Tema

[Resuelto] Final 29/12/2009

10 respuestas 12178 visitas

\(1.\) Sea \(f : U \subset \mathbb{R}^2 \longrightarrow \mathbb{R}\) con \(U\) abierto y \(P \in U\). Probar que si \(f\) es diferenciable en \(P \in U\) y \(P\) es un extremo local de \(f\), entonces \(\nabla f(P)=0\).

Si \(P\) es un extremo local de \(f\) entonces \(P\) es un máximo local o un mínimo local.
Si \(P=({p}_{1},{p}_{2})\) es un máximo local \(\Rightarrow \exists {B}_{\delta}(P) \subset U\) (bola de radio delta y centro \(P\)) tal que
\((x,y) \in {B}_{\delta}(P) \Rightarrow f(P) \geq f(x,y)\).

Fijo \(x={p}_{1}\), sea \(y\) tal que

$$\delta>||({p}_{1},y)- ({p}_{1},{p}_{2})||=|y-{p}_{2}|$$
Sea \(g(y)=f({p}_{1},y)\) \(g: \mathbb{R} \longrightarrow \mathbb{R}\) Como \(|y-{p}_{2}|<\delta \Rightarrow g(y)=f({p}_{1},y) \leq f ({p}_{1},{p}_{2})=g({p}_{2})\); \(g\) alcanza un máximo local en \({p}_{2}\)

\(f\) es diferenciable \(\Rightarrow g\) es derivable , \(\exists \frac{\partial f }{\partial y}(x,y)\) y \(g'(y)= \frac{\partial f }{\partial y}({p}_{1},y)\).
Por Fermat, \(g'({p}_{2})=0\), es decir, \(\frac{\partial f }{\partial y}({p}_{1},{p}_{2})=0\).

Fijo \(y={p}_{2}\)
Sea \(h:\mathbb{R}\longrightarrow\mathbb{R}\), \(h(x)=f(x,{p}_{2})\)
Sea \(x\) tal que \(|x-{p}_{1}|=||(x,{p}_{2})-({p}_{1},{p}_{2})||<\delta\) \(\Rightarrow h({p}_{1})=f({p}_{1},{p}_{2}) \geq f(x,{p}_{2})=h(x)\) \(\Rightarrow h\) alcanza un máximo local en \({p}_{1}\)

\(f\) es diferenciable \(\Rightarrow h\) es derivable , \(\exists \frac{\partial f }{\partial x}(x,y)\) y \(h'(x)= \frac{\partial f }{\partial x}(x,{p}_{2})\).
Por Fermat, \(h'({p}_{1})=0\), es decir, \(\frac{\partial f }{\partial x}({p}_{1},{p}_{2})=0\).

Luego, \(\nabla f(P)=( \frac{\partial f }{\partial x}(P),\frac{\partial f }{\partial y}(P))=(0,0)\)

Si \(P\) es un mínimo local la demostración es análoga

\(2.\) Sea \(f: [a,b] \longrightarrow \mathbb{R}\). Probar que si \(f\) es integrable entonces para todo \(\varepsilon >0\) existe una partición \(\mathcal{P}\) del intervalo \([a,b]\), \(\mathcal{P}=\lbrace {x}_{0}=a<{x}_{1}< ... <{x}_{n}=b \rbrace\), tal que \(\sum_{i=1}^{n}{M}_{i}({x}_{i}-{x}_{i-1})- \sum_{i=1}^{n}{m}_{i}({x}_{i}-{x}_{i-1}) < \varepsilon\), donde \({M}_{i}=sup \lbrace f(x), x \in [{x}_{i-1},{x}_{i}] \rbrace\) y \({m}_{i}=inf \lbrace f(x), x \in [{x}_{i-1},{x}_{i}] \rbrace\).

Notación:
\(\bar{S}(f,P) = \sum_{i=1}^{n}{M}_{i}({x}_{i}-{x}_{i-1})\), \({M}_{i}\) definido en el enunciado, \(P\) partición.

\(\underline{S}(f,P)= \sum_{i=1}^{n}{m}_{i}({x}_{i}-{x}_{i-1})\), \({m}_{i}\) definido en el enunciado, \(P\) partición.

Quiero ver que \(\exists P\) partición tal que \(\bar{S}(f,P) - \underline{S}(f,P) < \varepsilon\).

\(f\) es integrable, entonces
\(sup \lbrace \underline{S}(f,Q), Q\) partición \(\rbrace = inf \lbrace \bar{S}(f,Q), Q\) partición \(\rbrace = \int_{a}^{b}fdx\).

Por definición de supremo, \(\exists {P}_{1}\) partición de \([a,b]\) tal que
\(\int_{a}^{b}fdx \geq \underline{S}(f,{P}_{1}) > \int_{a}^{b}fdx - \frac{\varepsilon}{2}\) \(\color{blue}{^{(1)}}\)

Por definición de ínfimo, \(\exists {P}_{2}\) partición de \([a,b]\) tal que
\(\int_{a}^{b}fdx \leq \bar{S}(f,{P}_{2}) < \int_{a}^{b}fdx + \frac{\varepsilon}{2}\) \(\color{blue}{^{(2)}}\)

Sea \(P={P}_{1} \cup {P}_{2}\); \(P\) es más fina que \({P}_{1}\) y \({P}_{2}\) entonces
\(\underline{S}(f,{P}_{1}) \leq \underline{S}(f,P)\) \(\color{blue}{^{(3)}}\) y
\(\bar{S}(f,{P}_{2}) \geq \bar{S}(f,P)\) \(\color{blue}{^{(4)}}\)

Usando las desigualdades \(\color{blue}{^{(1)}}\) y \(\color{blue}{^{(3)}}\) y la definición de supremo obtengo
\(\int_{a}^{b}fdx \geq \underline{S}(f,P) \geq \underline{S}(f,{P}_{1}) > \int_{a}^{b}fdx - \frac{\varepsilon}{2}\) \(\color{blue}{^{(5)}}\)

Usando las desigualdades \(\color{blue}{^{(2)}}\) y \(\color{blue}{^{(4)}}\) y la definición de ínfimo obtengo
\(\int_{a}^{b}fdx \leq \bar{S}(f,P) \leq \bar{S}(f,{P}_{2}) < \int_{a}^{b}fdx + \frac{\varepsilon}{2}\) \(\color{blue}{^{(6)}}\)

Juntando \(\color{blue}{^{(5)}}\) y \(\color{blue}{^{(6)}}\)…

$$\int_{a}^{b} fdx + \frac{\varepsilon}{2} > \bar{S}(f,P) \geq \underline{S}(f,P) > \int_{a}^{b} fdx - \frac{\varepsilon}{2}$$
Como \(\bar{S}(f,P)\) y \(\underline{S}(f,P)\) distan de \(\int_{a}^{b}fdx\) menos de \(\frac{\varepsilon}{2}\); \(\bar{S}(f,P)\) y \(\underline{S}(f,P)\) distan entre sí menos de \(\varepsilon\); es decir

\(\bar{S}(f,P) - \underline{S}(f,P) < \varepsilon\).

\(3.\) Sea \(f(x,y)=exp(x^2-xy+x+2y)\). Probar que \(\lim_{(x,y) \rightarrow (0,0)} \frac{f(x,y)-1-x-2y-\frac{3}{2}x^2-2y^2-xy}{x^2+y^2}=0\)

Por el teorema de Taylor sé que a \(f\) cerca de un punto \(({x}_{0},{y}_{0})\) la puedo escribir como
\(f(x,y)={P}_{2}(x,y)+{R}_{2}(x,y, {x}_{0},{y}_{0})\); con \({P}_{2}\) su polinomio de Taylor de orden \(2\) en \(({x}_{0},{y}_{0})\) y \({R}_{2}\) cumple que

$$\lim_{(x,y) \rightarrow ({x}_{0},{y}_{0})} \frac{{R}_{2}}{||(x,y)-( {x}_{0},{y}_{0})||^2}=0$$

Voy a ver que el polinomio de Taylor de orden \(2\) de \(f\) en \((0,0)\) es \(P(x,y)=1+x+2y+\frac{3}{2}x^2+2y^2+xy\)

Por definición, el polinomio de Taylor de orden \(2\) de \(f\) en \((0,0)\) es

$${P}_{2}(x,y)=f(0,0)+{f}_{x}(0,0)x+{f}_{y}(0,0)y+\frac{1}{2} [{f}_{xx}(0,0)x^2+{f}_{yy}(0,0)y^2+2{f}_{xy}(0,0)xy]$$

Calculando las derivadas y evaluando obtengo que

$$f(0,0)=1$$
$${f}_{x}(0,0)=1$$
$${f}_{y}(0,0)=2$$
$${f}_{xx}(0,0)=3$$
$${f}_{yy}(0,0)=4$$
$${f}_{xy}(0,0)=1$$

Luego \({P}_{2}(x,y)=1+1.x+2.y+\frac{1}{2}[3.x^2+4.y^2+2.1.xy]=\)\(1+x+2y+\frac{3}{2}x^2+2y^2+xy\).

Luego
\(\frac{f(x,y)-1-x-2y-\frac{3}{2}x^2-2y^2-xy}{x^2+y^2}=\)\(\frac{f(x,y)-{P}_{2}(x,y)}{||(x,y)||^2}\)=\(\frac{{R}_{2}(x,y,0,0)}{||(x,y)-(0,0)||^2}\) que tiende a \(0\) cuando \((x,y)\) tiende a \((0,0)\) por lo antes dicho.

\(4.\) Estudiar los máximos globales de \(f(x)={x}_{1} \cdot ... \cdot {x}_{n}\) sobre \(K= \lbrace x \in \mathbb{R}^n : \sum_{i=1}^{n}{x}_{i}=s, {x}_{i} \geq 0 \forall i \rbrace\) (\(s>0\) dado). Deducir la desigualdad aritmético-geométrica \(\prod_{i=1}^{n}({x}_{i})^{\frac{1}{n}} \leq \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}{x}_{i}\).

Como \(K\) es compacto (la demostración de que es compacto se las debo), voy a buscar extremos con Multiplicadores de Lagrange.

Sea \(g: \mathbb{R}^n \longrightarrow \mathbb{R}\)

$$g(x)= (\sum_{i=1}^{n}{x}_{i})-s$$
$$K= \lbrace x \in \mathbb{R}^n : g(x)=0 \rbrace$$
\(\nabla g(x)=(1,...,1) \neq 0\) \(\forall x\)

Entonces, si \(\bar{x}\) es un extremo de \(f\) restringido a \(K\),

$$\nabla f(\bar{x})= \lambda \nabla g(\bar{x})= (\lambda,..., \lambda)$$
$$\nabla f(\bar{x})=(\prod_{i=2}^{n}{\bar{x}}_{i}, \prod_{i=1,i \neq 2}^{n}{\bar{x}}_{i}, ..., \prod_{i=1}^{n-1}{\bar{x}}_{i})$$

Si \(\lambda=0\), igualando coordenada a coordenada obtengo \(\bar{x}=0\)
(\(\bar{x}=0 \notin K\), pues si perteneciera \(0=\sum_{i=1}^{n}0=s>0\); absurdo)

Luego \(\lambda \neq 0\)

Mirando la primer y segunda coordenada:

$${\bar{x}}_{2} \cdot {\bar{x}}_{3} \cdot ... \cdot {\bar{x}}_{n} = \lambda \neq 0$$
\({\bar{x}}_{1} \cdot {\bar{x}}_{3} \cdot ... \cdot {\bar{x}}_{n} = \lambda \neq 0\) entonces \({\bar{x}}_{i} \neq 0\) para \(1 \leq i \leq n\)
$${\bar{x}}_{2} \cdot {\bar{x}}_{3} \cdot ... \cdot {\bar{x}}_{n} = {\bar{x}}_{1} \cdot {\bar{x}}_{3} \cdot ... \cdot {\bar{x}}_{n}$$

Divido por \({\bar{x}}_{3} \cdot ... \cdot {\bar{x}}_{n}\) y queda

$${\bar{x}}_{1}={\bar{x}}_{2}$$
Repitiendo esto con las demás coordenadas, obtengo que \({\bar{x}}_{i}={\bar{x}}_{j}\) \(\forall 1 \leq i,j \leq n\), o sea
$$\bar{x}= (\alpha, ..., \alpha)$$
Veo para que valor/es de \(\alpha\) \(\bar{x} \in K\)
$$\sum_{i=1}^{n}\alpha=n.\alpha=s \Rightarrow \alpha= \frac{s}{n}$$

Luego el máximo de \(f\) restringido a \(K\) se alcanza en \(\bar{x}=(\frac{s}{n},...,\frac{s}{n})\).

Sea \(x \in \mathbb{R}^n\) tal que \(\sum_{i=1}^{n}{x}_{i}=s\) (\(s>0\) dado), entonces

$$\prod_{i=1}^{n}{x}_{i} \leq \prod_{i=1}^{n} \frac{s}{n}$$
$$\prod_{i=1}^{n}{x}_{i} \leq (\frac{s}{n})^n$$
$$(\prod_{i=1}^{n}{x}_{i} )^{\frac{1}{n}} \leq \frac{1}{n} s$$
\(\prod_{i=1}^{n}({x}_{i})^{\frac{1}{n}} \leq \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}{x}_{i}\)
Firma
$$\bigstar Sofi \bigstar$$

una pregunta del ejercicio 4. Cuando vos decis " \(\lambda=0\) igualando coordenada a coordenada obtengo \(\bar{X}=0\)" no estaria mal ? Porque si despejas de las ecuaciones de arriba, si \(\lambda=0\) te quedaria que el gradiente de f es cero y si tomas \(x_1 = x_n = 0 \,\,\,se\,\, cumplen\,\, las\,\, ecuaciones\,\, y\,\, \bar{X}\,\, no\,\, es\,\, 0\).

Si alguien me puede responder esta duda buenisimo. Muchas Gracias. Andrés.

Si mirás bien, la igualdad no es estricta, osea que Xi=0 o Xi>0. Ahora si tomamos que X1= 0 y X2=0, entonces si lamba es igual a 0, la sumatoria de las cordenadas puede ser distinta de 0, el gradiente de f es 0 y el gradiente de G es 0. osea que existe la opción de que todos los puntos Xi,Xj=0 y el resto podría ser cualquier punto. Corrijanme si me equivoco, saludos.

Aclaro de antemano, es obvio que si Xi=Xj=0 , el producto de todas las cordenadas va a ser 0 y eso es un mínimo de f restringida a K, porque es 0.

Bueno entonces si lambda es cero, no necesariamente el punto tiene que ser X= (0, 0 , .... , 0). Esa era mi duda.
Gracias.

andres_f escribió:

Bueno entonces si lambda es cero, no necesariamente el punto tiene que ser X= (0, 0 , .... , 0). Esa era mi duda.
Gracias.

Claro, con que hayan 2 cordenadas Xi iguales a 0, y una distinta, ya se cumple la restricción de k y ese punto es un punto crítico. Igualmente te pide el máximo, y es obvio que como Xi tiene que ser mayor o igual a 0, para todos los puntos que consigas con esto su productoria va a ser 0 y es un mínimo.

Otra aclaración, para usar multiplicadores de lagrange no hace falta que sea compacta la superficie, por lo menos en el enunciado del teorema no lo dice.
K es compacto porque cada una de sus cordenadas a lo sumo vale 0 o vale S, con eso se prueba que la norma está acotada y el conjunto k está acotado. Ahora para probar que es cerrado tenes que probar que todas las suceciones convergentes que existen en cada una de las cordenadas convergen a un punto contenido en ellas. Pero como la cota de cada una de las cordenadas es 0 o s, que si bien dependen del valor de las otras, estan contenidas en los valores que pueden tomar las cordenadas, el conjunto es cerrado. Demostrar formalmente que es cerrado te la regalo.

Buenas gente, queria ver si esta resolucion que hice del punto 1 esta bien...

Sea \({P}_{0}=({x}_{0},{y}_{0})\) un maximo local,
entonces existe \({B}_{\varepsilon}({P}_{0}) \subset U\)
tal que si \(P=(x,y) \in {B}_{\varepsilon}({P}_{0}) \Rightarrow f(P) \leq f({P}_{0})\)

Calculo \(\frac{\partial f}{\partial x}({P}_{0})\) mediante los limites laterales:

$$\lim_{h \rightarrow \0^-} \frac{f({x}_{0}+h,{y}_{0}) - f({x}_{0},{y}_{0})}{h} \geq 0$$
$$\lim_{h \rightarrow \0^+} \frac{f({x}_{0}+h,{y}_{0}) - f({x}_{0},{y}_{0})}{h} \leq 0$$

Y como los limites laterales tienen q ser iguales, entonces \(\frac{\partial f}{\partial x}({P}_{0})=0\)

Despues hago lo mismo con \(\frac{\partial f}{\partial y}({P}_{0})\), veo que tambien es igual a 0
y entonces \(\nabla f({P}_{0})=(\frac{\partial f}{\partial x}({P}_{0}),\frac{\partial f}{\partial y}({P}_{0}))=0\)

Analogo si \({P}_{0}\) es un minimo local

Gracias!

Está bien.

Hola yo también quisiera saber si esta resolución del punto 1 esta bien:

Armo una g(t)=p + tEi => H(t) = Fog(t)

Luego suponiendo que P es maximo tengo que: H(t) < H(0) = F(P) para todo t
Entonces H(0) es máximo y puedo aplicar fermat en IR (por composición de continuas)

0 = H'(0) = F'(g(0)).g'(0) = "Gradiente de F(P)".Ei = 0
y esto se puede probar para todos los Ei => "Gradiente de F(p)" = 0

Creo que faltan aclarar algunas parte.. Pero la idea no esta tan mal no?

PD: me acabo de registrar y no tengo idea de como escribir las funcione bien como ustedes.. Saludos!

Hay un manual para usar latex, buscalo que está por ahi!
La demostración así como la pusiste es un poco informal, está bien, lo único es que tenés que aclarar que en realidad se aplica en una bola, no en toda la función porque es para extremos locales, también que f es derivable, etc.
Si se fijan bien las demostraciones que están poniendo son todas la misma pero le cambian la notación, es lo mismo moverse solo en x que moverse en g(t)=p+t.E1 .

Muchas gracias Nahuel, ahí encontré el manual.
Saludos a todos y nos vemos mañana si alguien va a rendir!

gente, estoy tratando de ver las resoluciones y eso, pero en donde tendrian que estar las formulas me aparece una imagen de codecogs que dice ecuation quota exceeded, no puedo ver nada