > 0, f(x + x, y + y) < f(x, y) P 2 ( x, y) < 0. Folgerungen: 1. Wenn P 2 ( x, y) > 0 für alle ( x, y) (0,0), dann hat f an der Stelle (x, y) ein lokales Minimum. 2. Wenn P 2 ( x, y) < 0 für alle ( x, y) (0,0), dann hat f an der Stelle (x, y) ein lokales Maximum. 3. Wenn P 2 ( x, y) < 0 für einige ( x, y) und P 2 ( x, y) > 0 für einige ( x, y), dann hat f an der Stelle (x, y) weder ein lok. Maximum noch ein lok. Minimum, sondern einen Sattelpunkt. Terminologie: Im 1. Fall nennt man P 2 und ebenso die zugehörige Hesse-Matrix positiv definit. Im 2. Fall nennt man P 2 und ebenso die zugehörige Hesse-Matrix negativ definit. Im 3. Fall nennt man P 2 und ebenso die zugehörige Hesse-Matrix indefinit. Frage: Wie prüft man Definitheit? (Antwort auf der nächsten Seite)

Allgem. Definitheitsdefinition und Definitheitstest für 2 2-Matrizen Allgemeine Definitheitsdefinition: Eine symmetrische Matrix A R n n heisst 1. positiv definit, wenn x A x > 0 für alle x 0, 2. negativ definit, wenn x A x < 0 für alle x 0, 3. indefinit, wenn x A x < 0 für einige x und x A x > 0 für einige x. Bemerkung: Es gibt noch die semidefiniten Fälle. Siehe lineare Algebra. Definitheitstest im 2 2-Fall: Die symmetrische Matrix A = [ ] a b b c R 2 2 ist 1. positiv definit, wenn det(a) > 0 und a > 0, 2. negativ definit, wenn det(a) > 0 und a < 0, 3. indefinit, wenn det(a) < 0. Wenn det(a) = 0, dann ist A semidefinit. Der Grund, warum wir den semidefiniten Fall nicht näher betrachten, ist folgender: Wenn die Hesse-Matrix Hess f(x, y) nur semidefinit ist, dann hat man keine Aussage über lokale Maxima/Minima. Man muss dann höhere Ableitungen betrachten

Einfaches Rechenbeispiel Sei f(x, y) = x(x 1) 2 2 y 2 + 8 (Beispielfunktion aus der Einleitung). Dann f (x, y) [ ] [ ] x f(x, y) = (x 1)(3x 1) 3 x = = 2 4 x + 1 (x, y) 4 y 4 y f y (Hess f)(x, y) = 2 f x 2 (x, y) 2 f y x (x, y) 2 f x y (x, y) 2 f y 2 (x, y) = [ 6x 4 0 0 4 ] Nullstellen des Gradienten (=kritische Punkte, Kandidaten für ein lokales Extremum): f(x, y) (x, y) = ( 1,0) oder (x, y) = (1,0) 3 Einsetzen dieser Punkte in die Hesse-Matrix: (Hess f)( 1 [ ] 2 0 3,0) = 0 4 }{{} negativ definit (Hess f)(1,0) = [ ] 2 0 0 4 }{{} indefinit f hat ein lok. Maximum an der Stelle ( 1,0) und einen Sattelpunkt an der Stelle (1,0). 3