Processing math: 0%

Monday, May 30, 2022

Analytická geometria - Kužeľosečky

Analytická geometria

Kužeľosečky

Príklad 1

Rozhodnite, či nasledujúca rovnica je analytickým vyjadrením elipsy
9x^2+25y^2-54x-100y-44=0.

Riešenie

Danú rovnicu upravíme na stredový tvar kužeľosečky.

\begin{array}{lcr} 9x^2+25y^2-54x-100y-44&=&0\\ 9(x^2-6x)+25(y^2-4y)&=&44\\ 9[(x-3)^2-9]+25[(y-2)^2-4]&=&44\\ 9(x-3)^2-81+25(y-2)^2-100&=&44\\ 9(x-3)^2+25(y-2)^2&=&225\\ \frac{(x-3)^2}{25}+\frac{(y-2)^2}{9}&=&1 \end{array}

Rovnica  \frac{(x-3)^2}{25}+\frac{(y-2)^2}{9}=1 je stredová rovnica elipsy so stredom v bode S=[3,2], dĺžkou hlavnej poloosi a=5, dĺžkou vedľajšej poloosi b=3 a excentricitou e^2=a^2-b^2, t.j. e=4.

Často sa k popisu elipsy uvádzajú aj súradnice významných bodov kužeľosečky. Pri elipse sú to
  • súradnice ohnísk sú  F_1=[3-4,2] a F_2=[3+4,2], t.j. F_1=[-1,2] a F_2=[7,2],
  • súradnice hlavných vrcholov elipsy sú A=[3-5,2] a B=[3+5,2] a , t.j. A=[-2,2] a B=[8,2],
  • súradnice  vedľajších vrcholov elipsy sú C=[3,2+3] a D=[3,2-3], t.j. C=[3,5] a D=[3,-1].
Súčasťou riešenia je náčrt samotnej elipsy.






Monday, May 23, 2022

Analytická geometria

Analytická geometria v 3D

Kvadratické útvary v 3D - rezy plôch


Príklad 3: Pomocou rezov plochy rôznymi rovinami určte druh plochy určenej rovnicou z=4-x^{2}-y^{2}.

Riešenie:
Rovnicu prepíšeme do tvaru (x-0)^{2}+(y-0)^{2}+(z-4)=0.

Najskôr budeme uvažovať rezy rovinami x=0 a y=0:

Krivku, ktorá vznikne pri reze uvažovanej plochy rovinou
R_{yz}:\ x=0 získame tak, že do rovnice (x-0)^{2}+(y-0)^{2}+(z-4)=0 za x dosadíme 0. Dostaneme rovnicu (0-0)^{2}+(y-0)^{2}+(z-4)=0, ktorú možno prepísať do tvaru: (y-0)^{2}+(z-4)=0 a je rovnicou paraboly. Prienik roviny x=0 s uvažovanou plochou je teda parabola.

Podobne krivku, ktorá vznikne pri reze uvažovanej plochy rovinou R_{xz}:\ y=0 získame tak, že do rovnice (x-0)^{2}+(y-0)^{2}+(z-4)=0 za y dosadíme 0. Dostaneme rovnicu (x-0)^{2}+(z-4)=0, ktorá je tiež rovnicou paraboly. Teda prienik roviny y=0 s uvažovanou plochou je parabola.

Napokon uvažujme rez uvažovanej plochy rovinami rovnobežnými s rovinou R_{xy}, konkrétne z=4, z=3, z=0 a z=-5. (Poznamenajme, že rovnica popisujúca plochu nemá riešenie pre z>4, nakoľko pre takéto z je výraz v poslednej zátvorke kladný, a keďže aj druhá mocnina ľubovoľného čísla je nezáporná, súčet dvoch druhých mocnín nejakých čísel zväčšený o kladné číslo nemôže byť rovný nule. Teda za z môžeme voliť ľubovoľné reálne čísla nie väčšie ako 4. Nami zvolené čísla boli vyberané s ohľadom na jednoduchosť následných výpočtov.)
Dosadením čísla 4 za z do  analytického vyjadrenia plochy eliminujeme výraz v poslednej zátvorke a dostaneme rovnicu (x-0)^{2}+(y-0)^{2}=0, ktorá má riešenie len pre [x,y]=[0,0] - bod. Teda prienik roviny z=4 s našim telesom je bod [x,y,z]=[0,0,4].
Dosadením čísla 3 za z do analytického vyjadrenia plochy dostaneme rovnicu (x-0)^{2}+(y-0)^{2}+(3-4)=0, teda rovnicu (x-0)^{2}+(y-0)^{2}+(-1)=0 a po úprave (x-0)^{2}+(y-0)^{2}=1, ktorá je v rovine z=3 rovnicou kružnice so stredom v bode [x,y]=[0,0] a polomerom 1.
Analogicky dosadením čísla 0 za z do analytického vyjadrenia plochy dostaneme rovnicu (x-0)^{2}+(y-0)^{2}=4, ktorá je v rovine z=0 rovnicou kružnice so stredom v bode [x,y]=[0,0] a polomerom 2
Podobne dosadením čísla -5 za z analytického vyjadrenia plochy dostaneme rovnicu (x-0)^{2}+(y-0)^{2}=9, ktorá je v rovine z=-5 rovnicou kružnice so stredom v bode
[x,y]=[0,0] a polomerom 3.

Na základe tejto analýzy môžeme plochu nakresliť a zhodnotiť, že sa jedná o paraboloid s vrcholom v bode
[x,y,z]=[0,0,4].

Funkcia viac premenných

Funkcia viac premenných 

Derivácia funkcie viac premenných

 

Parciálne derivácie funkcie viac premenných

V nasledujúcich úlohách budeme používať derivačné vzorce pre deriváciu funkcie jednej premennej a ukážeme si, ako sa dajú tieto vzorce použiť pri hľadaní parciálnych derivácií funkcie viac premenných. Pre jednoduchosť zápisov si tieto vzorce očíslujeme a v ďalšom texte sa budeme odvolávať len na ich poradové číslo.  

1. [c]'=0, kde c je konštanta 

2. [x^{\alpha}]'=\alpha\cdot x^{\alpha-1} 

3. [e^{x}]'=e^{x} 

4. [a^{x}]'=a^{x}\cdot \ln{a} 

5. [\ln{x}]'=\frac{1}{x} 

6. [\log_{a}{x}]'=\frac{1}{x\cdot\ln{a}} 

7. [\sin{x}]'=\cos{x} 

8. [\cos{x}]'=-\sin{x} 

9. [tg {x}]'=\frac{1}{\cos^{2}{x}} 

10. [cotg {x}]'=-\frac{1}{\sin^{2}{x}} 

11. [\arcsin{x}]'=\frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}} 

12. [\arccos{x}]'=-\frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}} 

13. [arctg {x}]'=\frac{1}{1+x^{2}} 

14. [arccotg {x}]'=-\frac{1}{1+x^{2}} 


Pri derivovaní budeme používať i tieto derivačné pravidlá: 

I. [c\cdot f(x)]'=c\cdot f'(x) 

II. [f(x)\pm g(x)]'=f'(x)\pm g'(x) 

III. [f(x)\cdot g(x)]'=f'(x)\cdot g(x) + f(x)\cdot g'(x) 

IV. [\frac{f(x)}{g(x)}]'=\frac{f'(x)\cdot g(x) - f(x)\cdot g'(x)}{g^{2}(x)} 

V. [f((g(x))]'=f'(g(x))\cdot g'(x) 

Pod označením c v príslušných pravidlách sa skrýva konštanta a f(x), g(x) predstavujú funkcie premennej x. 

Pri parciálnom derivovaní funkcie viac premenných (napríklad f=f(x,y,z) podľa niektorej z premenných (napríklad y) nahliadame na všetky ostatné premenné, tie, podľa ktorých nederivujeme (tu x a z), ako na konštanty. V horeuvedených derivačných vzorcoch a pravidlách premennú x nahradíme práve tou premennou, podľa ktorej derivujeme (tu y) a používame ich ako pri funkcii jednej reálnej premennej.

Tuesday, May 17, 2022

Analytická geometria

Analytická geometria

Uloh dvoch priamok v 2D priestore

Príklad 2

Vypočítajte uhol priamok p a q, ak
p:\begin{cases} x=2+t\\ y=3-2t, t\in\mathbb{R} \end{cases} a q:4x+2y+8=0.

Riešenie:
Uhol dvoch priamok môžeme vypočítať pomocou  vzťahu:

\cos\alpha=\frac{|\vec{s}_p\cdot \vec{s}_q|}{|\vec{s}_p||\vec{s}_q|},

kde \vec{s}_p je smerový vektor priamky p a \vec{s}_q je smerový vektor priamky q, v čitateli sa nachádza skalárny súčin týchto vektorov a v menovateli súčin ich veľkostí.

Smerový vektor priamky p, \vec{s}_p, vypočítame z jej parametrického vyjadrenia: X=A+\vec{s}_{p}t;\ t\in\mathbb{R}.

$p:\begin{cases}
x=2+t \\ y=3-2t, t\in\mathbb{R}\end{cases} a \vec{s}_p=(1,-2)$.

Zo všeobecnej rovnice priamky q vieme vypočítame normálový vektor priamky q, \vec{n}_q=(4,2).
Smerový vektor priamky q, \vec{s}_q je kolmý na \vec{n}_q a keďže skalárny súčin dvoch kolmých vektorov je rovný nula, možno ho nájsť vzájomnou zámenou súradníc vektora \vec{n}_q a zmenou znamienka jednej zo súradníc na opačne: \vec{s}_q=(-2,4).

Po dosadení súradníc smerových vektorov priamok do horeuvedeného vzorca dostávame
\cos\alpha=\frac{|(1,-2)\cdot(-2,4)|}{|(1,-2)|\cdot|(-2,4)|}=\frac{|1\cdot(-2)+(-2)\cdot 4|}{\sqrt{(1)^{2}+(-2)^{2}}\sqrt{(-2)^{2}+(4)^{2}}}=\frac{|-10|}{\sqrt{5}\sqrt{20}}=1.
Keďže \alpha=\arccos 1=0, priamky p a q sú rovnobežné a zvierajú uhol 0 stupňov.

Monday, May 16, 2022

Analytická geometria v 3D

Analytická geometria v 3D 

Vzdialenosť dvoch priamok v 3D priestore

Príklad 

Určte vzájomnú polohu priamok p a q. Ak sú priamky rôznobežné nájdite ich priesečník. Ak rovnobežné rôzne alebo mimobežné, vypočítajte ich vzdialenosť.
p:\begin{cases} x= 2+t\\ y= 3-3t\\ z= t, t\in\mathbb{R}\\ \end{cases} q:\begin{cases} x=4-2s\\ y= 6s\\ z= 3-2s, s\in\mathbb{R}\\ \end{cases}

Riešenie

Priamky p a q sú dané parametrickými rovnicami. Z tohto vyjadrenia je možné priamo určiť súradnice bodu, ktorý patrí priamke a súradnice smerového vektora priamky.
p:\begin{cases} x= 2+t\\ y= 3-3t\\ z= t, t\in\mathbb{R}\\ \end{cases}
Smerový vektor priamky p má súradnice \vec{s_p}=(1,-3,1) a bod A=[2,3,0].

q:\begin{cases} x=4-2s\\ y= 6s\\ z= 3-2s, s\in\mathbb{R}\\ \end{cases}
Smerový vektor priamky q  má súradnice \vec{s_q}=(-2,6,-2) a bod B=[4,0,3].

Vektor  \vec{s_p}=(1,-3,1) je násobkom vektora \vec{s_q}=(-2,6,-2).

Keďže vektory  \vec{s_p}\vec{s_q} sú lineárne závislé, priamky p a q môžu byť rovnobežné totožné alebo rovnobežné rôzne.
  • Ak sú priamky p a q rovnobežné totožné, tak každý bod priamky p je zároveň aj bodom priamky q.
  • Ak sú priamky p a q rovnobežné rôzne, tak nemajú žiaden spoločný bod.  V tomto  prípade má význam vypočítať vzialenosť priamok  p a q (viď. nižšie). 
Ukážeme, že priamky p a q rovnobežné rôzne. Teda ukážeme,  že ľubovoľný bod patriaci priamke p nepatrí priamke q.

Nech A so súradnicami A=[2,3,0] je bod patriaci priamke p. Ukážeme, že tento bod nepatrí priamke q, t.j. A\notin q.
Teda
\begin{array}{rcl} 2=4-2s\\ 3= 6s\\ 0= 3-2s \end{array}
Z druhej rovnice vidieť, že s=2. Ale z tretej rovnice je s=\frac{3}{2}. Teda bod A nepatrí priamke q. Keďže sme našli jeden bod, ktorý patrí priamke p a zároveň nepatrí priamke q, znamená to, že priamky p a q sú rovnobežné rôzne.

Ďalšou možnosťou ako overiť vzájomnú polohu dvoch piamok, je riešiť nasledujúcu sústavu rovníc.
\begin{array}{rcl} 2+t&=&4-2s\\ 3-3t&=&6s\\ t&=&3-2s \end{array}
  • Ak sústava má nekonečne vela riešení, tak sú priamky p a q rovnobežné totožné.
  • Ak sústava nemá riešenie, tak sú priamky p a q rovnobežné rôzne (čo je náš prípad).
Určiť vzdialenosť dvoch priamok znamená, určiť najmenšiu možnú vzdialenosť.
Postup:

  1. Skonštuujeme rovinu \alpha, ktorá je kolmá na obe priamky.
  2. Určíme priesečniky roviny s danými priamkami. Výsledkom sú dva body. Jeden patriaci priamke p a druhý patriaci priamke q
  3. Určíme vzdialenosť týchto dvoch bodov.
Keďže rovina \alpha je kolmá na tieto dve priamky, potom normalový vektor roviny je zároveň smerovým vektorom priamky. Keďže priamky p a q sú rovnobežné (sú ich smerové vektory lineárne závisle) je jedno, ktorý z tých vektorov použijeme. 

Nech \vec{s_p}=\vec{n_{\alpha}}=(1,-3,1). A nech tejto rovine patrí bod A.

\begin{array}{lrcl} \alpha:&x-3y+z+d&=&0\\ A\in\alpha:&x-3y+z+d&=&0\\ &2-3\cdot 3+0+d&=&0\\ &-7+d&=&0\\ &d&=&7 \end{array}

Rovina \alpha má rovnicu x-3y+z-7=0.

Keďže rovina \alpha je kolmá aj na priamku q, majú spoločný prienik. Označme tento bod M. Jeho súradnice dostaneme ako riešenie nasledujúcej sústavy:
\begin{array}{rcl} x&=&4-2s\\ y&=& 6s\\ z&=& 3-2s\\ x-3y+z+7&=&0 \end{array}

\begin{array}{rcl} (4-2s)-3\cdot 6s+(3-2s)+7&=&0\\ 4-2s-18s+3-2s+7&=&0\\ -22s&=&-14\\ 22s&=&14\\ s&=&\frac{7}{11} \end{array}

Keďže bod M patrí aj priamke q, tak jeho súradnice dopočítame:
\begin{array}{rcl} 4-2\cdot\frac{7}{11}&=&\frac{30}{11}\\ 6\cdot \frac{7}{11}&=&\frac{42}{11}\\ 3-2\cdot\frac{7}{11}&=&\frac{19}{11} \end{array}

Súradnice bodu MM=\left[\frac{30}{11},\frac{42}{11},\frac{19}{11}\right].

Stačí už iba určiť vzdialenosť bodov AM.

\begin{array}{rcl} \left|AM\right|&=&\sqrt{\left(\frac{30}{11}-2\right)^2+\left(\frac{42}{11}-3\right)^2+\left(\frac{19}{11}-0\right)^2}\\ &=&\sqrt{\left(-\frac{8}{11}\right)^2+\left(-\frac{9}{11}\right)^2+\left(\frac{19}{11}\right)^2}\\ &=&\sqrt{\frac{64+81+361}{121}}\\ &=&\sqrt{\frac{506}{121}} \end{array}

Vzdialenosť priamok p a q je \sqrt{\frac{506}{121}}.




Friday, May 13, 2022

Funkcia viac premenných

Funkcia viac premenných 

Derivácia funkcie viac premenných

Príklad 1: Vypočítajte všetky prvé parciálne derivácie funkcie f(x,y,z)=\arcsin{3xy}+3z^{-3}\cos{y}+\ln{2}.
 
Riešenie: Najskôr zderivujeme podľa premennej x: 

Použitím pravidla II. môžeme písať:  
f'_x=[\arcsin{3xy}]'_x+[3z^{-3}\cos{y}]'_x+[\ln{2}]'_x. 
Vidíme, že ani druhý, ani tretí ščítanec neobsahujú premennú x, čiže pri derivovaní podľa x treba na nich nahliadať ako na konštanty, teda derivácia tak druhého ako aj tretieho ščítanca sa rovná nule. Ostáva nám derivovať prvý sčítanec daného súčtu, a teda výraz \arcsin{3xy}. Nakoľko sa jedná o zloženú funkciu, použijeme vzťah V. v kombinácii s 11.: 
f'_x=\frac{1}{\sqrt{1-(3xy)^{2}}}[3xy]'_x 
Použitím I. dostaneme: 
f'_x=\frac{1}{\sqrt{1-(3xy)^{2}}}3y[x]'_x
Napokon sa k výslednej parciálnej derivácii podľa premennej x dostaneme použitím 2. vzorca a malou úpravou: 
f'_x=\frac{1}{\sqrt{1-(3xy)^{2}}}3y1x^{1-1} 
f'_x=\frac{1}{\sqrt{1-(3xy)^{2}}}3y1x^{0} 
f'_x=\frac{1}{\sqrt{1-(3xy)^{2}}}3y

Zderivujme teraz danú funkciu podľa premennej y:

Použitím pravidla II. môžeme písať: 
f'_y=[\arcsin{3xy}]'_y+[3z^{-3}\cos{y}]'_y+[\ln{2}]'_y. Prvý sčítanec daného súčtu je zloženou funkciou, použijeme preto vzťah V. v kombinácii s 11. (všimnite si podobnosť tejto časti výrazu s predchádzajúcim prípadom derivácie funkcie podľa premennej x), zároveň môžeme upraviť druhý ščítanec využitím vzťahu I. a uvedomiť si, že tretí ščítanec je konštantou, teda jeho derivácia podľa ľubovoľnej premennej je rovná nule: 
f'_y=\frac{1}{\sqrt{1-(3xy)^{2}}}[3xy]'_y+3z^{-3}[\cos{y}]'_y+0 
Aplikovaním I. na prvý ščítanec a 8. na druhý ščítanec dostaneme: 
f'_y=\frac{1}{\sqrt{1-(3xy)^{2}}}3x[y]'_y-3z^{-3}\sin{y} 
Napokon zostávajúci výraz v hranatej zátvorke zderivujeme pomocou 2. vzorca, čím získame: 
f'_y=\frac{1}{\sqrt{1-(3xy)^{2}}}3x1y^{1-1}-3z^{-3}\sin{y} 
f'_y=\frac{1}{\sqrt{1-(3xy)^{2}}}3x1y^{0}-3z^{-3}\sin{y} 
f'_y=\frac{1}{\sqrt{1-(3xy)^{2}}}3x-3z^{-3}\sin{y} 

Zostáva zderivovať danú funkciu podľa premennej z. 
Použitím pravidla II. môžeme písať: 
f'_z=[\arcsin{3xy}]'_z+[3z^{-3}\cos{y}]'_z+[\ln{2}]'_z 
Vzhľadom na premennú z len druhý sčítanec má nenulovú parciálnu deriváciu. Môžeme teda písať: 
f'_z=0+[3z^{-3}\cos{y}]'_z+0 
Použijeme derivačné pravidlo I.: 
f'_z=3\cos{y}[z^{-3}]'_z 
Teraz aplikujeme derivačný vzorec 2. a výsledok trochu upravíme. Aby sme sa vyhli misinterpretácii, použijeme aj zátvorky: 
f'_z=(3\cos{y})(-3)z^{-3-1} 
f'_z=(3\cos{y})(-3)z^{-4} 
Častejšie však radšej využívame prehodenie poradia činiteľov súčinu, preto aj výslednú parciálnu deriváciu podľa premennej z zapíšeme v tvare: 
f'_z=-9z^{-4}\cos{y}

Thursday, May 12, 2022

Analytická geometria

Analytická geometria v 3D 

Kvadratické útvary v 3D - elipsoid, hyperboloid, paraboloid, ...


Príklad 3: Pomocou rezov plochy rôznymi rovinami sa presvedčte o tom, že plocha popísaná rovnicou x^{2}-81y^{2}+9z^{2}-8x-162y-36z-110=0 je hyperboloidom.

Riešenie:
Uvedenú rovnicu prepíšeme do tvaru  \frac{(x-4)^{2}}{9^{2}}-\frac{(y+1)^{2}}{1^{2}}+\frac{(z-2)^{2}}{3^{2}}=1 (viď predchádzajúci príklad). Roviny, ktorými budeme viesť rezy uvažovanej plochy zvolíme tak, aby boli rovnobežné so súradnicovými rovinami R_{xy}, R_{yz} a R_{xz} a tak, aby naše výpočty boli čo možno najjednoduchšie. Preto urobíme rezy plochy rovinami x=4, y=(-1), z=2 (po dosadení 4 za x, respektíve (-1) za y či 2 za z do rovnice \frac{(x-4)^{2}}{9^{2}}-\frac{(y+1)^{2}}{1^{2}}+\frac{(z-2)^{2}}{3^{2}}=1 eliminujeme vždy jeden zo sčítancov a s ním aj jednu z premenných).
Rez plochy rovinou x=4 predstavuje krivku, ktorá sa dá vyjadriť  rovnicou \frac{(4-4)^{2}}{9^{2}}-\frac{(y+1)^{2}}{1^{2}}+\frac{(z-2)^{2}}{3^{2}}=1. Teda v rovine R_{yz} sa jedná o rovnicu hyperboly -\frac{(y+1)^{2}}{1^{2}}+\frac{(z-2)^{2}}{3^{2}}=1 so  stredom S_{yz}=[n,s]=[-1,2] a s dĺžkami polosí b=1, c=3.
Rez plochy rovinou y=(-1) predstavuje krivku, ktorá sa dá vyjadriť  rovnicou \frac{(x-4)^{2}}{9^{2}}-\frac{(-1+1)^{2}}{1^{2}}+\frac{(z-2)^{2}}{3^{2}}=1. Teda v rovine R_{xz} sa jedná o rovnicu elipsy \frac{(x-4)^{2}}{9^{2}}+\frac{(z-2)^{2}}{3^{2}}=1 so stredom S_{xz}=[m,s]=[4,2] a dĺžkami polosí a=9, c=3.
´Napokon rez plochy rovinou z=2 predstavuje krivku, ktorá sa dá vyjadriť  rovnicou \frac{(x-4)^{2}}{9^{2}}-\frac{(y+1)^{2}}{1^{2}}+\frac{(2-2)^{2}}{3^{2}}=1. Teda v rovine R_{xz} sa jedná o rovnicu hyperboly \frac{(x-4)^{2}}{9^{2}}-\frac{(y+1)^{2}}{1^{2}} so stredom S_{xy}=[m,n]=[4,-1] a dĺžkami polosí a=9, b=1.

Nakoľko rez plochy rovinami x=4 a z=2 predstavuje hyperbolu, kým rez plochy rovinou y=(-1) je elipsa, plocha popísaná rovnicou x^{2}-81y^{2}+9z^{2}-8x-162y-36z-110=0, respektíve rovnicou \frac{(x-4)^{2}}{9^{2}}-\frac{(y+1)^{2}}{1^{2}}+\frac{(z-2)^{2}}{3^{2}}=1 je jednodielny hyperboloid (so stredom S=[m,n,s]=[4,-1,2] a s dĺžkami polosí a=9, b=1 a c=3).

Wednesday, May 11, 2022

Analytická geometria

Analytická geometria v 3D 

Kvadratické útvary v 3D - elipsoid, hyperboloid, paraboloid, ...


Príklad 1: Pomocou vhodnej úpravy rovnice 4y^{2}+x^{2}+z^{2}+12z+35=0 určte druh plochy ňou určenej.

Riešenie:
Uvedenú rovnicu prepíšeme do tvaru, kde do jednej zátvorky zlúčime všetky členy obsahujúce z: 4y^p{2}+x^{2}+[z^{2}+12z]+35=0. (Podobne by sme postupovali aj s ostatnými premennými, ak by sa vyskytovali viac ako raz.)
Výraz [z^{2}+12z] upravíme použitím vzťahu a^{2}+2ab+b^{2}=(a+b)^{2} na (úplný alebo neúplný) štvorec. Ak by sa jednalo o úplný štvorec, výraz z^{2} by v ňom odpovedal výrazu a^{2}. Po odmocnení a=z. Podobne výraz 12z by odpovedal výrazu 2ab, čo pre a=z dáva rovnicu 12z=2zb. Pre nenulové z tak dostávame 6=b. V takomto prípade b^2=6^{2}=36. Táto sa vo výraze [z^{2}+12z] dá získať trikom, a to pripočítaním nuly vo vhodnom tvare k [z^{2}+12z], pričom samotné pripočítanie nuly k výrazu nezmení jeho hodnotu.
Teda [z^{2}+12z]=[z^{2}+12z+0]. Následne túto nulu zapíšeme v tvare rozdielu dvoch identických čísel, konkrétne je potrebné dané čísla postaviť rovné  b^2=6^{2}=36. Dostaneme výraz [z^{2}+12z+0]=[z^{2}+12z+6^{2}-36], ktorý je ekvivalentný výrazu [(z^{2}+2.6z+6^{2})-36]. Výraz v oblej zátvorke môžeme následne nahradiť výrazom (z+6)^{2} na základe podobnosti so vzťahom a^{2}+2ab+b^{2}=(a+b)^{2} pre a=z a b=6. Týmto dostaneme výslednú úpravu výrazu [z^{2}+12z] na (neúplný) štvorec,  a teda rovnosť výrazov: [z^{2}+12z]=[(z^{2}+12z+6^{2})-36]=[(z+6)^{2}-36].

Následne možno rovnicu
4y^{2}+x^{2}+[z^{2}+12z]+35=0
previesť na tvar
4y^{2}+x^{2}+[(z+6)^{2}-36]+35=0
a následne upraviť.
x^{2}+4y^{2}+(z+6)^{2}-36+35=0
x^{2}+4y^{2}+(z+6)^{2}-1=0
x^{2}+4y^{2}+(z+6)^{2}=1
\frac{x^{2}}{1}+\frac{y^{2}}{\frac{1}{4}}+\frac{(z+6)^{2}}{1}=1
\frac{x^{2}}{1^{2}}+\frac{y^{2}}{\left(\frac{1}{2}\right)^{2}}+\frac{(z+6)^{2}}{1^{2}}=1
\frac{(x-0)^{2}}{1^{2}}+\frac{(y-0)^{2}}{\left(\frac{1}{2}\right)^{2}}+\frac{(z+6)^{2}}{1^{2}}=1
\frac{(x-0)^{2}}{1^{2}}+\frac{(y-0)^{2}}{\left(\frac{1}{2}\right)^{2}}+\frac{(z+6)^{2}}{1^{2}}=1
Táto rovnica pre m=0, n=0, s=-6, a=1, b=\frac{1}{2} a c=1 odpovedá rovnici elipsoidu
\frac{(x-m)^{2}}{a^{2}}+\frac{(y-n)^{2}}{b^{2}}+\frac{(z-s)^{2}}{c^{2}}=1. 
Naša plocha je teda elipsoid so stredom [m,n,s]=[0,0,6] a dĺžkami polosí: a=1, b=\frac{1}{2} a c=1

Funkcia viac premenných

 Funkcia viac premenných

 Lokálne extrémy funkcie


Príklad 2: Nájdite lokálne extrémy funkcie f(x,y)= y^2-2x^2y+2x^4.

Riešenie:
Nájdeme stacionárne body funkcie.

Vypočítame parciálne derivácie pravého rádu.
\begin{array}{rcl} \frac{\partial f(x,y)}{\partial x}&=& -4xy+8x^3\\ \frac{\partial f(x,y)}{\partial y}&=& 2y-2x^2 \end{array}

Položíme parciálne derivácie prvého rádu rovné nule a riešime sústavu rovníc
\begin{array}{rcl}  -4xy+8x^3&=&0\\  2y-2x^2&=&0. \end{array}

Z druhej rovnice vyjadríme jednu neznámu, napr. y=x^2 a dosadíme do prvej rovnice, čím dostávame

\begin{array}{rcl}  -4x^3+8x^3&=&0\\  4x^3&=&0\\  x^3&=&0\\  x&=&0. \end{array}

Existuje jediný stacionárny bod funkcie f(x,y) so súradnicami A=[0,0]. Na základe postačujúcej podmienky existencie extrému overíme, či v tomto bode existuje extrém.

Vypočítame parciálne derivácie druhého rádu
\begin{array}{ccl} \frac{\partial^2 f(x,y)}{\partial x^2}&=& -4y+24x^2\\ \frac{\partial^2 f(x,y)}{\partial xy}&=& -4x\\ \frac{\partial^2 f(x,y)}{\partial y^2}&=& 2\\ \frac{\partial^2 f(x,y)}{\partial yx}&=& -4x \end{array}

do predpisov takto získaných funkcií dosadíme súradnice stacionárneho bodu a vypočítame determinant

D_A=\left\vert\begin{array}{rr} 0& 0\\ 0 & 2\\ \end{array} \right\vert = 0.

Keďže je determinant rovný nule, o existencii lokálneho extrému v bode A nevieme na základe postačujúcej podmienky existencie extrému rozhodnúť.

Vyšetríme funkciu f(x,y) v okolí stacionárneho bodu A inými metódami, napríklad otestujeme funkčné hodnoty v okolí bodu A.

Funkčné hodnoty v okolí body A vyšetríme pomocou upraveného predpisu funkcie
f(x,y)= y^2-2x^2y+2x^4=(y-x^2)^2-x^4+2x^4=(y-x^2)^2+x^4.
Vidíme, že výraz (y-x^2)^2+x^4 je vždy kladný. Nulovú hodnotu nadobudne iba, ak x=0 a zároveň y=0.  Teda v bode A je lokálne minimum funkcie f(x,y).

Wednesday, May 4, 2022

Funkcia viac premenných

Funkcia viac premenných

Limita funkcie viac premenných 

 

Príklad č. 7: Vypočítajte (ak existuje) \lim_{[x,y]\to[0,0]} \frac{x}{x+y}. 

Riešenie:  Dosadením 0 za x a y určíme typ limity "nula lomené nula". Uvedenú limitu budeme riešiť substitúciou. Za vhodnú povaźujeme nasledujúcu substitúciu, ktorá z geometrického hľadiska predstavuje približovanie sa k bodu [x,y]=[0,0] po priamkách:
\lim_{[x,y]\to[0,0]} \frac{x}{x+y}=\left|Subst. \ x=t, y=k\cdot t; t\to 0, k\in\mathbb{R}\right|=  

\lim_{t\to 0} \frac{t}{t+k \cdot t}= \lim_{t\to 0} \frac{t\cdot 1}{t(1+k)}=\lim_{t\to 0} \frac{1}{1+k}=\frac{1}{1+k}.
 
Keďže posledný výraz je závislý od hodnoty reálneho parametra k (t.j., napríklad pre k=0 hodnotu 1, kým pre k=1 hodnotu \frac{1}{2}), odvodíme, že \lim_{[x,y]\to[0,0]} \frac{x}{x+y} neexistuje.

Funkcia viac premenných

 Funkcia viac premenných

 Derivácia v smere


Príklad 1: Vypočítajte deriváciu funkcie f(x,y,z)=(x-y)z^2+(3x+y-35)z-1 v bode A=[1,2,5] v smere vektora \vec{l}=\left(1,-1,1\right).

Riešenie:
Deriváciu funkcie v bode A v smere vektora vypočítame podľa vzťahu:
\frac{df(A)}{\vec{l}^o}=grad\,  f(A)\cdot \vec{l}^o

Celý výpočet derivácie funkcie v bode A v smere vektora je možné rozdeliť do nasledujúcich krokov.

  1. Výpočet gradientu funkcie v bode A.
  2. Normovananie vektora.
  3. Výpočet sakalárneho súčinu dvoch vektorov, čo je už samotná derivácie funkcie v bode A v smere vektora l.  

1. Výpočet gradientu funkcie:
Gradient funkcie označujeme grad\, f(A) a vypočítame ho nasledovne:
\left(\frac{\partial f(A)}{\partial x}, \frac{\partial f(A)}{\partial y}, \frac{\partial f(A)}{\partial z}\right).
Keďže daná funkcia f(x,y,z) je funkciou troch premenných aj gradient je vektor, ktorý ma tri zložky.

Najprv vypočítame derivácie prvého rádu podľa jednotlivých premenných. Dostávame nasledujúce funkcie
\begin{array}{rcl} \frac{\partial f(x,y,z)}{\partial x}&=&z^2+3z\\ \frac{\partial f(x,y,z)}{\partial y}&=&-z^2+z\\ \frac{\partial f(x,y,z)}{\partial z}&=&2(x-y)z+3x+y-35. \end{array}

Dosadíme súradnice bodu A do predpisov jednotlivých funkcií a výpočítame súradnice gradientu funkcie f v bode A.
\begin{array}{rclcl} \frac{\partial f(A)}{\partial x}&=&5^2+3\cdot 5&=&40\\ \frac{\partial f(A)}{\partial y}&=&-5^2+5&=&-20\\ \frac{\partial f(A)}{\partial z}&=&2(1-2)\cdot 5+3\cdot 1+2-35&=&-40. \end{array}

Gradient funkcie v bode A je usporiadaná trojica čísel (vektor) grad\, f(A)=(40, -20, -40).

2. Normovananie vektora:
Vektor \vec{l} nie je jednotkový, lebo jeho veľkosť nie je rovná číslu 1: \left|\vec{l}\right|=\sqrt{1^2+(-1)^2+1^2}=\sqrt{3}\neq 1.

Vektor \vec{l} znormujeme tak, že každú zložku vektora  \vec{l}  vydelíme jeho veľkosťou a dostávame

\vec{l}^o=\left(\frac{1}{\sqrt{3}},-\frac{1}{\sqrt{3}},\frac{1}{\sqrt{3}}\right).

Poznámka: Normovaný vektor už je jednotkový.

3. Výpočet sakalárneho súčinu dvoch vektorov, čo je už samotná derivácie funkcie v bode A v smere vektora \vec{l}:

\begin{array}{rcl} \frac{df(A)}{\vec{l}^o}&=&grad\,  f(A)\cdot \vec{l}^o\\ &=&(40, -20, -40)\cdot \left(\frac{1}{\sqrt{3}},-\frac{1}{\sqrt{3}},\frac{1}{\sqrt{3}}\right)\\ &=&40\cdot \frac{1}{\sqrt{3}}+20\cdot \frac{1}{\sqrt{3}}+(-40)\cdot\frac{1}{\sqrt{3}}\\ &=& \frac{40}{\sqrt{3}}+\frac{20}{\sqrt{3}}-\frac{40}{\sqrt{3}}\\ &=&\frac{20}{\sqrt{3}}. \end{array}

Deriváciu funkcie v bode A v smere vektora \vec{l} je \frac{20}{\sqrt{3}}.

Tuesday, May 3, 2022

Analytická geometria

Analytická geometria v 3D 

 Lineárne útvary v 3D

Príklad 1: Nájdite všeobecné rovnice priamky p, ktorej parametrické rovnice sú:
p:\begin{cases} x= 2-t\\ y= 1+4t\\ z= -3+2t, t\in\mathrm{R} \end{cases}

Riešenie: Všeobecná rovnica priamky v priestore (v 3D) neexistuje. Pozor v 2D existujú obe vyjadrenia priamky. 

Priamku je možné v priestore vyjadriť ako priesečnicu dvoch rôznobežných rovín. Práve o takéto vyjadrenie ide, ak je potrebné hľadať všeobecné rovnice priamky v 3D.

Dá sa povedať, že jednu priamku môžeme vyjadriť ako priesečnicu rôznych dvoch rovín. Princíp takého vyjadrenia spočíva v eliminácií parametra t.

Ak t (t=2-x) vyjadríme z prvej rovnice, tak
\begin{array}{ccc} y&=&1+4(2-x)\\ z&=&-3+2(2-x) \end{array}
Teda:
\begin{array}{ccc} 4x+y-9&=&0\\ 2x+z-1&=&0 \end{array}

Záver: Priamka p je priečnicou roviny \alpha: 4x+y-9=0 a \beta: 2x+z-1=0.

Monday, May 2, 2022

Analytická geometria

Analytická geometria v 3D 

Kvadratické útvary v 3D - elipsoid, hyperboloid, paraboloid, ...


Príklad 2: Pomocou vhodnej úpravy rovnice
x^{2}-81y^{2}+9z^{2}-8x-162y-36z-110=0 určte druh plochy ňou popísanej.

Riešenie:
Uvedenú rovnicu prepíšeme do tvaru, kde do zátvoriek zlúčime sčítance obsahujúce rovnakú premennú (t.j. do jednej zátvorky dáme všetky výrazy s x, do druhej všetky výrazy s y a do tretej všetky výrazy obsahujúce premennú z):
[x^{2}-8x]+[-81y^{2}-162y]+[9z^{2}-36z]-110=0. Ak sa v príslušných zátvorkách pri kvadratických členoch súčtu (druhých mocninách premennej) nachádzajú koeficienty rôzne od 1, tieto vyberieme pred tú-ktorú zátvorku. V našom prípade týmto dostaneme rovnicu: [x^{2}-8x]+(-81).[y^{2}+2y]+9[z^{2}-4z]-110=0. (Pozor na znamienka pri vyberaní záporného čísla pred zátvorku!) Každý z výrazov v zátvorke následne upravíme na (úplný alebo neúplný) štvorec, pričom využijeme vzťahy a^{2}+2ab+b^{2}=(a+b)^{2} a a^{2}-2ab+b^{2}=(a-b)^{2}.

Uvažujme výraz [x^{2}-8x]. Nakoľko medzi členmi výrazu je znamienko mínus, budeme vychádzať zo vzorca a^{2}-2ab+b^{2}=(a-b)^{2}. Všimneme si, že ak by sa jednalo o úplný štvorec, výraz x^{2} by v ňom odpovedal výrazu a^{2} uvedeného vzorca, teda po odmocnení dostávame a=x. Analogicky výraz -8x by odpovedal výrazu -2ab, teda 8x=2ab, čo pre a=x (viď vyššie) dáva rovnicu 8x=2xb, čo pre nenulové x môžeme výrazom 2x podeliť a dostaneme  b=4. V takomto prípade by potom výrazu b^{2} odpovedala hodnota 4^{2}, teda 16. Táto sa vo výraze
[x^{2}-8x] dá získať trikom, konkrétne pripočítaním nuly vo vhodnom tvare k [x^{2}-8x]. Samotné pripočítanie nuly k ľubovoľnému výrazu nezmení jeho hodnotu.
Teda [x^{2}-8x]=[x^{2}-8x+0]. Túto nulu môžeme zapísať v tvare rozdielu dvoch identických čísel. Pre náš účel úpravy na štvorec je potrebné dané čísla postaviť rovné hodnote b=4^{2}=16. Dostaneme výraz [x^{2}-8x+0]=[x^{2}-8x+4^{2}-16], ktorý je ekvivalentný výrazu [(x^{2}-2.4x+4^{2})-16]. Výraz v oblej zátvorke môžeme následne upraviť použitím pravej strany vzťahu a^{2}-2ab+b^{2}=(a-b)^{2} na tvar (x-4)^{2}, nakoľko, ako sme uviedli vyššie, tu a=x a b=4. Týmto dostaneme výslednú úpravu výrazu [x^{2}-8x] na (neúplný) štvorec,  a teda rovnosť výrazov: [x^{2}-8x]=[x^{2}-8x+4^{2}-16]=[(x-4)^{2}-16].

Analogicky budeme postupovať v prípade výrazu [y^{2}+2y]. Nakoľko medzi členmi výrazu je znamienko plus, budeme vychádzať zo vzorca a^{2}+2ab+b^{2}=(a+b)^{2}. Všimneme si, že ak by sa jednalo o úplný štvorec, výraz y^{2} by v ňom odpovedal výrazu a^{2} uvedeného vzorca, teda po odmocnení dostávame a=y. Výraz 2y by tu  odpovedal výrazu 2ab, čo pre a=y dáva b=1. V takomto prípade by výrazu b^{2} odpovedala hodnota 16^{2}, teda 1. Opäť ju vo výraze [y^{2}+2y] dostaneme trikom pripočítavania nuly vo vhodnom tvare:
[y^{2}+2y]=[y^{2}+2y+0]=[y^{2}+2y+1^{2}-1]. Následne prvé tri členy súčtu zlúčime do jednej zátvorky, pričom vieme, že sú ekvivalentné s ľavou stranou vzorca a^{2}+2ab+b^{2}=(a+b)^{2} môžeme postupne písať:
[y^{2}+2y+1^{2}-1]=[(y^{2}+2y+1^{2})-1]=[(y+1)^{2}-1]. Tým sme výraz [y^{2}+2y] upravili na (neúplný) štvorec.

Napokon pomocou vzorca a^{2}-2ab+b^{2}=(a-b)^{2} upravíme výraz [z^{2}-4z]. Podobne ako v predchádzajúcich prípadoch tu na základe porovnania prvých členov výrazu dostaneme a=z. Z rovnosti výrazov -2ab=-4z pre a=z dostaneme 2zb=4z, čo pre nenulové z dáva b=2. Teda b^{2}=2^{2}=4. Opäť na základe pripočítavania nuly vo vhodnom tvare k výrazu [z^{2}-4z] môžeme písať: [z^{2}-4z]=[z^{2}-4z+0]=[z^{2}-4z+2^{2}-4]=[(z^{2}-4z+2^{2})-4]. Výraz v oblej zátvorke na základe ekvivalentnosti (z=a, 2=b) a podľa vzorca a^{2}-2ab+b^{2}=(a-b)^{2} nahradíme výrazom z-2, čím dostaneme hľadanú úpravu výrazu [z^{2}-4z] na tvar [(z-2)^{2}-4].

Teraz už môžeme rovnicu
[x^{2}-8x]+(-81).[y^{2}+2y]+9[z^{2}-4z]-110=0 prepísať do tvaru
[(x-4)^{2}-16]+(-81).[(y+1)^{2}-1]+9[(z-2)^{2}-4]-110=0.
Následne roznásobíme výrazy v zátvorkách pred nimi stojacimi koeficientami (viď nižšie) a vypočítame hodnotu absolútneho člena. 
1.[(x-4)^{2}-16]+(-81).[(y+1)^{2}-1]+9[(z-2)^{2}-4]-110=0
(x-4)^{2}-16+(-81).(y+1)^{2}+81+9(z-2)^{2}-36-110=0
(x-4)^{2}+(-81).(y+1)^{2}+9(z-2)^{2}-81=0
Ďalšími úpravami dostaneme:
(x-4)^{2}+(-81).(y+1)^{2}+9(z-2)^{2}=81
\frac{(x-4)^{2}}{81}-\frac{81.(y+1)^{2}}{81}+\frac{9(z-2)^{2}}{81}=\frac{81}{81}
\frac{(x-4)^{2}}{81}-\frac{(y+1)^{2}}{1}+\frac{(z-2)^{2}}{9}=1
\frac{(x-4)^{2}}{9^{2}}-\frac{(y+1)^{2}}{1^{2}}+\frac{(z-2)^{2}}{36^{2}}=1
Táto rovnica odpovedá rovnici jednodielneho hyperboloidu
\frac{(x-m)^{2}}{a^{2}}-\frac{(y-n)^{2}}{b^{2}}+\frac{(z-s)^{2}}{c6^{2}}=1
pre m=4, n=-1, s=2, a=9, b=1 a c=3.
Naša plocha je teda jednodielny hyperboloid so stredom [m,n,s]=[4,-1,2] a s dĺžkami polosí 9, 1 a 3.