Kuadratik yüzeyler, çok değişkenli fonksiyonlar ve seviye eğrileri
Altı temel kuadratik yüzeyi denkleminden tanımayı, iki değişkenli bir fonksiyonun tanım kümesini, görüntü kümesini ve seviye eğrilerini bulmayı, iki değişkenli limitin var olmadığını iki yol testiyle göstermeyi öğrenirsin.
Çok değişkenli calculus’a giriş haftası. İki iş yapıyoruz. Önce uzaydaki ikinci dereceden yüzeyleri (quadric surfaces) denklemlerinden tanımayı öğreneceksin: sınavda “identify and sketch” sorusu olarak gelir, ayrıca çift katlı integral ve Lagrange sorularında bölgeyi ve kısıtı görmek için gerekir. Sonra biçimindeki iki değişkenli fonksiyonlara geçiyoruz: tanım kümesi, görüntü kümesi, seviye eğrileri ve limit. Önümüzdeki hafta kısmi türeve geçtiğimizde bu dil hazır olacak.
Altın kurallar:
- Bir yüzeyi tanımak için izlerine (traces) bak: , ya da ‘yi sabit tutunca elde edilen düzlem eğrileri.
- İşaret sayımı: kaç tane eksi işaretli kare var, sağ tarafta mı mi, birinci dereceden değişken var mı?
- Tanım kümesinde kök içi , logaritma içi , payda .
- Seviye eğrisi ; bir noktadan geçeni istenirse ‘yi o noktadan hesapla.
- İki değişkenli limitte iki farklı yol farklı sonuç veriyorsa limit yoktur. Ama birkaç yolun aynı sonucu vermesi limitin varlığını KANITLAMAZ.
Kuadratik yüzeyler
Genel biçim: , , ‘de ikinci dereceden bir denklem. Bu derste karşına çıkacak altı tip:
| Yüzey | Standart denklem | izi | Diğer izler |
|---|---|---|---|
| Elipsoit (ellipsoid) | elips | elips | |
| Eliptik paraboloit | elips () | yukarı parabol | |
| Hiperbolik paraboloit | hiperbol | zıt yönlü paraboller | |
| Koni (cone) | elips | kesişen doğru çifti | |
| Tek parçalı hiperboloit | elips (hep var) | hiperbol | |
| İki parçalı hiperboloit | elips () | hiperbol |
ise elipsler daireye döner ve yüzey ekseni etrafında dönel olur (circular paraboloid, circular cone gibi).
Tanıma şablonu
1) Birinci dereceden bir değişken var mı? (z = ... ) → paraboloit
kareler aynı işaretli → eliptik, zıt işaretli → hiperbolik (eyer)
2) Hepsi kare. Sabit terim 0 mı? → koni
3) Hepsi kare, sağ taraf 1 (pozitif sabit):
eksi yok → elipsoit
bir eksi → tek parçalı hiperboloit
iki eksi → iki parçalı hiperboloit
4) Eksen: "farklı" olan değişkenin ekseni (eksi işaretli olan, ya da 1. dereceden olan)
5) Bir değişken hiç yoksa → silindir
Örnek 1. . ‘ya böl: . Elipsoit; ve yönünde yarı eksen , yönünde . ekseni boyunca uzamış bir “rugby topu”.
Örnek 2. . birinci dereceden, kareler aynı işaretli: dairesel paraboloit, ekseni ekseni, ‘nin pozitif yönüne açılıyor. izi dairesi.
Örnek 3. . İki eksi: iki parçalı hiperboloit, eksen ekseni (tek pozitif olan). için yüzey yok.
TUZAK · eksen hangi değişken? Hiperboloitlerde eksen, işareti diğerlerinden farklı olan değişkenin eksenidir. ‘de bu ; ‘de . “Eksi işaretli olan” diye ezberlersen ikinci örnekte yanılırsın.
Küre ve tam kareye tamamlama
, merkezi , yarıçapı olan küre. Açık yazılmış bir denklemde her değişken için tam kareye tamamla.
Örnek 4. .
Merkez , yarıçap . Kontrol: merkezden birim uzakta, denklemi sağlamalı: ✓.
Çok değişkenli fonksiyonlar
, düzlemdeki her noktasına bir sayı atar. Grafiği uzayda yüzeyidir. Tanım kümesi (domain): formülün anlamlı olduğu noktalar. Görüntü kümesi (range): alınan değerler.
| Fonksiyon | Tanım kümesi | Görüntü |
|---|---|---|
| (parabolün üstü ve kendisi) | ||
| birim çember hariç her yer | ||
| : 1. ve 3. çeyrek (eksenler hariç) | ||
Tanım kümesini çizerken sınırın dahil olup olmadığını belirt: ise kesiksiz çizgi (kapalı), ise kesikli çizgi (açık).
Seviye eğrileri (level curves)
denklemini sağlayan noktaların kümesi bir seviye eğrisidir. Farklı değerleri için çizilen seviye eğrilerinin hepsine kontur haritası (contour map) denir; haritalardaki eş yükselti eğrileri tam olarak bu.
Örnek 5. : seviye eğrileri , merkezli daireler (). Daireler eşit aralıklarla artarken birbirine yaklaşır, çünkü paraboloit dışa doğru dikleşir.
Örnek 6. : seviye eğrileri , yukarı kaydırılmış paraboller.
Örnek 7. : için hiperboller, için doğruları. Eyer yüzeyinin kontur haritası.
Üç değişkenli için aynı fikir seviye yüzeyi (level surface) verir: . eş merkezli küreler.
İPUCU · kontur yoğunluğu. Kontur çizgilerinin sık olduğu yerde fonksiyon hızlı değişir (yüzey dik), seyrek olduğu yerde yavaş değişir. 10. haftadaki gradient vektörü tam bu bilgiyi verir ve seviye eğrisine her zaman diktir.
Limit ve süreklilik
demek, noktası ‘ye hangi yoldan yaklaşırsa yaklaşsın ‘nin ‘ye gitmesi demek. Tek değişkende sadece iki yön (sağ, sol) vardı; düzlemde sonsuz yol var.
Süreklilik. Polinomlar, tanım kümelerinde rasyonel fonksiyonlar ve bunların , , , ile bileşkeleri süreklidir. Sürekli bir fonksiyonda limit = yerine koymak: .
İki yol testi (two-path test)
İki farklı yol boyunca farklı limitler çıkıyorsa limit yoktur.
Örnek 8. , ‘da. ekseni (): . ekseni (): . Limit yok.
Örnek 9 (doğrular yetmez). . Her doğrusu boyunca . Ama parabolü boyunca . Limit yok. Doğrularla sonuç alamazsan pay ve paydanın derecesini eşitleyen bir eğri dene.
Limitin var olduğunu göstermek
Yollar aynı sonucu veriyorsa limiti sıkıştırma ile kanıtla: ve . Kutupsal koordinat da işe yarar: , koy; ifade ‘dan bağımsız olarak iken ‘a gidiyorsa limit .
Sık yapılan hatalar
| Yanlış | Doğrusu |
|---|---|
| Tek parçalı ile iki parçalı hiperboloiti karıştırmak | Bir eksi: tek parça; iki eksi: iki parça |
| Hiperbolik paraboloiti hiperboloit sanmak | Birinci dereceden değişken varsa paraboloit |
| Koniyi hiperboloit sanmak | Sabit terim ise koni |
| Tam karede sağ tarafa ekleme yapmamak | Eklediğini sağa da ekle |
| tanım kümesinde | ; sınır dahil değil |
| Seviye eğrisi yerine grafiği çizmek | Seviye eğrisi düzleminde |
| Birkaç doğru aynı sonucu verdi, “limit var” | Sıkıştırma ya da kutupsal ile kanıtla |
| çıkınca “limit yok” demek | Önce sadeleştir; çarpanlara ayır |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
Identify the surface .
Cevabı göster
birinci dereceden, ve karesel ve işaretleri zıt: hiperbolik paraboloit, eyer (saddle) şekli.
İzler: 'da (yukarı açılan parabol), 'da (aşağı açılan parabol), 'da hiperboller.
Identify the surface .
Cevabı göster
Üç değişken de karesel, sağ taraf , bir eksi işareti var: tek parçalı hiperboloit. Eksen eksi işaretli değişkenin ekseni, . izi , her için bir daire: yüzey kopmadan devam ediyor.
Identify the surface .
Cevabı göster
İki eksi işareti: iki parçalı hiperboloit. izi ; için boş.
Yani arasında yüzey yok, iki ayrı parça var.
Identify the surface .
Cevabı göster
Sağ taraf (sabit yok), karesel terimler: koni. izi , yarıçapı olan daire; tepe noktası orijin.
Describe the trace of in the plane .
Cevabı göster
koy: , 'e böl: .
Yarı eksenler yönünde , yönünde . Yüzey eliptik paraboloit.
Find the domain and range of .
Cevabı göster
Kök içi negatif olamaz: , yani yarıçapı olan kapalı disk.
En büyük değer merkezde: . En küçük değer sınır çemberinde: . Görüntü .
Grafik üst yarı küre.
Find the domain of .
Cevabı göster
sadece pozitif sayılarda tanımlı: , .
Bu, parabolünün sağında kalan bölge; parabolün kendisi dahil değil (açık bölge).
Find the level curve of that passes through .
Cevabı göster
. Seviye eğrisi , yani , bir elips.
Evaluate .
Cevabı göster
Doğrudan koyunca . Çarpanlara ayır: ().
Polinom sürekli: .
Show that does not exist.
Cevabı göster
doğrusu boyunca: . ( ekseni) için , () için . İki yol farklı değer veriyor.
İki yol testi (two-path test): limit yoktur.
Evaluate or show it does not exist.
Cevabı göster
Yollar hep veriyor, sıkıştırma ile kanıtla. olduğundan .. Sıkıştırma teoremi: limit .
(Kutupsal koordinatla da: , .)
Find the center and radius of the sphere .
Cevabı göster
Tam kareye tamamla: .. Merkez , yarıçap .
Doğrulama: Küre merkez/yarıçapları noktaları yerine koyarak, görüntü kümesi ızgara taramasıyla, limitler farklı yollar boyunca (0,0)'a çok yakın değerlerle ve r=1e-6 çemberi üzerinde tarama ile node'da kontrol edildi (verify/MAT1052/08.mjs).