\documentclass[margin=0px]{article} \usepackage{listings} \usepackage[utf8]{inputenc} \usepackage{graphicx} \usepackage{float} \usepackage[a4paper, margin=0.7in]{geometry} \usepackage{subcaption} \usepackage{amsthm} \usepackage{amssymb} \usepackage{amsmath} \usepackage{fancyhdr} \usepackage{setspace} \onehalfspacing \renewcommand{\figurename}{ábra} \newenvironment{tetel}[1]{\paragraph{#1 \\}}{} \newcommand{\R}{\mathbb{R}} \pagestyle{fancy} \lhead{\it{PTI BSc Záróvizsga tételek}} \rhead{2. Differenciál- és integrálszámítás} \title{\textbf{{\Large ELTE IK - Programtervező Informatikus BSc} \vspace{0.2cm} \\ {\huge Záróvizsga tételek}} \vspace{0.3cm} \\ 2. Differenciál- és integrálszámítás} \author{} \date{} \begin{document} \maketitle \begin{tetel}{Differenciál- és integrálszámítás} Függvények deriválhatósága. Parciális derivált, totális derivált. Gradiens, Jacobi-mátrix. Függvényvizsgálat, szélsőérték. Riemann-integrál, parciális integrálás, integrálás helyettesítéssel. Newton-Leibniz-formula. \end{tetel} \section{Függvények deriválhatósága} \begin{description} \item[Differenciálhatóság] \hfill \\ $ 1 \leq n, m \in \mathbb{N}, \quad 1 \leq p,q \leq +\infty,$ $ (\R^n, \lVert . \rVert_p)$ és $ (\R^m, \lVert . \rVert_q)$ normált terek $ f \in \R^n \rightarrow \R^m, \ a \in intD_f $ Az $f$ függvény differenciálható az $a$ pontban ($ f \in D\{a\}$) , ha\\ létezik olyan $ L \in L(\R^n, \R^m)$ korlátos lineáris leképezés és olyan $ \eta \in \R^n \rightarrow \R^m $ függvény, hogy : \begin{align*} f(a+h)-f(a) = L(h)+\eta(h)\cdot \lVert h\rVert_p \quad ( h \in \R^n, a+h \in D_f) \end{align*} ahol \begin{align*} \eta(h) \longrightarrow 0 \quad (\lVert h\rVert_p \rightarrow 0) \end{align*} Más szóval: \[ \dfrac{f(a+h)-f(a)-L(h)}{\lVert h\rVert_p} \longrightarrow 0 \quad (\lVert h\rVert_p \rightarrow 0)\] \\\\ Amennyiben $\forall a\in intD_f : f \in D\{a\} $, akkor az $f$ differenciálható ($f \in D$) \\\\ \textit{ Megjegyzés:\\ A $ \mathbb{K}$ test feletti $ (X, \lVert.\rVert_\bigstar )$, $ (X, \lVert.\rVert_\heartsuit )$ normált terek közötti folytonos leképezés, korlátos lineáris leképezés, ha \begin{itemize} \item lineáris, azaz \begin{align*} f(x+\lambda y) = f(x) + \lambda f(y) \quad (x,y \in X, \lambda \in \mathbb{K}) \end{align*} \item korlátos, azaz \begin{align*} \exists M \geq 0 : \lVert f(x) \rVert_\heartsuit \leq M\lVert x \rVert_\bigstar \quad (x \in X) \end{align*} \end{itemize} } \item[Derivált] \hfill \\ $f\in\R^n\rightarrow\R^m $ függvény differenciálható egy $a\in intD_f$ pontban \\ $ \Rightarrow \exists! L\in L(\R^n,\R^m)$ korlátos lineáris leképezés Ezt az egyértelműen létező $L \in L(\R^n,\R^m) $ korlátos lineáris leképezést az $f$ függvény $a$ pontbeli deriváltjának nevezzük, és $f'(a)$ szimbólummal jelöljük. \end{description} \section{Parciális derivált, Totális derivált} \subsection{Parciális derivált} \begin{description} \item[Definíció] \hfill \\ Tekintsük a $ h \in \R^n \rightarrow \R $ függvényt és az $a = (a_1, ... , a_n) \in D_h $ vektort. Legyen \begin{align*} D_{h,i}^{(a)} := \{t \in \R : (a_1, ..., a_{i-1}, t, a_{i+1}, ..., a_n) \in D_h\} \quad (i = 1,...,n) \end{align*} És legyen: \begin{align*} h_{a,i} : D_{h,i}^{(a)} \rightarrow \R, \quad \textrm{ melyre: } \quad h_{a,i}(t) := h(a_1, ..., a_{i-1}, t, a_{i+1}, ..., a_n) \quad (t\in D_{h,i}^{(a)} ) \end{align*} A $h_{a,i}$ parciális függvények mind egyváltozós valós függvények ($h_{a,i} \in \R \rightarrow\R $) A $ h $ függvény az $a$-ban $i$-edig változó szerint parciálisan deriválható, ha $ h_{a,i} \in D\{a_i\} $. Ekkor: \begin{align*} \partial_ih(a) := h'_{a,i}(a_i) \end{align*} valós számot a $h$ függvény $a$-beli, $i$-edik változó szerinti parcális deriváltjának nevezzük. \item[Parciális derivált függvény] \hfill \\ Tegyük fel, hogy az előző $h$ függvényre: \begin{align*} D_{h,i} := \{a \in D_h : \textrm{létezik a } \partial_ih(a) \textrm{parciáis derivált}\} \neq \emptyset \qquad (i=1,...,n) \end{align*} Ekkor a \begin{align*} x \mapsto \partial_ih(x) \quad (x\in D_{h,i}) \end{align*} függvényt a $h$ függvény $i$-edik változó szerinti parciális deriváltfüggvényének nevezzük, és a $\partial_ih$ szimbólummal jelöljük. \item[Differenciálhatóság és parciális differenciálhatóság] \hfill \begin{itemize} \item Differenciálhatóság $\Rightarrow$ parciális differenciálhatóság \\ $ 1 \leq n \in \mathbb{N}, \ h \in \R^n \rightarrow \R, $ és $h\in D\{a\} \ (a \in D_h) $ \\ $\Rightarrow \forall i = 1,...,n$ : a $h$ függvény $i$-edik változó szerint parciálisan differenciálható az $a$ pontban, és \begin{align*} \textrm{grad}h(a) = (\partial_1h(a), ..., \partial_nh(a)) \end{align*} \item Differenciálhatóság $\Leftarrow$ parciális differenciálhatóság \\ $ 1 \leq n \in \mathbb{N}, \ h \in \R^n \rightarrow \R, $ és $ a \in intD_h $ \\ Valamilyen $i = 1,...,n$ esetén: \begin{itemize} \item Tetszőleges $ x \in K_r(a) $ ($r > 0$ alkalmas) helyen léteznek a $ \partial_jh(x)$ parciális deriváltak $ (i \neq j = 1,...,n)$ és ezek folytonosak \item $\exists \ \partial_ih(a)$ parciális derivált \end{itemize} $\Rightarrow h\in D(a)$ \end{itemize} \end{description} \subsection{Totális derivált} \rm Az $ f: \R^p \to \R^q $ függvényt {\it (totálisan) differenciálhatónak\,} mondjuk az $a\in D(f)$ pontban, ha létezik egy $ L: \R^p \to \R^q $ lineáris leképezés úgy, hogy $$ \lim_{x\to a}\frac{f(x)-f(a)-L(x-a)}{\|x-a\|}=0. $$ Az $L$ lineáris leképezést az $f$ függvény $a$ pontbeli {\it differenciáljának,} az $L$ leképezés $M_L$ mátrixát pedig $f$ $a$-beli {\it differenciálhányadosának vagy Jacobi-mátrixának\,} nevezzük. Jelölés: $L=Df(a)$, illetve $M_L=f'(a)$. Valós $f$ esetén ($q=1$) az $f'(a)$ Jacobi-mátrix $1\times p$ típusú, azaz $p$ dimenziós sorvektor. Ebben az esetben az $a$ pontbeli Jacobi-mátrix helyett az $a$ pontbeli {\it gradiens {\rm vagy} gradiensvektor\,} elnevezés és az $f'(a)=\operatorname{grad} f(a)$ jelölés is használatos. \section{Jacobi-mátrix, gradiens} \begin{description} \item[Jacobi-mátrix] \hfill \\ Az előzőekben szereplő $L := f'(a) $ korlátos lineáris leképezéshez $ \exists!A\in\R^{m\times n}$ mátrix, melyre: \begin{align*} L(x) = Ax \quad (x\in\R^n) \end{align*} Ezért: $ f'(a) := A $\\ az $f$ függvény $a$-beli deriváltja vagy derivált mátrixa, más néven Jacobi-mátrixa. \item[Gradiens] \hfill \\ $m = 1$ esetén : $ f \in \R^n \rightarrow \R $ \begin{align*} \textrm{grad}f(a) := f'(a) \in \R^{1\times n} \approx \R^n \end{align*} Tehát ebben az esetben az $f'(a)$ Jacobi-mátrix tekinthető egy $\R^n$-beli vektornak, amit az $f$ függvény $a$-beli gradiensének nevezünk. \\\\ Ha $ D := \{a \in D_f : f \in D\{a\} \} $, akkor az \begin{align*} x \mapsto \textrm{grad}f(x) \in \R^n \quad (x \in D) \end{align*} függvényt az $f$ függvény gradiensének nevezzük, és grad$f \in \R^n \rightarrow \R^n$ jelöljük. \item[Gradiens mint Jacobi-mátrix sora] \hfill \\ Legyen $1 \leq n, m \in \mathbb{N}$. Az $f = (f_1, ..., f_m) \in \R^n \rightarrow \R^m$ függvény akkor és csak akkor differenciálható az $ a \in intD_f$ helyen, ha minden $ i = 1, ..., m $ esetén az $f_i \in \R^n \rightarrow \R$ koordináta-függvény differenciálható az $a$-ban. Ha $f \in D\{a\}$, akkor az $f'(a)$ Jacobi-mátrix a következő alakú: \begin{align*} f'(a) = \begin{bmatrix} \textrm{grad}f_{1}(a) \\ \textrm{grad}f_{2}(a) \\ \vdots \\ \textrm{grad}f_{m}(a) \\ \end{bmatrix} \end{align*} \end{description} \section{Szélsőérték, függvényvizsgálat} \subsection{Szélsőérték} $ f \in \R \rightarrow \R, a \in D_f$ \begin{description} \item[Lokális maximum] \hfill \\ $f$-nek $a$-ban lokális maximuma van, ha alkalmas $ r > 0$ mellett: \\ $ f(x) \leq f(a) \qquad (x\in D_f, |x-a| 0$ mellett: \\ $ f(x) \geq f(a) \qquad (x\in D_f, |x-a| 0 ) $ \begin{enumerate} \item $f$ függvénynek $ (-,+) $ jelváltása van, ha \\ $ f(x) \leq 0 \leq f(t), \quad (x,t \in K_r(a), \ x 0 ) $ \begin{enumerate} \item $f'$-nak az $a$-ban $(+,-)$ jelváltása van $\Rightarrow f$-nek $a$-ban lokális maximuma van. \item $f'$-nak az $a$-ban $(-,+)$ jelváltása van $\Rightarrow f$-nek $a$-ban lokális minimuma van. \end{enumerate} \end{description} \subsection{Monotonitás} $ f\in \R \rightarrow \R $ \begin{description} \item[Monoton növekedés] \hfill \\ $ f $ monoton növő ($\nearrow$), ha $\forall x,t \in D_f, \ x < t : f(x) \leq f(t) $. \\ Amennyiben $ f(x) < f(t) $, akkor $f$ szigorúan monoton növő ($\uparrow$). \item[Monoton fogyás (csökkenés)] \hfill \\ $ f $ monoton fogyó ($\searrow$), ha $\forall x,t \in D_f, \ x < t : f(x) \geq f(t) $. \\ Amennyiben $ f(x) > f(t) $, akkor $f$ szigorúan monoton fogyó ($\downarrow$). \item[Derivált és monotonitás kapcsolata] \hfill \\ $ I \subset \R $ nyílt intervallum, $ f:I\rightarrow \R, \ f \in D$\\ $\Rightarrow$ \begin{enumerate} \item $ f \nearrow \ \Leftrightarrow \ f' \geq 0$ \item $ f \searrow \ \Leftrightarrow \ f' \leq 0$ \item $ f \ konstans \ \Leftrightarrow \ \forall x \in I : f'(x) = 0$ \item $ \forall x \in I : f'(x) > 0 \ \Rightarrow \ f \uparrow $ \item $ \forall x \in I : f'(x) < 0 \ \Rightarrow \ f \downarrow $ \end{enumerate} \end{description} \subsection{Alaki viszonyok} \begin{description} \item[Konvexitás, konkávitás] \hfill \\ $ I \subset \R $ intervallum, $ f:I\rightarrow \R $ \begin{itemize} \item $f$ konvex, ha \\ $\forall a,b \in I \quad \forall 0\leq \lambda \leq 1: f(\lambda a+(1-\lambda)b) \leq \lambda f(a) + (1-\lambda)f(b)$ \item $f$ konkáv, ha \\ $\forall a,b \in I \quad \forall 0\leq \lambda \leq 1: f(\lambda a+(1-\lambda)b) \geq \lambda f(a) + (1-\lambda)f(b)$ \end{itemize} \begin{figure}[H] \centering \includegraphics[width=0.6\textwidth]{img/konvex.png} \caption{Konvex függvény} \end{figure} \item[Konvexitás és derivált] \hfill \\ $ I \subset \R $ nyílt intervallum, $f:I\rightarrow \R, \ f \in D $ \begin{itemize} \item $f$ konvex $ \Leftrightarrow f' \nearrow $ \item $f$ konkáv $ \Leftrightarrow f' \searrow $ \end{itemize} \item[Inflexió] \hfill \\ $ f \in \R \rightarrow \R, \ a \in intD_f, \ f \in D\{a\} $: \begin{description} \item[Pontbeli érintő] \hfill \\ $ e_a(x) := f(a) + f'(a)(x-a) \quad (x\in\R)$ \item[Inflexió] \hfill \\ $ f$-nek az $a$-ban inflexiója van, ha az $f - e_a(f) $ az $a$-ban jelet vált. \end{description} \begin{figure}[H] \begin{subfigure}{.33\textwidth} \centering \includegraphics[width=0.7\textwidth]{img/inflexio_x3.png} \caption{$x^3$ függvény inflexiója} \end{subfigure} \begin{subfigure}{.33\textwidth} \centering \includegraphics[width=0.7\textwidth]{img/inflexio_sin.png} \caption{szinusz függvény inflexiója} \end{subfigure} \begin{subfigure}{.33\textwidth} \centering \includegraphics[width=0.7\textwidth]{img/inflexio_x2.png} \caption{$x^2$-nek nincs inflexiója} \end{subfigure} \end{figure} \end{description} \subsection{Többször differenciálható függvények} \begin{description} \item[Második derivált] \hfill \\ $ f \in \R \rightarrow \R, \ a \in intD_f, $ és \\ $ f \in D\{x\} \quad (x \in K_r(a), r>0)$, illetve $f' \in D\{a\}$ \\ Ekkor $f$ az $a$-ban kétszer deriválható és $f''(a) := (f')'(a) $ az $f$ második deriváltja. \item[Differenciálás magasabb rendben] \hfill \\ Hasonlóképpen az előzőhöz:\\ $ f \in \R \rightarrow \R, \ a \in intD_f, $ és \\ $ f \in D^n\{x\} \quad (x \in K_r(a), r>0)$, illetve $f^{(n)} \in D\{a\}, \ (1 \leq n \in \mathbb{N})$ \\ Ekkor $f$ az $a$-ban $(n+1)$-szer deriválható és $f^{(n+1)}(a) := (f^{(n)})'(a) $ az $f \ (n+1)$-edik deriváltja. \item[Másodrendű elégséges feltétel (lokális szélsőérték létezésére)] \hfill \\ $ f \in D^2\{a\}$ függvényre $f'(a) = 0$ és $f''(a) \neq 0 $ \\ $ \Rightarrow f$-nek az $a$-ban szigorú lokális szélsőértéke van. \\ Ha $f''(a) < 0 \Rightarrow $ szigorú lokális maximum. \\ Ha $f''(a) > 0 \Rightarrow $ szigorú lokális minimum. \end{description} \section{Riemann-integrál, parciális integrálás, integrálás helyettesítéssel.} \begin{description} \item[Primitív függvény] \hfill \\ $ I \subset \R $ nyílt intervallum, $ f \in I \rightarrow \R $ \\ Ha $ \exists F:I\rightarrow\R $, hogy $ F \in D $, $F' = f$ \\ akkor $ F $ az $ f $ primitív függvénye. \item[Határozatlan integrál] \hfill \\ Legyen $ \int{f} := \int f(x)dx := \{F:I \rightarrow \R, F \in D $ és $ F' = f \} $ az f határozatlan integrálja. \item[Határozott integrál (Riemann-integrál)] \hfill \\ $ -\infty < a < b < \infty$ $, f:[a,b] \rightarrow \R, f $ korlátos \begin{itemize} \item A $ \tau \subset [a,b] $ felosztása, ha $ \tau $ véges és $ a,b \in \tau $ \\ Ekkor $ \tau = \{x_0, x_1, ..., x_n \} (n \in \mathbb{N}) $, ahol $ a := x_0 < x_1 < ... < x_n := b$ \item $ m_i := m_i(f) := inf\{f(x): x_i \leq x \leq x_{i+1} \} (i = 0..n-1)$, illetve \\ $ M_i := M_i(f) := sup\{f(x): x_i \leq x \leq x_{i+1} \} (i = 0..n-1)$ és: $ s(f, \tau) := \sum\limits_{i=0}^{n-1} m_i(x_{i+1} - x_i) $ - alsó összeg \\ $ S(f, \tau) := \sum\limits_{i=0}^{n-1} M_i(x_{i+1} - x_i) $ - felső összeg \item $ \mathfrak{F} := \{ \tau \subset [a,b] $ felosztás $\}$ \item Az $ \{ s(f, \tau): \tau \in \mathfrak{F} \} $ felülről korlátos és $ \forall \mu \in \mathfrak{F} : S(f, \mu) $ felső korlát, illetve \\ Az $ \{ S(f, \tau): \tau \in \mathfrak{F} \} $ alulról korlátos és $ \forall \mu \in \mathfrak{F} : s(f, \mu) $ alsó korlát \item Tehát legyen: \\ $ I_*(f) := sup\{ s(f,\tau) : \tau \in \mathfrak{F} \}$ - Darboux alsó index, és \\ $ I^*(f) := inf\{ S(f,\tau) : \tau \in \mathfrak{F} \}$ - Darboux felső index \end{itemize} $ \Rightarrow \forall \tau,\mu \in \mathfrak{F} : s(f, \tau) \leq I_*(f) \leq I^*(f) \leq S(f,\mu) $ Az $ f $ függvény Riemann-integrálható ($ f \in R[a,b] $), ha $ I_*(f) = I^*(f) $, ekkor legyen \\ $ \int_{a}^{b}f := \int_{[a,b]}f := \int_{a}^{b}f(x) dx := I_*(f) = I^*(f) $ az $f$ függvény Riemann-integrálja (határozott integrálja). \item[Parciális integrálás] \hfill \begin{itemize} \item Határozatlan esetben \hfill \\ $ I \subset \R $ nyílt intervallum, $ f,g : I \rightarrow \R $, $f,g \in D$ és \\ $ fg'$-nek van primitív függvénye (azaz $ \int fg' \neq \emptyset $)\\ $ \Rightarrow \int f'g \neq \emptyset $ és $ \int f'g = fg - \int fg' $ \item Határozott esetben \hfill \\ $ f,g \in D[a,b] \\ f'g, f g' \in R[a,b] $ \\ $ \Rightarrow \int_a^b f'g = f(b)g(b) - f(a)g(a) - \int_a^b fg'$ \end{itemize} \item[Integrálás helyettesítéssel] \hfill \begin{itemize} \item Határozatlan esetben \hfill \\ $ I,J \subset \R $ nyílt intervallumok, $g: I \rightarrow J, g \in D, f:J \rightarrow \R, \int f \neq \emptyset $ \\ $\Rightarrow \int f \circ g\cdot g' \neq \emptyset $ és $ (\int f) \circ g = \int(f\circ g\cdot g') $ \item Határozott esetben \hfill \\ $ f \in C[a,b], g : [\alpha,\beta] \rightarrow [a,b], g \in C^1[\alpha,\beta],$\\ $g(\alpha) = a, g(\beta) = b $ \\ $ \Rightarrow \int_a^b f = \int_{\alpha}^{\beta} (f\circ g \cdot g')$ \end{itemize} \end{description} \section{Newton-Leibniz-formula} $ f \in R[a,b], \exists F:[a,b] \rightarrow \R, F $ folytonos és $ F \in D\{x\}, F'(x) = f(x), (a < x < b) $ \\ $ \Rightarrow \int_a^b f = F(b) - F(a) $ \end{document}