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22F.1 lokales Extremum einer Funktion zweier Veränderlicher; Kriterien; Taylor-Näherung


CC-BY-NC-SA 3.0

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AltersAufgabe zu Lokalmaximakönnen immervon Funktionen zweier veränderlicher nämlich folgende Funktionmit der RechenvorschriftEffenbergszwei X hoch dreiplusX Quadratplus sechsX Y Quadratgroß XX Yplus Y Quadrantdie Frage ist was passiert an der Stelle ein Drittel minus ein drittelist an der Stelle ein Drittelminusein drittelein lokales Extremumwenn ja was wachsen Minimum oder gar nichtihr müsst was also vergewissern ob derGradient der Nullvektor ist mindestens das ein lokalesMaximum habenmuss die Tangentialebenehorizontal sein beim lokalen Minimum entsprechendzu mindestens muss der Gradientan dieser Stelle der Nullvektor sein Komma dass auch die partiellen Ableitungenwas ist die partielle Ableitung nach XX hoch drei wird zu Dreiecks vertrat also ?? oder zweimal Dreiecksversatzin sechs X Quadratplus sechs hundert vierzig zwei X sechs X Y Quadrat Y Quadratwenn der Experte abgeleitet werden sollals Konstante behandeln wieder sechsmal?? Quadrant plus sechszum Quadrat plusentsprechend sechs Yzum Quadrat Chipsatzkonstantebehandlesie dabei ?? X fällt sogar davon ableiten Weg eins Punkt zwei ?? die partielle AbleitungYzwecks hoch drei peinlich als rasante Menge partieller Pleite X fordert ebenso der erste der da erscheint es der hier zum Verrat zu zwei tausend zwölfX YO und hier werden aus sechs Xund hier wird aus zwei Yund nun wüsste ich gernedavon notwendigohne das wird es nicht gehen?? ist der Gradient an dieser Stelle ein Drittel ein Drittel der Nullvektorgucken sechsmaleinen neuensechs neuntelplus zwei Drittelund hier haben wirschon Quadrat ein neunzehn ?? plus sechs neuntelund hier haben wirplusX Y minus sechs Drittelsteht der Exkomponentedie hübsche KomponentezwölfmalX YVerkäufer ?? minus ein neuntelminus zwölf neuntelplus sechs Drittelminuszwei Drittelzurück ?? Disco tatsächlichoben und unten null raussechs neuntel sindzwei Drittel zwei Drittel noch mal zwei Drittel dazuhabe ich vier Drittelsechs neuntel sind noch mal zwei Drittel der ?? habe ich hier sechs Drittel Sechsteloben steht nur wunderbarzwölf neuntel der gar nicht kürzen Punkt und durch drei dann habe ich vier Drittel minus vier Drittel plus sechs Drittel ?? plus zwei Dritteln ins ?? ist nur es könnte also sein ich weiß jetzt dass die Tangentialebenehorizontalesinsofern könnte es bis dahin sein sich nur ganz Extremum habeder Ärger ist was jetzt passieren könntemanso eine Fläche hatsich ganz leicht zu zeichnen so zum Beispiel könnte die Fläche aussehen an der Stelle ein Drittel minus ein drittel des hier tatsächlich nur horizontaleTangentialebeneist sie wirklich raus und halte Initialebenedurch legen an dieser Stelle auf dieser Fläche muss es wieder ein lokales Maximum noch ist ein lokales Minimumso es reicht nicht zu wissen dassder Gradient der Nullvektor ist es kann Blödsinn passierendeshalb die zweiten Ableitungen ?? Punkt sie mal ob sie mit den zweiten Ableitung genauer raus kriegen können was an der Stelle ein Drittelpassiertversuchenalso das hinreichende Kriterium hinzukriegenhinreichendfür ein lokales Maximum lokales Minimum wäredas der Gradient nur Mist schreibe ich das mal im Verletzerder Gradient ist null unddie Bedingung für die Hessematrixund einer Maus buchstabierenHesse Matrixist die Matrix mit den zweiten Ableitungen?? ?? großes I zweiten Ableitungenzur Schreibweisedie sicher doch sehr wild ausobwohl bitte zum Beispieleine Funktion X von der Zeit haben und sie wollen die zweimal ableitenden können Sie Ihr Schreibendie zwei X nach DT Quadratwird es nicht anders als X zwei Punkt also eigentlich gab's schon ähnliche Schreibweise bisher manches häufig angewendet aber die gab's eine schon bisher gemeinte und mit dem die Kritik Quadrat ist immer DTins Quadrat eine historische Schreibweise ich kann auch nichts dafürdass ihr soll ich das degradiert werden eigentlich Idioten des DTverliertbei der partielle Ableitunggenausojetzt habe ich die Möglichkeit ?? ich möchte bilden dieAbleitungeiner Funktionnach X partiellund das noch mal nach X partiell abgeleitet?? zu die Schreibweise etwas klarerdiese heißtdies vor eine Funktion schreiben leite partiell nach X auf sich nehmen die partielle Ableitungnach X und die leite ich noch mal nach X auf und das kann man jetzt kürzer schreibenals über die Schreibweise ?? kommt es sie sieht so aus wie das runde D ins Quadratund es sieht so aus wie und es die X ins QuadratKlammer zu schreibt man nicht was das Ganze noch verwirrender macht das schon istso bisschen was historische Schreibweisen im so sieht's dann aus die zweite Ableitung der Funktionpartiell nach X das heißt sie nehmen sich die partielle Ableitung nach X dieser Ausdruck hier und leiten noch partiell nach exaktzwölf Xund zweiund Ygilt als Konstanteüber einen dürftigen Weg soweit dasdann brauchen nur die partielle Ableitungnach Y zweimaldas ja jetzt aus historischen Gründen geschrieben ?? partielle AbleitungYzweimalals wir neben den unteren Clubs sowieso partielle Ableitungzwölf XSchlussWechselschicht raus zwei sehr zuverlässig gleich sind ?? bis jetzt aber dabei zufälligerweisegleichzu viel zu rechnen?? es gibt aber zwei diese nicht zufälligerweisegleichsind nämlich die gemischten Ableitungen können ja die partielle Ableitungnach Xnoch mal nach Y ableitenGussschreibweisedann eben in dieser Form mit Y und X in einerDas heißt offiziell sie leiten erst X ab und das was rauskommtleiten sie nach Ostern ab und ?? nach links gelesendas Tundie Ableitung nach X nach Y ableitensind jetzt verwerflich draus zwei Pflicht raus es bleibenzwölfYplus sechsundwir haben nochdie letzte Möglichkeitdas andersrum machen in dem die partielle Ableitungnach Yund die leiten wir nach X auf dieses hier mit Y rechts im Nenner nennen Anführungszeichen untenX links im Innern in den die partielle ?? Y und die Leute nach exakten kriegen sie zwölfYplus sechsschon wieder das Ergebnis was ist das schon mal gab und dass es jetzt nicht zufälligerweisegleich die sind fast immer gleich als besonders schreiben die sind für alle vernünftigen Funktionen gleichund jetzt mit Fußnote ?? HandyvertragFußnote für alle üblichen Funktionenman kann Funktionen zusammenbastelnbei dem das nicht hinkommt aber die sind schon ziemlich zerklüftetaus nicht sein als die Funktion dient üblicherweise begegnen wir haben diese Eigenschaft ist noch nicht drauf an ob sie es nach X und Y ableiten oder umgekehrt erst dann ?? X ableiten ?? kommt dasselbe raus ist die Uhr beiden gleichfalls jetzt Zufall bei dieser Aufgabeist unter beiden Leisten muss so sein die Reihenfolge hier bei der Ableitungist egal sind die Funktion hinreichendglatt istokaydamit einiges alle möglichen zweiten Ableitungsjahrnicht nur eine zweite Ableitung im eindimensionalensie haben vier zweite Ableitungenin zweidimensionalenvier zweite Ableitungeneine Funktion von drei veränderlichen Sicherung teilweise Funktion von drei veränderlichen haben wir für zweite Ableitungen haben sietausend neun Ableitungenist die Matrix aus den Ableitungen gelten die Hesse Matrixalles durch die Klinik?? klein Z zuerst ?? Simpsons wird als zweites den haben sie dreimal drei Möglichkeitenneun Möglichkeiten des Matrix wird in dem Fall dreimal drei Einträge haben?? für drei veränderliche haben sie jeden neuenMöglichkeitendie zweite Ableitung zu bilden von den dann ganz viele denselben Wert liefern wenn sie eine glatte Funktion haben Punktwir haben jetzt die zweiten Ableitungenjetzt kommt die Hesse MatrixKlammer zu hinschreibenMatrixreichaus ?? zweiten Ableitungen zwölf X plus zweizwölf Yplus sechsY plus Xzwölf X plus zweidass diese beiden ?? gleich sind das muss immer so sein das muss eine symmetrische Matrix sein wenn ihre Funktionnicht allzu verrückt istüber die Diagonale können Sie die Spiegel mit drei veränderlichenhaben wir also eine drei mal drei Hesse Matrixund dann muss dieser gleich dem Sein dieser muss gleich dem seine dieser muss gleich dem Satz der schlechte Symmetrie noch viel heftiger zu drei mal dreiTurmes damit dieser Matrixman sollte etwa die Hesse Matrix an der Stelle an an der wir arbeiten nämlichein Drittel minus andie Versammlung aller zweiten Ableitungeneiner Funktionund die guck ich mir jetzt an dieser einen Stelle an die Hesse Matrixan der Stelle an der ich wissen will ob ich lokales Maxon lokales Minimum habe was ist erstmals an dieser Stelle zwölfmal ein Drittel sind vier plus zwei vierter sechster steht dann auch sechs und hier haben wir zwölfmalminus ein Drittel sind minus vierte sechster steht zwei zweisowie die Hesse Matrix aus es an dieser Einstellung konkrete Zahlen ausstatten?? alle zweiten Ableitung habe ich jetzt hier konkrete Zahlen entstehensozusagen schon zurecht davon bilden wir die Determinantesechs mal sechs minus zwei mal zwei was wirklich rauskommt ist ganz offensichtlich positivdas ist ?? spannend ist es positivund damit weiß ich jetzt dekadenten Vektor der Stelle ist der Nullvektorbei der partielle Ableitungsind null Determinanteder Hessematrixan dieser Stelle ist größer null damit weiß ich jetzt ist es ganz sicher ein lokalesMaximumoder lokales Minimumeins von beidennicht die komische Situationdie ich auf gemalt hatte sowas Sattel vermisst das ist es ganz sicher nichtlokales Maximum oderlokalesMinimumKomma warum das so ist das nur scheint ?? noch maldiskutierenEigenwertewas haben Eigenwerte mit der Determinante zu tun?? Determinante ist das Produkt der eigenen Werte dieser Matrixendlich vorstellen das eine Matrixin Einrichtungalles mal zwei nimmt und eine andere Richtung als mal drei nimmt was für die Determinante sein zweimal drei das Produkt der eigenen Wertedas Ziel besonders gut war das symmetrische Matrix istnicht zu weit ausholen aber ich hoffedas ist einleuchtend dass sowas passieren wird wenn sie genügend viele Eigenwerte haben dann ist Determinanteder Matrix einfach das Produkt der Eigenwert und jetzt sehen sie okay das Produkt der Eigenwerte ist größer als null zwei positive Eigenwerte funktioniertzwei negative Eigenwerte funktioniertzwei positive Eigenwerteein lokales Minimum besteht in alle Richtungen raufoder zwei negative Eigenwerte lokales Maximum es geht in alle Richtungen runter und ?? ist also nicht wie bei dem eindimensionalenFall schon sagen was passieren wird dann die zweite Ableitung größer null zwei dabei dem kleiner Not im hinreichenden Kriteriumund sieht fertig ist ?? nicht ganz fertig weil wir jetzt ein Produkt von Eigenwertenkönnen beide Negativseriekönnen aber beide positiv sein jetzt kommt der letzte Schrittguckt sich den links oben an ?? ist der positivder ist größer als nullalso sind beide Eigenwerte positivschreiben nur EWundwenn beide Eigenwerte positiv sind haben wir Faxmodem nehmenzur SG drauf also ist es ein lokales Minimum das kostet Überwindungsgröße?? mit dem Minimum zusammen stehtdie Eigenwerte sind positivwenn ich raus gehe aus ?? Stelle ein Drittel mit ein Drittel nicht ausgehewie die Funktion auf das heißt ich bin an dieser Stelle imTales ist ein lokales Minimum vorsichtiggrößer null heißt Minimum auch in eindimensionalenschon bei diesem eindimensionalenhatten was es beim lokalen Maximum malloc ein Maximum ist die zweite Ableitungnegativist die zweite Ableitung negativ?? Lokalminimumim eindimensionalenzweite Ableitung ist positivvorsichtig das geht immer genau andersrum das man jetzt auf den ersten Blick meinen möchtealso gesammeltes Richtern nachgewiesenist an dieser Stelle ein lokalesMinimumerhaben nachgewiesender Gradientenrektordie partiellen Ableitungen der Gradienten wird unser Stelle ist der Nullvektor gerne horizontale Tangentialebene?? zweiten Ableitung ausgerechnetan dieser Stelleüberzeugt dass diese Matrix hier zwei positive Eigenwerte hat und das heißtman ist ein wahrer Monolith an die Funktion an schmiegtan Schmidt an die Funktion an dieser Stelle als man das als eine Tangentialebenedies Horizontalgradientist null und es geht in zwei senkrechten Richtungen nach oben als es geht in jede Richtung nach obendas nennt man aus den Eigenwerteneigentlich hat man jetzt ja Teller gemachtsondern das noch mal hinschreibenwas das überhaupt bedeutetdas klarer was da passiertwas die Aufgabe wäre damit bearbeitetversuchenTäler in mehrdimensionalenhinzuschreiben?? als Veranschaulichung??nämlich ich hätte gerne mein Funktionswertan der Stelle ein drittel plus ein bisschen?? Komma der Textein drittel plus ein bisschen und minus ein drittelplus ein bisschen ?? Leertaste nenn ich das maljetzt können Sie eine Nehrung zweiter Ordnung hinschreibenmit den Zutaten die wir gerade zusammengebauthabensozusageneine schwierige Parabel ob es für die verschwiegene Radiologieund Funktion zweier veränderlicher?? immerhin was kommt näherungsweisebis zweiter Ordnung aus dieser Funktion draußen sieht man noch mal wie das Zusammenspiel?? groß G natürlich mit dem Funktionswertan dieser StelleFunktionswertan der Stelle ein Drittelminus ein drittelimmer konkrete Zahlen teilhabenplusansehen war das seizweimal X hoch drei also zwei siebenundzwanzigsteund dann X Quadratplusein neunund dann sechs X Y als Quadratdas Quadrat ist ein neuntelein Drittel malen oder sinnloses ?? Plus sechs siebenundzwanzigstesechs X Y alsominus sechsneuntelohne ?? Simpsons Quadrat plusneuntezweite zwanzigste sechsundzwanzigstersind bei achtsiebenundzwanzigste?? seiner ?? seiner ?? minus sechs ?? sind für jedermann minus vier neuntelvier neuntel sindzwölf sieben zwanzigsteacht minuszwölf siebenundzwanzigster?? sindminus vier sieben zwanzigstedas ist das ?? FunktionswertPunkt sie ergänzen jetzt das mit dem Gradienten der zweiten Ableitung passiertzur Erinnerung noch mal Teller in einer Dimension?? AGeine Funktiondie an der Stelle X nullplusKomma der Text wird im Aha geschrieben Komma der Textwas gegen sie bei Täler in einer Dimensionsoll ich sagen das ist ja wohl im wesentlichen erst mal der Funktionswertan dieser Stelle X nullplusund jetztgeht's weiter um dann im Jahre Ernährung draus zu machen was kommt dazuAbleitung mal die Firmen zur Seite gegangen ist Beistrichvon X null ?? weil der Text das ist jetzt die lineare Näherung waszusammennehmenist es die linearen ?? Gedanken gerade das ist die Gleichung der Tangentengeradeder Weinfunktiondie ich nähern willan einer Stelle X nullmöchte man schon in der Umgebung des Telexmännernzur Seite gehen hier zu X null plus dritter Xist okay was ist der von Sohns werden hier an dieser Stelle dann seitlich mindestens erst mal der Funktionswertan der Stelle X null diese Höhe aber das sind plusein bisschenzu suchen ist ein bisschen genauer zu fassen sie fangen an mit der Tangentengeradedankend anlegensoTangente darlegenwas ist was sie Tangentengeradejetzt zusätzlich bringt ich gehe Dell der Extraseitebringt die Tangentengerade zusätzlich Steigungwar Delta X dieses Stückchen das was da stehtwas zusammenist eine Gleichung für die TangentengeradeKomma baut weiter um eineinnige Parabel dran zu legen Komma so eine schwierige Parabel anzulegensie kriegen dann Deltaex ins Quadratsie kriegen die zweite Ableitungwas kriegen Sie nochdurch zweihoch drei durch drei vergoldet Profil durch vier Fakultäten wenn ich hier Ableitungdie zweite Ableitung zu bestimmenzweimal ableiten ihr dieses Quadrat ?? zwei nach vorne kürzlich mit der zweiwenn Sie auf der rechten Seite zusammenarbeitenzum Schluss wieder die zwei Strich aus wie sein musst ich hätte gern ein Polynomauf der rechten Seite je dessen zweite Ableitung mit Originalfunktionzusammenpasstund sie durch zwei durch drei Fakultät und so weiter Teildassollte plus und so weiter das wäre Täler in einer Dimensiongewesenund schreibt mansinngemäß hin Wassers in zwei Dimensionen des Fonds wird genauso die Ausdrücke werden nur bisschen zu sagen vielfältigesie haben zwei Möglichkeitendie erste Ableitung zu bilden ?? Y ?? haben vier Möglichkeiten die zweite Ableitung zu bildenaber im Prinzip bleiben diese ganzen Thermen erstehenwas schreibe ich jetzt hier hin fürAbleitung halt älter Xwie verallgemeinernSie das jetzt hier auf zwei Dimensionensozialer Sesystemüber das überstehen müssen wie der Gradientder Gradient als Vektor an der Stelleein Drittel minus ein drittel Skalarproduktdelta X delta Y dass wir die Verallgemeinerungdavon kann ausführlich herleiten aber ich hoffe das ist nicht ganz so unlogisch was jetzt passieren wird aber gewiss was der Gradient ist es ?? mich null null netterweisehier steht der Gradient an dieser Stelle ein Drittelminus ein drittelin deren Umgebung ich die Funktion untersuchen will und das wissen wir schon der Gradient an dieser Stelle ist null null der NullvektorAbleitungmal wie weit man zur Seite geht sozusagen ?? sind zweidimensionalübertragen sie einen dreidimensionalenkriegen sie eine Zeile mehr darunter es wird eine Skalarproduktdernächste hier als ?? gesagt mir ?? zweite Ordnungder nächsteist ein bisschen raffinierter was wird jetzt als nächstes stehenokay ausgebrochen die Hesse Matrix ja die Rolle jeder zweiten Ableitung das ist jetzt raffiniertwir haben zum Vektordelta?? stellte Yund dem Siemens Quadrat haben musizierende von links und von rechts an die Hesse Matrix und de facto ein halb Blatt auch bekriegen ein halbdelta X delta Y von links SkalarproduktHesse Matrixund stellte X delta Yvon rechts noch an diverse Matrix an und die Hesse Matrix war schon wieder vergessensechs zwei zwei sechshier steht also sechs zwei zwei sechs das hier ist die Hesse Matrixan dieser Stelleein Drittel minus ein drittel das wäre die Nehrung zweite Ordnungder gegart habe ich im Grunde Zeichen gemachte deutliche hinten wieder Pünktchen wegnehmenhabe ich auch hier und in der zweiter Ordnung Punktokay das ganze zusammenlegen ?? man Teller im eindimensionalen?? verstanden hat kann man sich im zweite Missionaren zusammen ?? was passieren muss die Therme dann kommen Sie an die Manni ziemlich fürchterlich wenn sich nicht mehr mit Matrizenraus lügen können Komma kann sich trotzdemzum Zeichen aus der Affäre ziehen würden bisschen viel weil der ganz viele verschiedene Ableitung bilden können in diversen Reihenfolgen auch nochrichtigsollte das hier klarmachenich rechne Matrix mal Vektorgibt weckte und dann der Skalarproduktisoliert Flächen Klammer zu machen das etwasklarer wird es Beistrich zwei Vektor und dann noch den Vektor von der linken Seite drang im Skalarproduktso sieht eine und zweiter Ordnung aus ?? Besitz hinschreibenwas hier alles stehtam minus vier sieben Zwanzigstelundda kommt jetzt plus ein halb delta X delta Y SkalarproduktHesse Matrix sechs zwei zwei sechsmal delta XX delta Yaber das man es an diesem Ausdruck klarer sieht was passiertdass es die Gleichung Ansbacher Bodo Lietzsie haben Delta sechs mal sechs stellte Excel so weiter ?? entsteht was mit der sechs Quadrate der ?? Quadratsdelta wechselte Y die Gleichung eines Baubiologie ?? und ich kann sicher sein das ist aber wohl ?? nach oben geöffnet es wahrlich die Eigenwerte von dieser Matrix hier zwar nicht ausrechnen aber ich kann die Vorzeichender Eigenwert dieser Matrix sagen diese Eigenwerte sind beide positiv von der Matrix und deshalb öffnet sich hinten anderer Politik nach obenso entstehtdann diese komische Regel mit der Hesse Matrixeigentlich hat man einen ?? und zweiter Ordnung und Täler gebautjetzt aber noch ?? was jetzt in drei Dimensionen anders passieren würdeeine Fusion dreier veränderlicher habenGradientkommt eine Zeile dazuder Text hält Y der DZ Natur kommt hier eine Zeile dazu der ändert sich nichts großartiges dran die Hesse Matrixbekommt man allerdings dann in drei Variablen bei unabhängigen bekommt die Hesse Matrix neun Einträge drei mal drei Einträgemit ganz viel Symmetrie da drinsoweit auch noch okayist es bisschen mehr SchreibaufwandSemikolon hier wird jetzt aber raffiniertermich interessieren die Eigenwerteder Hessematrixdas Feuerder Trick ich untersuche die Eigenwerte der Hesse Matrixin zwei Dimensionenmit zwei veränderlichen soll ich sagen ?? mit zwei veränderlichen Amtsmesse Matrix ist zwei mal zwei zwei Eigenwertegucken sich das Produkt der Eigenwerte an ist das positivmüssen sie weiterhin positivoder beide sind negativ in drei Dimensionendas passiert in drei Dimensionenschreib dir mal dazu Problem in 3Dwas den Ärger hat man ?? Dimension Komma dass es weiter verallgemeinertsowenn die Determinantemal so Determinantevon Hessewenn die Determinanteder Hesse Matrixpositivistdann folgt darausfür die Eigenwertedie könnt ich hatte so ganz abstrakt sind die könnten alle drei positiv seinoderrichtig blöd zwei könnten negativ sein einer könnte positiv sein und das natürlich ungeschickt alle drei positivin 3D kann ich nicht zeichnen aber auch sozusagendann im dreidimensionalennach oben geöffnet als in Ordnung zwei negativ in zwei Richtungen geht's runter in eine Richtung geht's rauf das haut nicht hin also es reicht in in drei Dimensionen nicht dieses Kriterium zu gucken ob die Determinante des Matrix positiv ist das ganz schief gehen Komma muss ich dann Teile von der Matrix auch ?? angucken will ich nicht durch die kenianische ?? nicht so richtig lustig man könnte einfach die Eigenwerte bestimmenwenn sie einfach die Matrix bestimmen und dann von der Matrix Eigenwerte bestimmen und sich überzeugen dass sie alle positiveEigenwerte haben oder nur negative Eigenwerte handeln sie bei den Ordnungskriteriummit der Determinante das es schon für zwei mal zwei aber funktioniert eben nicht so wies ist für drei mal drei