Kurs:Mathematik für Anwender (Osnabrück 2011-2012)/Teil II/Arbeitsblatt 44

Aufwärmaufgaben

Aufgabe

Bestimme die Richtungsableitung der Funktion

$\mathbb {R} ^{2}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,(x,y)\longmapsto xy,$

1. im Punkt ${}(0,0)$ in Richtung ${}(1,0)$,
2. im Punkt ${}(0,0)$ in Richtung ${}(2,5)$,
3. im Punkt ${}(1,0)$ in Richtung ${}(1,0)$,
4. im Punkt ${}(1,0)$ in Richtung ${}(0,1)$,
5. im Punkt ${}(2,3)$ in Richtung ${}(-1,0)$,
6. im Punkt ${}(3,7)$ in Richtung ${}(5,-4)$.

Aufgabe

Bestimme die Richtungsableitung der Funktion

$\mathbb {R} \times \mathbb {R} \setminus \{0\}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,(x,y)\longmapsto {\frac {x}{y}},$

1. im Punkt ${}(0,1)$ in Richtung ${}(1,0)$,
2. im Punkt ${}(0,1)$ in Richtung ${}(0,1)$,
3. im Punkt ${}(1,3)$ in Richtung ${}(2,4)$,
4. im Punkt ${}(-1,6)$ in Richtung ${}(-3,-1)$,
5. im Punkt ${}\left(1,\,{\frac {1}{100}}\right)$ in Richtung ${}(0,-1)$.

Aufgabe

Es sei

$f\colon \mathbb {R} \longrightarrow \mathbb {R}$

eine Funktion. Zeige, dass ${}f$ in einem Punkt ${}P\in \mathbb {R}$ genau dann differenzierbar ist, wenn ${}f$ in ${}P$ in Richtung ${}1$ differenzierbar ist, und dass dann die Gleichheit

${}{\left(D_{1}f\right)}{\left(P\right)}=f'(P)\,$

gilt.

Aufgabe

Es seien ${}V$ und ${}W$ reelle endlichdimensionale Vektorräume, ${}G\subseteq V$ offen, ${}P\in G$ und ${}v\in V$. Es sei

$\varphi \colon G\longrightarrow W$

eine Abbildung. Zeige, dass die Richtungsableitung ${}{\left(D_{v}\varphi \right)}{\left(P\right)}$ im Punkt ${}P$ genau dann existiert, wenn die Kurve

$I\longrightarrow W,\,t\longmapsto \varphi (P+tv),$

in ${}t=0$ differenzierbar ist. Wie muss dabei das Intervall ${}I$ gewählt werden?

Aufgabe

Bestimme, für welche Punkte ${}P\in \mathbb {R} ^{n}$ und welche Richtungen ${}v\in \mathbb {R} ^{n}$ die Richtungsableitung der euklidischen Norm

$\mathbb {R} ^{n}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,(x_{1},\ldots ,x_{n})\longmapsto {\sqrt {x_{1}^{2}+\cdots +x_{n}^{2}}},$

existiert.

Aufgabe

Untersuche die Funktion

$f\colon \mathbb {R} ^{2}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,(x,y)\longmapsto x^{2}-y^{2},$

im Nullpunkt ${}(0,0)$ auf Richtungsableitungen. Man entscheide für jede Gerade ${}G$ durch den Nullpunkt, ob die Einschränkung von ${}f$ auf ${}G$ im Nullpunkt ein Extremum besitzt.

Aufgaben zum Abgeben

Aufgabe (4 Punkte)

Bestimme die Richtungsableitung der Funktion

$\mathbb {R} ^{2}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,(x,y)\longmapsto x^{2}\sin y-e^{x}y-x,$

1. im Punkt ${}(0,0)$ in Richtung ${}(1,0)$,
2. im Punkt ${}(0,0)$ in Richtung ${}(0,1)$,
3. im Punkt ${}(0,0)$ in Richtung ${}(2,0)$,
4. im Punkt ${}(0,0)$ in Richtung ${}(1,-3)$,
5. im Punkt ${}(1,1)$ in Richtung ${}(1,1)$,
6. im Punkt ${}(1,0)$ in Richtung ${}(-1,{\frac {1}{2}})$,
7. im Punkt ${}(5,7)$ in Richtung ${}(1,0)$,
8. im Punkt ${}(1,0)$ in Richtung ${}(5,7)$.

Aufgabe (2 Punkte)

Bestimme die Richtungsableitung der Funktion

$\mathbb {R} ^{2}\setminus {\left\{(x,y)\mid x^{2}+y^{3}=0\right\}}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,(x,y)\longmapsto {\frac {x^{2}-xy+y^{4}}{x^{2}+y^{3}}},$

1. im Punkt ${}(1,1)$ in Richtung ${}(1,0)$,
2. im Punkt ${}(0,1)$ in Richtung ${}(0,1)$,
3. im Punkt ${}(1,0)$ in Richtung ${}(0,1)$,
4. im Punkt ${}(3,-2)$ in Richtung ${}(2,-5)$.

Aufgabe (5 Punkte)

Bestimme die Richtungsableitungen der Funktion (${}r_{i}\in \mathbb {N}$)

$\mathbb {R} ^{n}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,(x_{1},\ldots ,x_{n})\longmapsto x_{1}^{r_{1}}{\cdots }x_{n}^{r_{n}},$

in einem Punkt

$a=(a_{1},\ldots ,a_{n})$

in Richtung

$v=(v_{1},\ldots ,v_{n}).$

Aufgabe (4 Punkte)

Zeige, unter Verwendung von Aufgabe 44.9, dass zu einer polynomialen Funktion

$\varphi \colon \mathbb {R} ^{n}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,(x_{1},\ldots ,x_{n})\longmapsto \varphi (x_{1},\ldots ,x_{n}),$

zu einer fixierten Richtung ${}v\in \mathbb {R} ^{n}$ die Richtungsableitung ${}D_{v}\varphi$ existiert und selbst polynomial ist.

Aufgabe (4 Punkte)

Es seien ${}V$ und ${}W$ endlichdimensionale ${}{\mathbb {R} }$- Vektorräume, sei ${}G\subseteq V$

offen, ${}P\in G$ ein Punkt, ${}v\in V$ ein Vektor und sei

$f\colon G\longrightarrow W$

eine Abbildung, die im Punkt ${}P$ in Richtung ${}v$ differenzierbar sei. Zeige, dass ${}f$ auch in Richtung ${}cv$ mit ${}c\in {\mathbb {R} }$ differenzierbar ist und die Beziehung

${}{\left(D_{cv}f\right)}{\left(P\right)}=c{\left(D_{v}f\right)}{\left(P\right)}\,$

gilt.