שאלת מבחן באינפי 2 / חדו"א 2 - אוניברסיטת תל אביב 2023 - נגזרות חלקיות
קורס: אינפי 2 / חדו"א 2
אוניברסיטה: אוניברסיטת תל אביב
שנה: 2023
סמסטר: ב
נושאים: נגזרות חלקיות, פונקציות של שני משתנים, הוכחה
רמת קושי: בינוני-קשה
נגדיר $f : \mathbb{R}^3 \to \mathbb{R}$ על ידי $f(x,y,z) = xy^2z^3$ לכל $(x,y,z) \in \mathbb{R}^3$. הוכיחו כי קיימים ל-$f$ ערך מקסימום מוחלט וערך מינימום מוחלט בקבוצה $B = \{(x,y,z) \in \mathbb{R}^3 : x^2 + y^2 + z^2 \leq 1\}$ ומצאו אותם.
רמז: השתמשו במשפט ויירשטראס (הקבוצה סגורה וחסומה) לקיום. בפנים הנקודה הקריטית היחידה נותנת $f=0$. על השפה השתמשו בכפלי לגרנז' עם $g = x^2+y^2+z^2-1$.
פתרון: **קיום:** $B$ היא קבוצה **סגורה וחסומה** (כדור יחידה סגור) ב-$\mathbb{R}^3$, ו-$f$ רציפה. לפי **משפט ויירשטראס**, $f$ מקבלת מקסימום ומינימום מוחלטים ב-$B$.
**מציאת הערכים:**
**פנים ($x^2+y^2+z^2 < 1$):** נחפש נקודות קריטיות: $\nabla f = (y^2z^3, 2xyz^3, 3xy^2z^2) = \mathbf{0}$.
הפתרון היחיד הוא שלפחות שניים מבין $x,y,z$ מתאפסים, ואז $f = 0$.
**שפה ($x^2+y^2+z^2 = 1$):** נשתמש ב**כפלי לגרנז'** עם $g = x^2+y^2+z^2-1$:
$$y^2z^3 = 2\lambda x \quad (1)$$
$$2xyz^3 = 2\lambda y \quad (2)$$
$$3xy^2z^2 = 2\lambda z \quad (3)$$
**אם $y=0$ או $z=0$:** $f=0$.
**אם $y \neq 0, z \neq 0$:** מ-(2) מחלקים ב-$y$: $2xz^3 = 2\lambda$, כלומר $\lambda = xz^3$.
נציב ב-(1): $y^2z^3 = 2x^2z^3 \Rightarrow y^2 = 2x^2$ (כי $z \neq 0$).
נציב ב-(3): $3xy^2z^2 = 2xz^4 \Rightarrow 3y^2 = 2z^2$ (כי $x \neq 0, z \neq 0$; אם $x=0$ אז $\lambda=0$ ומ-(1): $y^2z^3=0$, סתירה).
מ-$y^2 = 2x^2$ ו-$z^2 = \frac{3}{2}y^2 = 3x^2$:
$$x^2 + 2x^2 + 3x^2 = 6x^2 = 1 \Rightarrow x^2 = \frac{1}{6},\; y^2 = \frac{1}{3},\; z^2 = \frac{1}{2}$$
$$f = xy^2z^3 = x \cdot \frac{1}{3} \cdot z^3 = \frac{1}{3} x z^3 = \frac{1}{3} \cdot (\pm\frac{1}{\sqrt{6}}) \cdot (\pm\frac{1}{2\sqrt{2}}) = \pm\frac{1}{6\sqrt{12}} = \pm\frac{1}{12\sqrt{3}} = \pm\frac{\sqrt{3}}{36}$$
**ערך המקסימום המוחלט** הוא $\frac{\sqrt{3}}{36}$, **ערך המינימום המוחלט** הוא $-\frac{\sqrt{3}}{36}$.
נגדיר f:R3→R על ידי f(x,y,z)=xy2z3 לכל (x,y,z)∈R3. הוכיחו כי קיימים ל-f ערך מקסימום מוחלט וערך מינימום מוחלט בקבוצה B={(x,y,z)∈R3:x2+y2+z2≤1} ומצאו אותם.
העתק שאלה
שתף שאלה
סמן כחשוב
סמן כבוצע
אוניברסיטת תל אביבמבחן דוגמה2023סמסטר ב
★★★★★
נגזרות חלקיותפונקציות של שני משתניםהוכחה
השתמשו במשפט ויירשטראס (הקבוצה סגורה וחסומה) לקיום. בפנים הנקודה הקריטית היחידה נותנת f=0. על השפה השתמשו בכפלי לגרנז' עם g=x2+y2+z2−1.
קיום:B היא קבוצה סגורה וחסומה (כדור יחידה סגור) ב-R3, ו-f רציפה. לפי משפט ויירשטראס, f מקבלת מקסימום ומינימום מוחלטים ב-B.
מציאת הערכים:
**פנים (x2+y2+z2<1):** נחפש נקודות קריטיות: ∇f=(y2z3,2xyz3,3xy2z2)=0. הפתרון היחיד הוא שלפחות שניים מבין x,y,z מתאפסים, ואז f=0.
**שפה (x2+y2+z2=1): נשתמש בכפלי לגרנז'** עם g=x2+y2+z2−1: y2z3=2λx(1) 2xyz3=2λy(2) 3xy2z2=2λz(3)
**אם y=0 או z=0:** f=0.
**אם y=0,z=0:** מ-(2) מחלקים ב-y: 2xz3=2λ, כלומר λ=xz3. נציב ב-(1): y2z3=2x2z3⇒y2=2x2 (כי z=0). נציב ב-(3): 3xy2z2=2xz4⇒3y2=2z2 (כי x=0,z=0; אם x=0 אז λ=0 ומ-(1): y2z3=0, סתירה).