Kurs:Mathematik für Anwender (Osnabrück 2020-2021)/Teil II/Arbeitsblatt 51/latex
\setcounter{section}{51}
\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}
\inputaufgabe
{}
{
Es sei
\mathl{(M,d)}{} ein
\definitionsverweis {metrischer Raum}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P
}
{ \in }{M
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ein Punkt und es sei
\maabbdisp {f} {M} {\R
} {}
eine
\definitionsverweis {Funktion}{}{.}
Es sei
\maabb {h} {\R} {\R
} {}
eine
\definitionsverweis {streng wachsende}{}{}
Funktion. Zeige, dass $f$ in $P$ genau dann ein
\definitionsverweis {lokales Maximum}{}{}
besitzt, wenn
\mathl{h \circ f}{} ein lokales Maximum in $P$ besitzt.
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Es seien
\mathkor {} {L} {und} {M} {}
\definitionsverweis {metrische Räume}{}{} und es sei
\maabbdisp {\varphi} {L} {M
} {}
eine
\definitionsverweis {stetige Abbildung}{}{.}
Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\varphi(P)
}
{ =} {Q
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und es sei
\maabbdisp {f} {M} {\R
} {}
eine
\definitionsverweis {Funktion}{}{,}
die im Punkt
\mathl{Q \in M}{} ein
\definitionsverweis {lokales Extremum}{}{}
besitze. Zeige, dass
\mathdisp {f \circ \varphi} { }
in $P$ ein lokales Extremum besitzt.
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Es sei $V$ ein \definitionsverweis {endlichdimensionaler}{}{} \definitionsverweis {reeller Vektorraum}{}{.} Zeige, dass eine von $0$ verschiedene \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{} \maabbdisp {f} {V} {\R } {} keine \definitionsverweis {lokalen Extrema}{}{} besitzt. Gilt dies auch für unendlichdimensionale Vektorräume? Braucht man dazu Differentialrechnung?
}
{} {}
\inputaufgabegibtloesung
{}
{
Es sei $f$ ein Polynom in zwei Variablen der Bauart
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f(x,y)
}
{ =} { x^2+y^2 + \sum_{(r_1,r_2) \in \N^2,\, r_1+r_2 \geq 3} a_{(r_1,r_2)} x^{r_1}y^{r_2}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Zeige ohne Differentialrechnung, dass $f$ im Nullpunkt ein
\definitionsverweis {isoliertes lokales Minimum}{}{}
besitzt. Bestimme in Abhängigkeit der Koeffizienten $a_{(r_1,r_2)}$ ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{\epsilon
}
{ > }{0
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
derart, dass die Einschränkung von $f$ auf $U { \left( 0,\epsilon \right) }$ außerhalb des Nullpunktes echt positiv ist.
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Berechne den
\definitionsverweis {Gradienten}{}{}
der Funktion
\maabbeledisp {f} {\R^3} {\R
} {(x,y,z)} {x^2y-z^3xe^{xyz}
} {,}
in jedem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P
}
{ \in }{ \R^3
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Berechne den
\definitionsverweis {Gradienten}{}{}
der Funktion
\maabbeledisp {f} {G} {\R
} {(x,y,z)} { { \frac{ xyz-z^2 }{ \ln (xy) +z^2 } }
} {,}
in jedem Punkt
\mathl{P \in G}{} mit
\mathl{G=\R_{> 1} \times \R_{> 1} \times \R}{}
}
{} {}
\inputaufgabegibtloesung
{}
{
Wir betrachten Dreiecke mit den beiden fixierten Eckpunkten
\mathkor {} {(-1,0)} {und} {(1,0)} {}
und dem variablen Eckpunkt
\mathl{(x,y)}{.}
\aufzaehlungvier{Erstelle eine Formel für den Flächeninhalt des Dreieckes mit den Eckpunkten
\mathl{(-1,0), (1,0), (x,y)}{.}
}{Erstelle eine Formel für den Umfang des Dreieckes mit den Eckpunkten
\mathl{(-1,0), (1,0), (x,y)}{.}
}{In welche Richtung muss man den dritten Punkt
\mathl{(x,y)}{} bewegen, damit der Flächeninhalt möglichst schnell wächst?
}{In welche Richtung muss man den dritten Punkt
\mathl{(x,y)}{} bewegen, damit der Umfang möglichst schnell wächst?
}
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Es sei $(V, \left\langle - , - \right\rangle)$ ein
\definitionsverweis {euklidischer}{}{}
\definitionsverweis {Vektorraum}{}{,}
\mathl{G \subseteq V}{} eine
\definitionsverweis {offene Menge}{}{,}
\mathl{P \in G}{} ein Punkt und
\maabbdisp {f} {G} {\R
} {}
eine in $P$
\definitionsverweis {differenzierbare Funktion}{}{.}
Zeige, dass
\mathkor {} {f} {und} {\left(Df\right)_{P}} {}
im Punkt $P$ den gleichen
\definitionsverweis {Gradienten}{}{}
besitzen.
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Es sei $(V, \left\langle - , - \right\rangle)$ ein
\definitionsverweis {euklidischer}{}{}
\definitionsverweis {Vektorraum}{}{,}
\mathl{G \subseteq V}{} eine
\definitionsverweis {offene Menge}{}{,}
\mathl{P \in G}{} ein Punkt und
\maabbdisp {f} {G} {\R
} {}
eine in $P$
\definitionsverweis {differenzierbare Funktion}{}{.}
Zeige, dass ein Vektor
\mathl{v \in V}{} genau dann zum
\definitionsverweis {Kern}{}{}
von
\mathl{\left(Df\right)_{P}}{} gehört, wenn er
\definitionsverweis {orthogonal}{}{}
zum
\definitionsverweis {Gradienten}{}{}
\mathl{\operatorname{Grad} \, f ( P )}{} ist.
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Bestimme die \definitionsverweis {kritischen Punkte}{}{} der Funktion \maabbeledisp {f} {\R^2} {\R } {(x,y)} {x^2+y^2 } {.}
}
{} {}
\inputaufgabegibtloesung
{}
{
Bestimme die \definitionsverweis {kritischen Punkte}{}{} der Funktion \maabbeledisp {f} {\R^2} {\R } {(x,y)} {xy^2-x } {.}
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Bestimme die \definitionsverweis {kritischen Punkte}{}{} der Funktion \maabbeledisp {f} {\R^2} {\R } {(x,y)} {x^2y-y^2+x } {.}
}
{} {}
\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}
\inputaufgabe
{4}
{
Berechne den Anstieg der Funktion
\maabbeledisp {f} {\R^2} {\R
} {(x,y)} {x^2y-x+y^3
} {,}
im Punkt
\mathl{P=(1,1)}{} in Richtung des Winkels
\mathl{\alpha \in [0, 2 \pi]}{.} Für welchen Winkel ist der Anstieg maximal?
}
{} {}
\inputaufgabe
{5}
{
Betrachte die
\definitionsverweis {Funktion}{}{}
\maabbeledisp {f} {\R^3} {\R
} {(x,y,z)} {x+ \sin \left( y \right)-xz
} {.}
\aufzaehlungdrei{Bestimme den
\definitionsverweis {Gradienten}{}{}
$G$ von $f$ im Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P
}
{ = }{ (0,0,0)
}
{ \in }{ \R^3
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
bezüglich des
\definitionsverweis {Standardskalarprodukts}{}{}
\mathl{\left\langle - , - \right\rangle}{.}
}{Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ E
}
{ =} { { \left\{ (x,y,z) \mid 2x-y+3z = 0 \right\} }
}
{ \subseteq} { \R^3
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
und es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g
}
{ = }{ f {{|}}_E
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
die
\definitionsverweis {Einschränkung}{}{}
von $f$ auf $E$. Bestimme den Gradienten $\tilde{G}$ von
\mathl{g}{} bezüglich der Einschränkung des Standardskalarprodukts auf $E$.
}{Zeige, dass $\tilde{G}$ die
\definitionsverweis {orthogonale Projektion}{}{}
von $G$ auf $E$ ist.
}
}
{} {}
\inputaufgabe
{4}
{
Bestimme die \definitionsverweis {kritischen Punkte}{}{} der Funktion \maabbeledisp {f} {\R^2} {\R } {(x,y)} {xy^3-xy+ \sin y } {.}
}
{} {}
\inputaufgabe
{5}
{
Bestimme die
\definitionsverweis {kritischen Punkte}{}{}
zur Funktion
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f(x,y)
}
{ =} {x^4+y^4+2x^2y^2-6y^3-6x^2y+8y^2
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
aus
Beispiel 51.5.
}
{} {}