Anki Dokazi

Table of Contents

1. Trditev 2.19

Naj bo \( K \subset \mathbb{R}^n \) kvader in \( f: K \to [0, \infty) \) omejena. Tedaj velja

\[ \int\limits_K f \,dx = 0 \ \implies \ f = 0 \text{ s.p. } K \]

1.1. Dokaz

1.1.1. 1.

Case: \( K_n = \left\{ x \in K; \ f(x) \le \frac{1}{n} \right\}, \ n \in \mathbb{N} \)

1.1.2. 2.

\( 0 \le \chi_{K_n} \le nf \) velja povsod na \( K \)

  1. <2>.1

    \( f \ge 0 \) Dokaz: zaradi definicije funkcije \( f(x) \) v 1.

  2. <2>.2 QED

1.1.3. 3.

\[ 0 \le S(\chi_{K_n}) \le n \cdot S(f) = 0 \]

  1. <3>.1

    Case: \( S(\chi_{K_n}) = \inf_D S(\chi_{K_n}, D) \).

  2. <3>.2

    \( 0 \le S(\chi_{K_n}, D) \le S(nf, D) = n S(f, D) \) za vsako delitev \( D \) kvadra \( K \) Dokaz: 2. ter definicije zgornje Darbouxove vsote:

    \begin{align*} S(f, D) &= \sum\limits_{i = 1}^n \sum\limits_{j = 1}^m M_{ij} \left| P_{ij} \right| && M_{ij} = \sup f(x, y) \\ S(nf, D) &= \sum\limits_{i=1}^n \sum\limits_{j=1}^m n M_{ij} \left| P_{ij} \right|\\ = n S(f, D) \end{align*}
  3. <3>.3

    \( n \cdot S(f) = 0 \), ker je \( \int\limits_K^{} f\,\mathrm{d x} = 0 \) Dokaz: predpostavka v trditvi

  4. <3>.4 QED

1.1.4. 4.

\( S(\chi_{K_n}) = 0 \)

Dokaz: 3.

1.1.5. 5.

\[ \int\limits_K^{} \chi_{K_n}\,\mathrm{d x} = \int\limits_{K_n}^{}1\,\mathrm{d x} = 0 \]

Dokaz: definicija karakteristične funkcije \( \chi_{K_n} \) ter 4.

/zdi se mi, da je implicitno privzeto, da je funkcija integrabilna in po definiciji je integrabilna, ko sta \( s(f) = S(f) \) enaki.

1.1.6. 6.

\[ V(K_n) \exists \ \land \ V(K_n = 0) \]

Dokaz: 5.

1.1.7. 7.

\[ m(K_n) = 0 \ \forall n \in \mathbb{N} \]

Dokaz: Trditev 2.17, če je \( A \subset \mathbb{R}^n \) kompaktna množica, potem je \( V(A) = 0 \ \iff \ m(A) = 0 \).

1.1.8. 8.

\[ m(\left\{ f \ne 0 \right\}) = m(\bigcup_{n \in \mathbb{N}} K_n) = 0 \]

Dokaz: 7.

2. Izrek 2.20 (Fubini-Tonelli)

Naj bo \( f:[a,b] \times [c, d] \to \mathbb{R} \) integrabilna. Privzamemo, da je \( \forall x \in [a, b] \) funkcija \( f(x, \cdot): [c, d] \to \mathbb{R}, \ y \mapsto f(x, y) \) definirana kot integrabilna na \( [c, d] \). Tedaj je

\[ \iint\limits_{[a, b] \times [c, d]}^{} f(x, y) \,\mathrm{dx dy} = \int\limits_a^b \int\limits_c^d f(x, y) \,\mathrm{d y}\,\mathrm{d x} \]

Če je \( f \) zvezna, potem je

\[ \iint\limits_{[a, b]\times [c, d]}^{} f(x, y) \,\mathrm{d xdy} = \int\limits_{a }^b \left( \int\limits_c^d f(x, y) \,\mathrm{d y} \right)\,\mathrm{d x} = \int\limits_c^d \left( \int\limits_a^b f(x, y)\,\mathrm{d x} \right)\,\mathrm{d y} \]

2.1. Dokaz

2.1.1. <1>1

\( g: [a, b] \to \mathbb{R} \),

\[ g (x) = \int\limits_c^d f(x, y) \,\mathrm{d y} \]

Dokaz: Funkcija \( g \) obstaja, ker je \( f \) integrabilna.

2.1.2. <1>2

Assume: \( I = [a, b], \ J = [c, d] \) Prove: \[ \iint\limits_{I \times J}^{} f(x, y) \,\mathrm{d x dy} = \int\limits_I^{} g(x) \,\mathrm{d x} \] Dokaz:

  1. <2>1

    Assume: delitvi \( D_1 = \left\{ I_i = [x_{i-1}, x_i]; \ i = 1, \ldots, m \right\} \) za \( I \) in \( D_2 = \{J_j = [y_{j - 1}, y_j]; \ j = 1, \ldots n \} \) za \( J \). Prove: \( D_1 \times D_2 \) je delitev za \( I \times J \)

    1. <3>1

      \( D_1 \) je projekcija na \( I \)

    2. <3>2

      \( D_2 \) je projekcija \( J \)

    3. <3>3 QED

      By: <3>1 in <3>2

  2. <2>2

    Assume: \( P_{ij} = I_i \times J_j \) in

    \( m_{ij} (f) = \inf_{P_{ij}} f \) in \( M_{ij} (f) = \sup_{P_{ij}} f \)

    Prove: \[ s(f, D) \le \sum\limits_{i = 1}^m \inf_{x \in I_i} g(x) \left| I_i \right| = s(g, D_1) \]

    Dokaz:

    1. <3>1

      \[ s(f, D) = \sum\limits_{i = 1, j=1}^{m, n} m_{ij} (f) \left| P_{ij} \right| = \sum\limits_{i=1}^m \left( \sum\limits_{j = 1}^n m_{ij}(f) \left| J_j \right| \right) \left| I_i \right| \] Dokaz: definicija spodnje Darbouxove vsote ter \( \left| P_{ij} \right| = \left| J_j \right| \left| I_i \right|\)

    2. <3>2

      \[ \sum\limits_{j =1}^{n} m_{ij} (f) \left| J_j \right| \le \sum\limits_{j = 1}^m m_j (f(x, \cdot)) \left| J_j \right| = s(f(x, \cdot), D_2) \le \int\limits_J^{} f(x, y) \,\mathrm{d y} = g(x) \]

      Dokaz: Integrabilno po Darbouxu ter definicije \( m_{ij} \) in \( m_j \).

    3. <3>3

      \[ \sum\limits_{j=1}^n m_{ij} (f) \left| J_j \right| \le \inf_{x \in I_i} g(x) \]

      Dokaz: <3>2 in \( \inf_{x \in I_i} g(x) \le g(x) \)

    4. <3>2 QED

      Dokaz: <3>1, in <3>3 ter definicija spodnje Darbouxove vsote

  3. <2>3

    Simetrično s supremumi

  4. <2>4

    \( s(f, D) \le s(g, D_1) \le S(g, D_1) \le S(f, D) \) Dokaz: <2>2 in <2>3

  5. <2>5

    Assume: \(\forall \epsilon > 0 \) Prove: \[ S(g, D_1) - s(g, D_1) < \epsilon \] Dokaz:

    1. <3>1

      \[ S(f, D) - s(f, D) < \epsilon \] Dokaz: \( f \) je integrabilna in obstaja taka delitev \( D \)

    2. <3>2 QED

      Dokaz: <3>1 in <2>4

  6. <2>6 QED

2.1.3. <1>3 QED

Dokaz: <1>2

3. Trdite 2.43

Predpostavke:

  • \( I = [a,b] \)
  • \( \alpha, \beta: I \to \mathbb{R} \) zvezne in \( \alpha \le \beta \)
  • \( A: \left\{ \left( x, y) \right) \in \mathbb{R} ^2, \ x \in I, y \in \left[ \alpha(x), \beta(x) \right] \right\} \)
  • \( f: A \to \mathbb{R} \)

\[ \iint\limits_A^{} f(x, y) \,\mathrm{d x dy} = \int\limits_a^b \int\limits_{\alpha(x)}^{\beta(x)} f(x, y) \mathrm{dy dx} \]

3.1. Dokaz

3.1.1. <1> 1

Obstaja pravokotnik \( P \subset \mathbb{R} ^2 \) tako, da \( A \subset P \)

Dokaz: \( \alpha(x), \beta (x) \) sta zvezni in na intervalu \( [a, b] \) omejeni.

3.1.2. <1>2

Case: \( \tilde{f}: A \to \mathbb{R} \): \[ \tilde{f} (x, y) = \begin{cases} f(x, y), \ (x, y) \in A \\ 0; \text{ else} \end{cases} = f \cdot \chi_{A} \] Prove: \( \tilde{f} \) je integrabilna na \( P \) Dokaz:

  1. <2>1

    Točke nezveznosti funkcije \( \tilde{f} \) so vsebovane v \( \Gamma_{\alpha} \cup \Gamma_{\beta} \).

  2. <2>2

    \( V(\Gamma_{\alpha} \cup \Gamma_{\beta}) = 0 \) Dokaz: Prostornina unije grafov s prostornino 0 je 0.

  3. <2>3

    \( \tilde{f}\) je zvezna skoraj povsod Dokaz: <2>2 ter definicija s.p.

  4. <2>4 QED

    Dokaz: <2>3 in Lebesgue

3.1.3. <1>3

Prove: \( \tilde{f}(x, \cdot) \) je integrabilna \( \forall x \in I \) Dokaz: \( \tilde{f} \) je odsekoma zvezna na \( [c, d] \)

3.1.4. <1>4

\begin{align*} \iint\limits_A^{} f(x, y) \,\mathrm{dx dy} &= \iint\limits_P^{} \tilde{f}(x, y) \,\mathrm{d x dy} \\ &= \int\limits_a^b \left( \int\limits_c^d \tilde{f}(x, y) \mathrm{dy}) \right) \mathrm{dx} \\ &= \int\limits_a^b \int\limits_{\alpha}^{\beta} f(x, y) \mathrm{dx dy} \end{align*}

4. Izrek 2.45

Predpostavke:

  • \( A \subset \mathbb{R}^n, \ B \subset \mathbb{R} ^n \) kvadra
  • \( f: A \times B \to \mathbb{R} \) integrabilna
  • \( f(x, \cdot) \) integrabilna na \( B \forall x \in A \)

\[ \iint\limits_{A \times B}^{}f \,\mathrm{d x dy} = \int\limits_A^{} \left( \int\limits_B^{}f(x, y) \, \mathrm{dx} \right) \, \mathrm{dy} \]

5. Posledica 2.46

\( F: K = [a, b] \times [c, d] \times [e, f] \to \mathbb{R} \) zvezna

\[ \iiint\limits_K^{} F(x, y, z) \,\mathrm{d V} = \iint\limits_{[a,b] \times [c, d]}^{} \left( \int\limits_e^f F(x, y, z)\, \mathrm{dz} \right) \,\mathrm{d dxdy} = \int\limits_a^b \left( \int\limits_c^d \left[ \int\limits_e^f F(x, y, z) \, \mathrm{dz} \right] \mathrm{dy} \right) \mathrm{dx} \]

6. Trditev 2.47

Predpostavke:

  • \( A \subset \mathbb{R} ^2 \) ima ploščino
  • \( \alpha, \beta: A \to \mathbb{R} \) zvezna in \( \alpha < \beta \)
  • \( B = \left\{ (x, y, z) \in A \times \mathbb{R}, \, \alpha(x, y) \le y \le B(x, y) \right\} \)
  • \( f: B \to \mathbb{R} \) je zvezna

\[ \iiint\limits_B^{} f(x,y, z) \,\mathrm{d V} = \iint\limits_A^{} \left( \int\limits_{\alpha(x)}^{\beta(x)} f(x, y, z) \, \mathrm{dz} \right) \,\mathrm{d y dx} \]

7. Definicija 2.50

Predpostavke:

  • \( U^{\text{odp}} \subset \mathbb{R}^n \)
  • \( \phi_1, \ldots, \phi_m: U \to \mathbb{R} \) parcialno odvedljiva na vse spremenljivke

Jacobijevo matriko za \( \phi = \left( \phi_1, \ldots, \phi_m \right) \) definiramo kot

\[ J\phi = \begin{bmatrix} \frac{\partial \phi_1}{\partial x_1} & \mathbb{ldots} & \frac{\partial \phi_1}{\partial x_m} \\ \vdots & \ddots & \ldots \\ \frac{\partial \phi_m}{\partial x_1} & \ldots & \frac{\partial \phi_m}{\partial x_m} \end{bmatrix} \]

8. Izrek 2.51

Predpostavek:

  • \( A \subset \mathbb{R} ^n \) omejena množica s prostornino
  • \( \phi: A \to \mathbb{R} ^n \) injektivna in razreda \( C^1 \)
  • \( \det J\phi(x) \ne 0 \forall x \in A \)
  • \( x \mapsto \det(J(\phi(x))) \) omejena in različna od 0
  • \( \phi(A) \) je odprta v \( R ^n \) s prostornino
  • \( f: \phi(A) \to \mathbb{R} \) je integrabilna

    Tedaj je tudi \( x \mapsto f(\phi(x)) \left| \det J\phi(x) \right| \) integrabilna na \( A \) in velja

    \[ \int\limits_{\phi(A)}^{} f(x) \, \mathrm{dx} = \int\limits_A^{} f(\phi(t)) \left| \det J \phi(t) \right| \, \mathrm{dt} \]

9. Skica dokaza:

9.0.1. <1>1

Case:

  • \( A \) je pravokotnik,
  • \( n = 2 \),
  • \( f \) je zvezna,
  • \( \left\{ P_j \right\} \) neka delitev za \( A \)

Prove:

\[ \iint\limits_{\phi(A)}^{} f(x, y) \,\mathrm{d x dy} = \sum\limits_{ j}^{} \iint\limits_{\phi(P_j)}^{} f(x, y) \,\mathrm{d x dy} \]

Dokaz: Injektivnost

9.0.2. <1>2

Prove:

\[ \sum\limits_j^{} \iint\limits_{\phi(P_j)}^{} f(x, y) \,\mathrm{d x dy} = \sum\limits_j^{} \left\langle f \right\rangle_{\phi(P_j)} \left| \phi(P_j) \right| \]

Dokaz: Izrek o srednji vrednosti med \( f \) in \( Q \)

\[ \left\langle f \right\rangle_Q = \frac{1}{\left| Q \right|} \int\limits_Q^{} f \, \mathrm{dx} \]

9.0.3. <1>3

\( \left\langle f \right\rangle_{\phi(P_j)} = f(\phi(u_j, v_j)) \)

9.0.4. <1>4

Prove: \[ \left| \phi(P_j) \right| \approx = \left| \det J\phi \right| \] Dokaz:

  1. <2>1

    jacobi_dokaz.svg

  2. <2>2 QED
    \begin{align*} \left| \phi(P_j) \right| &= \left| \left( \phi(u + \Delta u, v) - \phi(u, v) \right) \times \left( \phi(u, v + \Delta v) - \phi(u, v) \right) \right| \\ &= \frac{\partial \phi}{\partial u} \Delta u \times \frac{\partial \phi}{\partial v} \Delta v \\ &= \left| \phi_u \times \phi_v \right| \Delta u \Delta v \\ &= \begin{bmatrix} \left( \phi_1 \right)_u & \left( \phi_1 \right)_v \\ \left( \phi_2 \right)_u & \left( \phi_2 \right)_v \end{bmatrix} = \left| \det J \phi \right| \end{align*}

9.0.5. <1>5

Prove: \[ \iint\limits_{\phi(A)}^{} f(x, y) \,\mathrm{d xdy} = \sum\limits_j^{} f(\phi(x, y)) \left| \det J\phi \right| \Delta u \Delta v \]

Dokaz: <1>2, ter <1>4

9.0.6. <1>6 QED

Dokaz: <1>5 je Riemannova vsota za funkcijo \( f \circ \phi \left| \det J \phi \right| \), kjer je \( \Delta u \Delta v \) velikost delilnega pravokotnika za \( A \). Posledično v limiti dobimo

\[ \int\limits_A^{} f \circ \phi \left| \det J \phi \right| \, \mathrm{dS} = \int\limits_A^{} f(\phi(\xi, \eta)) \left| \det J\phi(\xi, \eta) \right| \mathbb{d} \xi \mathrm{d}\eta \]

10. Definicija 2.16

Naj ima telo \( T \subset \mathbb{R}^3 \) gostoto \( \rho = \rho(x, y, z) \). Če je \( \rho = \text{ konst. } \) je telo homogeno.

Masa telesa \( T \) je definirana kot

\[ m(T) = \iiint\limits_T \rho(x, y, z) \, \mathrm{dV} \]

11. Definicija 2.17

Težišče telesa \( T \) je točka \( (x_t, y_t, z_t) \subset \mathbb{R} ^3 \) za katero velja

\begin{align*} x_t &= \frac{1}{m(T)} \iiint\limits_T x \rho(x, y, z) \, \mathrm{dV} \\ y_t &= \frac{1}{m(T)} \iiint\limits_T y \rho(x, y, z) \, \mathrm{dV}\\ z_t &= \frac{1}{m(T)} \iiint\limits_T z \rho(x, y, z) \, \mathrm{dV} \end{align*}

Kompaktneje se to zapiše kot

\[ \mathbf{x}_t = \frac{1}{m(T)} \int\limits_T (x, y, z) \rho \,\mathrm{dx} = \frac{1}{m(T)} \int\limits_T \vec{\xi} \rho\,\mathrm{dV} \]

kjer je \( \vec{\xi} = (x, y, z) \) vektorska funkcija. Težišče nam pove povprečje položajev glede na utež \( \rho \)

12. Definicja 2.18

Vztrajnostni moment telesa \( T \subset \mathbb{R} ^3 \) pri vrtenju okoli osi \( \gamma \subset \mathbb{R}^3 \) je enako

\[ J_{\gamma} = \int\limits_T d(\vec{x}, \gamma) ^2 \rho(\vec{x}) \,\mathrm{d\vec{x}} \]

kjer je \( d(\vec{x}, \gamma) \) oddaljenost točke \( \vec{x} = (x, y, z) \) od osi \( \gamma \).

V posebnem primeru je to:

\[ J_z = \iiint\limits_T (x ^2 + y ^2) \rho(x, y, z) \, \mathrm{dx}\, \mathrm{dy} \mathrm{dz} \]

13. Posplošeni RD integral v \( \mathbb{R} ^n \)

  1. \( f: D \to [0, \infty] \) omejena.

    \[ \int\limits_D f\,\mathrm{dV} := \lim_{a \to \infty} \int\limits_{D \cap [-a, a] ^n} f\,\mathrm{dV} \]

    Če vsi izrazi na desni obstajajo.

  2. \( f: D \to [0, \infty) \) neomejena. Tedaj definiramo

    \[ \int\limits_D f\,\mathrm{dV} := \lim_{M \to \infty} \int\limits_D \min \{f(x), M\}\,\mathrm{dx} \]

    če vsi izrazi na desni obstajajo.

  3. \( f:D \to \mathbb{R} \) (ni več pozitiven neskončen interval!)

    Poljubno funkcijo poskusimo izraziti s pomočjo pozitivnih funkcij (saj imam zanje že imamo definicijo).

    Definiramo

    \[ f_+ := \max \{f, 0\} \] Torej, če je funkcija pozitivna vzamemo njeno pozitivno vrednost, drugače je 0. Obratno velja za

    \[ f_- = \min\{-f, 0\} \]

    izlimitirani_integral.svg

    In velja

    \[ f = f_+ - f_-, \quad f_{\pm} \ge 0 \]

    Iz česar sledi

    \[ \int\limits_D f\,\mathrm{dx} := \int\limits_D f_+\,\mathrm{dV} - \int\limits_D f_-\,\mathrm{dV} \]

    Če oba integrala na desni obstaja in sta končna (nočemo razlike dveh neskončnosti).

    Poglejmo absolutno vrednost \( \left| f \right| = f_+ + f_-\), iz česar sledi, da je za definicijo \( \int\limits_D f\,\mathrm{dV} \) pomembno, da obstaja \( \int\limits_D \left| f \right| \,\mathrm{dV} \).

14. Definicija 3.3

Pot je gladka, če je \( \vec{r} \in C^1 (I) \) za \( I \subset \mathbb{R} \).

15. Definicija 3.4

Gladka krivulja v \( \mathbb{R} ^3 \) je gladka pot \( \vec{r} = \left( x, y, z \right): I \to \mathbb{R} ^3 \), za katero velja \( \odv{r} (t) \ne 0 \) za vsak \( t \in I \). Taka krivulja je tudi injektivna (in nima samopresečišč).

16. Definicija 3.6

Če je \( \vec{r}: [a, b] \to [0, \infty) \) gladka krivulja, katere tir označimo z \( \Gamma \), je dolžina \( \Gamma \) definirana kot

\[ l(\Gamma) = \int\limits_a^b \left| \odv{r}(t) \right|\,\mathrm{d t} \]

17. Trditev 3.7

Prove: Definicija 3.6 je dobra (torej neodvisna od izbrane parametrizacije)

17.1. Dokaz

17.1.1. <1>1

Case 1: \( \vec{r}: I = [a, b] \to \Gamma \) Case 2: \( \vec{\rho}: J = [\alpha, \beta] \to \Gamma \) (druga regularna parametrizacija) Case 3: \( h \in C^1:J \to I \)

Prove:

\[ \vec{\rho} = \vec{r} \circ h \]

Dokaz: Case 3, 2, in 1

17.1.2. <1>2

\[ \int\limits_{\alpha}^{\beta} \left| \odv{\rho} (u) \right|\,\mathrm{d u} = \int\limits_{\alpha}^{\beta} \left| \odv{r}(h(u)) \right| \left| h'(u) \right|\,\mathrm{d u} = \int\limits_a^b \left| \odv{r} (t) \right|\,\mathrm{d t} \] Dokaz: <1>1 in verižno pravilo

17.1.3. <1>3 QED

Dokaz: <1>2

18. Definicija 3.10

Enotski tangnenti vektor

\[ \frac{\odv{r}(t) }{\left| \odv{r} (t) \right|} \]

Tangenta v točki \( \odv{r}(t_0) \) premica skozi \( \vec{r}(t_0) \) v smeri tangentnega vektorja na \( \Gamma \) v točki \( \vec{r}(t_0) \).

Enačba premice je

\[ (x, y, z) = \vec{r}(t_0) + \lambda \odv{r}(t_0) \]

Normalna ravnina na \( \vec{r}(t_0) \) je ravnina skozi \( \vec{r}(t) \) pravokotna na tangentni vektor.

19. Izrek 3.15

Predpostavke:

  • \( \gamma \) je regularna parametrizacija \( C^2 \) neke krivulje \( \mathbb{R} ^3 \)
  • Za dani \( t_0 \in \mathbb{R} \) privzamemo, da je

\[ \vec{v}_0 = \left( \odv{\gamma} \times \oddv{\gamma} \right) (t_0) \ne 0 \]

Tedaj obstaja \( \delta > 0 \) tako, da sta za poljubni točki \( t_1, t_2 \in \left( t_0 - \delta, t_0 + \delta \right) \), kjer so \( t_1, t_2 \) in \( t_0 \) različne, točke \( \tilde{\gamma}(t_1), \vec{\gamma}(t_2), \vec{\gamma(t_0)} \) nekolinearne.

19.1. Dokaz (s protislovjem)

19.1.1. <1>1

Assume: točke \( \gamma(t_1), \gamma(t_2), \gamma(t_0) \) so kolinearne Case 1: \( l = l(t_1, t_2) \) je premica z izhodiščem \( \left( \cdot, \gamma(t_0) \right) \), ki jih povezuje Case 2: \( w \in l^{\perp} \) Case 3: \( t_0 < t_1 < t_2 \)

Prove:

\[ \left\langle \gamma(t_1) - \gamma(t_0), w \right\rangle = \left\langle \gamma(t_2) - \gamma(t_0), w \right\rangle = 0 \]

Dokaz: Definicija skalarnega produkta ter Case 2, in Assume

19.1.2. <1>2 Rolleov izrek

Prove: Obstaja točki \( \xi_1, \xi_2 \in \mathbb{R} \) tako, da velja

\[ t_0 < \xi_1 < t_1 < \xi_2 < t_2\ \ni: \ \left\langle \odv{\gamma}(\xi_1), w \right\rangle = \left\langle \odv{\gamma}(\xi_2), w \right\rangle = 0 \]

Dokaz: Rolleov izrek, matematika 1, ter odvod \( \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t} \left\langle \vec{\gamma}(t) - \vec{\gamma}(t_0), w \right\rangle \) (odvod konstante)

  1. Rolleov izrek

    Spomni se: Rolleov izrek (Matematika 1, Mrčun, str. 163)

    Predpostavke:

    • \( a, b \in \mathbb{R}, \ a < b \)
    • \( f: [a, b] \to \mathbb{R} \) zvezna funkcija
    • \( f \) odvedljiva na \( (a, b) \)

    Če velja \( f(a) = f(b) \), potem obstaja takšna točka \( c \in (a, b) \)

    \[ f'(c) = 0 \]

    V našem primeru je \( f(t) = \left\langle \gamma (t) - \gamma(t_0), w \right\rangle \)

    1. Dokaz
      1. <2>1

        \( f \) omejena.

        Dokaz: \( f \) je definirana na zaprti omejeni podmnožici in zvezna.

      2. <2>2

        Case: \( u, v \in [a, b], \ f(u) = \sup (f), \ f(v) = \inf(f) \)

        Prove: \( c = u \)

        Dokaz: \( u \in (a, b) \) je ekstrem funkcije \( f \), po Case <2>2

      3. <2>3

        \( c = v \) Dokaz: \( v \in (a, b) \) je ekstrem funkcije f , po Case <2>2

      4. <2>4

        \( \forall c \in (a, b) \)

        Dokaz: \( f = \text{konst} \) za \( \left\{ u, v \right\} \subset \left\{ a, b \right\} \)

      5. <2>5 QED

        Dokaz: <2>2, <2>3, <2>4

19.1.3. <1>3

Prove: Obstaja \( \xi_3 \in \left( \xi_1, \xi_2 \right) \) tako, da velja

\[ \left\langle \oddv{\gamma}(\xi_3), w \right\rangle = 0 \]

Dokaz: Rolleov izrek ter odvod iste funkcije

19.1.4. <1>4

Case 4: \( \epsilon > 0 \)

Prove:

\[ v_0 \times w = \left\langle \dot{\gamma}(t_0) - \dot{\gamma}(\xi_1), w \right\rangle \cdot \ddot{\gamma} (t_0) - \left\langle \ddot{\gamma} (t_0) - \ddot{\gamma}(\xi_3), w \right\rangle \cdot \dot{\gamma} (t_0) \]

Dokaz: Linearna algebra \( (a \times b) \times c = (a \cdot c) \cdot b - (b \cdot c) \cdot a \) ter odšteli smo \( \dot{\gamma}(t_0) \) <1>2 in od \( \ddot{\gamma}(t_0) \) <1>3, saj je produkt <1>2 in <1>3 z \( w \) enak 0 - in se tako ne spremeni.

19.1.5. <1>5

\[ \left| v_0 \times w \right| \le \left( \left| \dot{\gamma}(t_0) - \dot{\gamma}(\xi_1) \right| \cdot \left| \ddot{\gamma}(t_0) \right| - \left| \ddot{\gamma}(t_0) - \ddot{\gamma}(\xi_3) \right| \cdot \left| \dot{\gamma}(t_0) \right|\right) \left| w \right| \]

Dokaz: Cauchy-Schwartzova neenakost \( \left| \left\langle \vec{a}, \vec{b} \right\rangle \right| \le \left| \vec{a} \right| \cdot \left| \vec{b} \right|\)

19.1.6. <1>6

Case 5: \( \alpha = \left| \dot{\gamma}(t_0) - \dot{\gamma}(\xi_1) \right| \) Case 6: \( \beta = \left| \ddot{\gamma}(t_0) - \ddot{\gamma}(\xi_3) \right| \)

Prove: \( \alpha, \beta < \epsilon \)

Dokaz

  1. <2>1

    Obstaja \( \delta > 0 \), da za poljubna \( \xi_1, \xi_3 \in (t_0 - \delta, t_0 + \delta) \) Dokaz: \( \dot{\gamma}, \ddot{\gamma} \) sta zvezni v točki \( t_0 \).

  2. <2>2 QED

    Pogoj velja tudi za \( \xi_1, \xi_3 \) za \( t_1, t_2 \in (t_0, t_0 + \delta) \)

19.1.7. <1>7

Prove:

\[ \frac{\left| v_0 \times w \right|}{ \left| w \right|} \le \left( \left| \dot{\gamma}(t_0) \right| + \left| \ddot{\gamma}(t_0) \right| \right) \epsilon \quad \forall t_1, t_2 \in (t_0, t_0 + \delta), \ \forall w \in l(t_1, t_2) ^{\perp} \setminus \left\{ 0 \right\} \]

Dokaz: \( \alpha = \epsilon, \ \beta = \epsilon \) <1>6, ter <1>5

19.1.8. <1>8

Prove: \( \frac{\left| v_0 \times w \right|}{\left| w \right|} = \left| v_0 \right| \sin \phi\)

Dokaz: definicija vektorskega produkta

19.1.9. <1>9

Prove:

\[ \sin \phi \le \frac{\left| \dot{\gamma}(t_0) \right| + \left| \ddot{\gamma}(t_0) \right|}{\left| \left( \dot{\gamma} \times \ddot{\gamma} \right) (t_0) \right|} \epsilon \]

Dokaz: <1>8 in definicija \( \left| v_0 \right| = \left| \left( \dot{\gamma} \times \ddot{\gamma} \right) (t_0) \right| \)

19.1.10. <1>10 QED

Iz <1>9 vidimo, da je kot \( \phi \) med \( v_0 \) in \( w \in l(t_1, t_2)^{\perp} \) nujno majhen, za \( t_1 \) in \( t_2 \) blizu \( t_0 \). Tukaj naletimo na protislovje, ker \( l^{\perp} \) ni ravnina kot predpostavljeno na začetku, ampak ozek stožec okoli \( v_0 \).

20. Izrek 3.15.1

Predpostavke:

  • \( \gamma \) je regularna parametrizacija \( C ^2 \) neke krivulje \( \mathbb{R} ^3 \)
  • za poljuben \( t_0 \in \mathbb{R} \) velja

    \[ v_0 = \left( \dot{\gamma} \times \ddot{\gamma} \right)(t_0) \ne 0 \]

  • \( t_1, t_2 \in \left( t_0 - \delta, t_0 + \delta \right) \), in \( t_1 \ne t_2 \ne t_0 \) so različne.

S \( \Pi (t_1, t_2) \) označimo ravnino skozi \( \gamma(t_1), \gamma(t_2), \gamma(t_0) \). Ravnina \( \Pi(t_1, t_2) \) limitira proti ravnini z normalo \( v_0 \), ko gresta \( t_1, t_2 \to t_0 \).

20.1. Dokaz

20.1.1. <1>1

Ravnina \( \Pi (t_1, t_2) \) obstaja in je enolično določena.

Dokaz: Izrek 3.15

20.1.2. <1>2

Dovolj je dokazati:

Enotske normale \( \vec{n}(t_1, t_2) \) na \( \Pi(t_1, t_2) \) limitirajo k \( \pm \frac{v_0}{\left| v_0 \right|} \), ko \( t_1, t_2 \to t_0 \).

  1. <2>1

    Case 1: do predznaka natančno

    \[ \vec{n} (t_1, t_2) = \frac{\left[ \gamma(t_1) - \gamma(t_2) \right] \times \left[ \gamma(t_2) - \gamma(t_1) \right]}{\left| \left[ \gamma(t_1) - \gamma(t_2) \right] \times \left[ \gamma(t_2) - \gamma(t_1) \right] \right|} \]

    Prove: \( \vec{n}(t_1, t_2) \) je zvezna funkcija argumentov \( t_1, t_2 \in \mathbb{R} ^2 \) na \( \left( t_0 - \delta, t_0 + \delta \right) \times \left( t_0 - \delta, t_0 + \delta \right) \).

    Dokaz: \( \gamma \) je zvezna funkcija argumentov \( t_2, t_1 \) iz predpostavke 1.

  2. <2>2

    Case 2: \( \epsilon > 0 \) Case 3: definiramo \( f(t) = \left\langle \gamma(t) - \gamma(t_0), \vec{n} (t_1, t_2) \right\rangle \).

    Obstajata \( t_0 < \xi_1 < t_1 \xi_2 < t_2 \) tako, da velja

    \begin{align*} 0 &= f'(\xi_1) = \left\langle \dot{\gamma}(\xi_1), \vec{n}(t_1, t_2) \right\rangle \\ 0 &= f'(\xi_2) = \left\langle \dot{\gamma} (\xi_2), \vec{n} (t_1, t_2) \right\rangle \end{align*}

    Dokaz: Rolleov izrek

  3. <2>3

    Obstaja \( \xi_3 \in \left( \xi_1, \xi_2 \right) \) tako, da velja

    \[ f''(\xi_3) = \left\langle \ddot{\gamma}(\xi_3), \vec{n}(t_1, t_2) \right\rangle = 0 \]

    Dokaz: Rolleov izrek

  4. <2>4

    Velja

    \[ \left| v_0 \times \vec{n}(t_1, t_2) \right| \le \left( \left| \dot{\gamma}(t_0 - \dot{\gamma}(\xi_1)) \right| \left| \ddot{\gamma})(t_0) \right| + \left| \ddot{\gamma} (t_0) - \ddot{\gamma}(\xi_3) \right| \left| \dot{\gamma}(t_0) \right|\right) \left| \vec{n}(t_1, t_2) \right| \]

    in \( \left| \vec{n}(t_1, t_2) \right| = 1 \)

    Dokaz:

    1. <3>1
      \begin{align*} v_0 &= \left[ \dot{\gamma}(t_0) \times \ddot{\gamma}(t_0) \right] \times \vec{n} (t_1, t_2) \\ &= \left\langle \dot{\gamma}(t_0), \vec{n}(t_1, t_2) \right\rangle \cdot \ddot{\gamma} (t_0) - \left\langle \ddot{\gamma}(t_0), \vec{n}(t_1, t_2) \right\rangle \cdot \dot{\gamma}(t_0) \\ &= \left\langle \dot{\gamma}(t_0) - \dot{\gamma}(\xi_1), \vec{n} (t_1, t_2) \right\rangle \cdot \ddot{\gamma}(t_0) - \left\langle \ddot{\gamma}(t_0) - \ddot{\gamma}(\xi_3), \vec{n}(t_1, t_2) \right\rangle \cdot \dot{\gamma} (t_0) \end{align*}

      Dokaz:

      \( (a \times b) \times c = (a \cdot c) \cdot b - (b \cdot c) \cdot a \) ter v zadnji vrstici <2>2, ter <2>3

    2. <3>2 QED

      <3>1 in trikotniška neenakost

  5. <2>5

    Case 4: \( \delta > 0 \)

    Za \( \xi_1, \xi_3 \in (t_0 - \delta, t_0 + \delta) \) velja

    \begin{align*} \left| \dot{\gamma}(t_0) - \dot{\gamma}(\xi_1) \right| &< \epsilon \\ \left| \ddot{\gamma}(t_0) - \ddot{\gamma}(\xi_3) \right| &< \epsilon \end{align*}

    Dokaz: definicija zveznosti funkcije

  6. <2>6

    \[ \sin \phi (t_1, t_2) \le \frac{\left| \dot{\gamma}(t_0) \right| + \left| \ddot{\gamma}(t_0) \right|}{\left| \dot{\gamma} \times \ddot{\gamma} \right|(t_0)} \epsilon \]

    Kot \( \phi(t_1, t_2) \) je oster, saj je \( \epsilon > 0 \), ampak majhen.

    Dokaz:

    1. <3>1

      \[ \left| v_0 \times \vec{n}(t_1, t_2) \right| = \left| v_0 \right| \sin \phi \]

      Dokaz: definicija vektorskega produkta in \( \left| \vec{n}(t_1, t_2) \right| = 1 \)

    2. <3>2

      \[ \left| v_0 \right| \sin \phi \le \frac{\left| \dot{\gamma}(t_0) \right| + \left| \ddot{\gamma}(t_0) \right|}{\left| \dot{\gamma} \times \ddot{\gamma} \right| (t_0)} \]

      Dokaz: <3>1 in <2>4

    3. <3>3 QED

      Dokaz: <3>2

  7. <2>7

    Case 5: \( \tilde{v}_0 = \frac{v_0}{\left| v_0 \right|} \)

    \[ \left| \tilde{v}_0 - \vec{n} \right| ^2 = 2(1 - \cos \phi) \]

    Dokaz: analiza 1

    \[ \left| \tilde{v}_0 - \vec{n} \right| = \left| \tilde{v}_0 \right| + \left| \vec{n} \right| - 2 \left\langle \tilde{v}_0, \vec{n} \right\rangle = 2 - 2\cos \phi \]

    in \( \left| \tilde{v}_0 \right| = \left| \vec{n} \right| = 1 \).

  8. <2>8 QED

    Dokaz: <2>7: razlika \( 1 - \cos \phi \) gre proti 0, ko \( t_1, t_2 \to t_0 \), ker oster kot \( \phi \to 0 \).

20.1.3. <1>3 QED

Dokaz: <1>2

21. Definicija 3.16

Ravnini skozi \( T_0 = \gamma(t_0) \) in z normalo \( \left( \dot{\gamma} \times \ddot{\gamma} \right) (t_0) \ne 0 \) pravimo pritisnjena ravnina na krivuljo \( \gamma \) v točki \( T_0 \).

22. Izrek 3.17

Če je \( \Pi = \Pi(t_0) \) pritisnjena ravnina na \( \gamma \) v točki \( \gamma(t_0)\) velja

\[ d(\gamma(t_0 + h), \Pi) = o \left( h ^2 \right), \ h \to 0 \]

kjer je \( f(h) = o(g(h)), h \to a \).

22.1. Dokaz

22.1.1. <1>1

Case 1: \( \gamma(t) = \left( \gamma_1(\tilde{t}), \gamma_2 (\tilde{t}), \gamma_3 (\tilde{t}) \right) \) za \( \tilde{t} = t_0 + h \). Case 2: \( \vec{o}(h ^2) = \left( o(h ^2), o(h ^2), o(h ^2) \right) \)

Velja

\[ d (\gamma(\tilde{t}), \Pi) = \left\langle \gamma(\tilde{t}) - \gamma(t_0), \frac{\dot{\gamma}(t_0) \times \ddot{\gamma}(t_0)}{\left| \dot{\gamma}(t_0)\times \ddot{\gamma}(t_0) \right|} \right\rangle \]

Dokaz: Za razdaljo med vektorjem \( \vec{R} \), ki kaže iz ravnine in poljubno ravnino \( \Sigma \) z normalnim vektorjem \( \vec{n}_{\Sigma} \) velja

\[ d \left( \vec{R}, \Sigma \right) = \left\langle \vec{R} - \vec{r}, \frac{\vec{n}_{\Sigma}}{\left| \vec{n}_{\Sigma} \right|} \right\rangle \]

22.1.2. <1>2

Velja

\[ \left| \left\langle \dot{\gamma}(t_0) \cdot h ^2 + \ddot{\gamma}(t_0) \cdot \frac{h ^2}{2} + \vec{o}(h ^2), \vec{n} \right\rangle \right| = o(h ^2) \]

Dokaz:

  1. <2>1

    \[ \gamma_i (\tilde{t}) = \gamma_i (t_0) + \dot{\gamma}_i (t_0) \cdot h + \ddot{\gamma}_i (t_0) \cdot \frac{ h ^2}{2} + o(h ^2), \quad i = 1, 2, 3 \]

    Dokaz: Razvoj \( \gamma_i (\tilde{t}) \) v Taylorjevo vrsto

  2. <2>2
    \begin{align*} \left| \left\langle \dot{\gamma}(t_0) \cdot h ^2 + \ddot{\gamma}(t_0) \cdot \frac{h ^2}{2} + \vec{o}(h ^2), \vec{n} \right\rangle \right| &= \left| \left\langle o(h ^2), \vec{n} \right\rangle \right| \\ & \le \left| o(h ^2) \right| = o(h ^2) \end{align*}

    Dokaz: Združimo <1>1 in <2>1, trikotniška neenakost in pa skalarni produkt pravokotnih vektorjev (\( \dot{\gamma} \), \( \ddot{\gamma} \) na \( \vec{n} = \dot{\gamma} \times \ddot{\gamma} \)) je enak 0

  3. <2>3 QED

22.1.3. <1>3 QED

23. Definicija 4.1

Ploskev v \( \mathbb{R} ^3 \) je podana s parametrizacijo \( \vec{r} = \vec{r}(u, v): D \to \mathbb{R} \), pri čemer je \( \vec{r}(u, v) = \left( X(u, v), Y(u, v), Z(u, v) \right) \) preslikava reda vsaj \( C^2 \). Zahtevamo še, da je \( \vec{r}_u \times \vec{r}_v \ne 0 \). V tem primeru pravimo, da je parametrizacija regularna. \( u, v \) sta krivočrtni koordinati na ploskvi \( M = \left\{ \vec{r}(u, v), \ (u, v) \in D \right\} \)

24. Definicija 4.2

(Afina) tangentna ravnina na ploskev \( M \) skozi točko \( m = \vec{r}(u, v) = (x_0, y_0, z_0) \) definiramo kot množico tangentnih vektorjev krivulj skozi to točko. Eksplicitno je to ravnina

\[ m + \mathrm{Lin} \left\{\vec{r}_u (u, v), \vec{r}_v (u, v)\right\} \]

Enačba tangentne ravnine je torej

\[ \left\langle (x, y, z) - \left( x_0, y_0, z_0 \right), \left( \vec{r}_u \times \vec{r}_v \right)(u, v) \right\rangle \]

Opomba: za predstavitev ravnine potrebujemo začetno točko \( m \) ter bazna vektorja, ki razpenjata ravnino

24.1. Dodatno:

Upoštevamo stvari definirane v definiciji 4.1

Zanima nas tangentna ravnina v točki \( \vec{r}(u_0, v_0) \). Imamo krivuljo \( \gamma: I \to D \), ki preslika \( \gamma(t_0) = \left( \alpha(t), \beta(t) \right) = (u_0, v_0) \). Krivuljo preslikamo na ploskev \( \vec{r} \circ \gamma: I \to M \).

\[ \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t} \vec{r}(\gamma(t)) = \vec{r}_u(\gamma(t)) \cdot \dot{\alpha}(t) + \vec{r}_v (\gamma(t)) \cdot \dot{\beta}(t) \]

Pri \( t_0 \) je to tangentni vektor na krivuljo \( (\vec{r} \circ \gamma)(t_0) \)

\[ \vec{r}_u(\gamma(t_0)) \cdot \dot{\alpha}(t_0) + \vec{r}_v(\gamma(t_0)) \cdot \dot{\beta}(t_0) = a \cdot \vec{r}_u(u_0, v_0) + b \cdot \vec{r}_v (u_0, v_0) \]

Kakor v opombi, sta \( \vec{r}_u \) in \( \vec{r}_v \) naša bazna vektorja.

25. Implicitno podane ploskve

Funkcija \( F: \mathbb{R} ^3 \to \mathbb{R} \) je funkcija 3 spremenljivk. Ploskev definiramo kot množico ničel oz. nivojnico

\[ M = \left\{ (x, y, z) \in \mathbb{R} ^3, F(x, y, z) = 0 \right\} \]

z dodanim pogojem \( \nabla F = \left( \frac{\partial F}{\partial x}, \frac{\partial F}{\partial y}, \frac{\partial F}{\partial z} \right) \ne 0 \), kar je enakovredno \( \vec{r}_u \times \vec{r}_v \ne 0 \) pri eksplicitni funkciji.

25.1. Tangentna ravnina implicitno podane ploskve

Imamo točko \( m = (x_0, y_0, z_0) \) na ploskvi \( M \) in poljubno krivuljo, ki gre skozi to točko

\[ \vec{r}(t) = \left( x(t), y(t), z(t) \right) \]

in leži na ploskvi \( M \) za vsak \( t \). Poleg tega imamo tudi funkcijo \( F = F(x, y, z) \) in ker leži na ploskvi, po definiciji velja

\begin{equation} \label{eq:1} F(x(t), y(t), z(t)) = 0 \end{equation}

Enačbo \ref{eq:1} odvajamo po \( t \) in dobimo

\begin{align*} \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t} F(x, y, z) &= 0 \\ F_x \cdot \dot{x} + F_y \cdot \dot{y} + F_z \cdot \dot{z} &= 0 && \text{v točki } m\\ \left\langle \nabla F(m), \vec{r}(t_0) \right\rangle = 0 \end{align*}

Tangentni vektor krivulje \( \odv{r}(t_0) \) leži v tangentni ravnini na ploskev \( M \) v točki \( m \), saj je krivulja v ravnini \( M \). Vektor \( \nabla F (m) \) je nanj pravokoten (saj je njun skalarni produkt enak 0), kar pomeni, da predstavlja normalni vektor ravnine. Enačba tangentne ravnine na ploskev \( M \) v točki \( m \) je torej

\[ \left\langle (x, y, z) - \vec{r}(t_0), \nabla F (\vec{r}(t_0)) \right\rangle = 0 \]

26. Rotacijsko invariantne ploskve (vrtenine)

Način podajanja ploskev tako, da krivuljo v \( xz \) ravnini zavtrimo okrog \( z \) osi.

Začetna parametrizacija krivulje je

\[ \gamma(t) = \begin{bmatrix} x(t) \\ 0 \\ z(t) \end{bmatrix}, \ t \in I \]

ki jo pomnožimo z rotacijsko matriko

\[ \begin{bmatrix} \cos \phi & - \sin \phi & 0 \\ \sin \phi & \cos \phi & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x(t) \\ 0 \\ z(t) \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} x(t) \cos \phi \\ x(t) \sin \phi \\ z(t) \end{bmatrix} \]

26.1. Plašč valja

Daljico vzamemo za krivuljo \( \gamma \):

\[ \gamma(t) = \begin{bmatrix} a \\ 0 \\ t \end{bmatrix}, \ t \in I \]

in parametrizacija je torej

\[ \vec{r}(t, \phi) = \begin{bmatrix} a \cos \phi \\ a \sin \phi \\ t \end{bmatrix}, \ t \in I, \phi \in [0, 2\pi) \]

26.2. Stožec

Premica skozi izhodišče kot krivulja \( \gamma \):

\[ \gamma(t) = \begin{bmatrix} t \\ 0 \\ at \end{bmatrix}, t \in [0, b] \]

Parametrizacija stožca je tako

\[ \vec{r}(t, \phi) = \begin{bmatrix} t \cos \phi \\ t \sin \phi \\ a \end{bmatrix}, t \in [0, b], \phi \in [0, 2\pi) \]

26.3. Sfera

Kot parametrizacijo vzamemo polkrožnico

\[ \gamma(t) = \begin{bmatrix} \cos t \\ 0 \\ \sin t \end{bmatrix}, t \in \left[ - \frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right] \]

Parametrizacija enotske sfere

\[ \vec{r}(t, \phi) = \begin{bmatrix} \cos t \cos \phi \\ \cos t \sin \phi \\ \sin t \end{bmatrix}, t \in \left[ - \frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right], \phi \in [0, 2 \pi) \]

26.4. Torus

Kot parametrizacijo vzamemo krožnico s polmerom \( r \) na oddaljenosti \( a \) od izhodišča:

\[ \gamma(t) = \begin{bmatrix} a + r \cos t \\ 0 \\ r \sin t \end{bmatrix}, t \in [0, 2\pi) \]

Parametrizacija torusa je

\[ \vec{r}(t, \phi) = \begin{bmatrix} (a + r \cos t)\cos \phi \\ (a + r \cos t)\sin \phi \\ r \sin t \end{bmatrix}, \ t \in [0, 2\pi), \phi \in [0, 2 \pi) \]

27. Površina ploskve

27.1. Lagrangeov izrek

Predpostavke:

  • \( a, b \in \mathbb{R}, \ a < b \)
  • \( f: [a, b] \to \mathbb{R} \) zvezna funkcija
  • \( f \) odvedljiva na \( (a, b) \)

Obstaja \( c \in (a, b) \), da je

\[ f(b) - f(a) = f'(c)(b - a) \]

27.1.1. Dokaz

  1. <1>1

    Case 1: \( h(x) = f(x) (b - a) - x (f(b) - f(a)) \), zvezna na \( [a, b] \), odvedljiva na \( (a, b) \)

    Velja

    \begin{align*} h(a) &= f(a) (b - a) - a(f(b) - f(a)) = f(a) b - f(b) a \\ h(b) &= f(b) (b - a) - b(f(b) - f(a)) = - a f(b) + b f(a) \end{align*}

    Dokaz: Case 1

  2. <1>2

    \[ 0 = h'(c) = f'(c) (b - a) - (f(b) - f(a)) \]

    Dokaz: <1>1 velja Rolleov izrek, \( h'(x) \) obstaja po Case 1

  3. <1>3 QED

    Dokaz: <1>2

27.2. Ploščina paralelograma

Predpostavke:

  • parametrizacije ploskve \( \vec{r}: D \to \mathbb{R} ^3 \)

27.2.1. <1>1

Majhen pravokotnik \( P \) z oglišči v \( (u, v) \) in stranicama \( \Delta u \), \( \Delta v \) preslikamo v \( \vec{r} \).

Za dovolj majhen pravokotnik \( P \) dobimo približno linearno preslikavo \( \vec{r}(P) \), ki ga lahko aproksimiramo s ploščino paralelograma z oglišči \( \vec{r}(u, v), \ \vec{r}(u + \Delta u, v), \vec{r}(u, v + \Delta v), \vec{r}(u + \Delta u, v + \Delta v) \).

27.2.2. <1>2

Velja

\begin{align*} \vec{r}(u + \Delta u, v) - \vec{r}(u, v) &= \vec{r}_u (u + \xi \Delta u, v) \Delta u && \xi \in (0, 1) \\ \vec{r}(u, v + \Delta v ) - \vec{r}(u, v) &= \vec{r}_v (u, v + \eta \Delta v) \Delta v && \eta \in (0, 1) \\ \end{align*}

Dokaz: Lagrangeov izrek za posamezno spremenljivko in definicija, da je \( \vec{r} \in C^1 \)

27.2.3. <1>3

\begin{align*} \vec{r}_u(u + \xi \Delta u, v) &= \vec{r}_u (u, v) \\ \vec{r}_v (u, v + \eta \Delta v) &= \vec{r}_v (u, v) \end{align*}

Dokaz: za majhne \( \xi, \eta \) to se lahko aproksimira

27.2.4. <1>4

Ploščina paralelograma je pribložno enaka

\[ \left| \vec{r}_u \times \vec{r}_v \right| \Delta u \Delta v \]

Dokaz: <1>3, <1>2

28. Definicija 4. 8

Naj bo \( D \subseteq \mathbb{R} ^2 \) območje in \( \vec{r}: D \to \mathbb{R} ^3 \) parametrizirana ploskev \( M = \left\{ \vec{r}(u, v); \ (u, v) \in D \right\} \). Njeno površino izračunamo kot

\[ P(M) = \iint\limits_D^{} \left| \vec{r}_u \times \vec{r}_v \right| \,\mathrm{d S} \]

28.1. Opomba

Oznaka \( \left\lVert \cdot \right\rVert \) označuje normo.

\begin{align*} \left\lVert \vec{r}_u \times \vec{r}_v \right\rVert ^2 &= \left\lVert \vec{r}_u \right\rVert ^2 \left\lVert \vec{r}_v \right\rVert ^2 \sin \phi \\ &= \left\lVert \vec{r}_u \right\rVert ^2 \left\lVert \vec{r}_v \right\rVert ^2 \left( 1 - \cos ^2 \phi \right) \\ &= \left\lVert \vec{r}_u \right\rVert ^2 \left\lVert \vec{r}_v \right\rVert ^2 - \left| \left\langle \vec{r}_u, \vec{r}_v \right\rangle \right| ^2 \end{align*}

Z oznakami \[ \left\lVert \vec{r}_u \right\rVert ^2 = E; \ \left\lVert \vec{r}_v \right\rVert ^2 = G; \ \left\langle \vec{r}_u, \vec{r}_v \right\rangle = F \]

\[ P(M) = \iint\limits_D^{} \sqrt{EG - F ^2} \,\mathrm{d S} \]

29. Trditev 4.9

Definicija za površino ploskve je dobra (neodvisna od parametrizacije).

29.1. Dokaz

29.1.1. <1>1

Case 1: \( \vec{r}: D \to M \) parametrizacija ploskve \( M \) Case 2: \( \vec{\rho} : \Delta \to M \) druga parametrizacija ploskve \( M \) Case 3: \( \Phi: D \to \Delta, \ (x, y) \mapsto (U(x, y), V(x, y)) \) gladka bijekcija \( \vec{\rho} = \vec{r} \circ \Phi \)

\begin{align*} \vec{\rho}_x &= \vec{r}_u \cdot U_x + \vec{r}_v \cdot V_x \\ \vec{\rho}_y &= \vec{r}_u \cdot U_y + \vec{r}_v \cdot V_y \end{align*}

Dokaz: Verižno pravilo parcialnega odvoda \( \vec{\rho} \).

29.1.2. <1>2

\[ \vec{\rho}_x \times \vec{\rho}_y = \det (J\Phi) \vec{r}_u \times \vec{r}_v \]

Dokaz: Analiza 1 ter \( \vec{r}_i \times \vec{r}_i = 0 \)

\begin{align*} \vec{\rho}_x \times \vec{\rho}_y &= \left( U_x \cdot V_y - V_x \cdot U_y \right) \cdot (\vec{r}_u \times \vec{r}_v) \\ &= \begin{vmatrix} U_x & U_y \\ V_x & V_y \end{vmatrix} \cdot (\vec{r}_u \times \vec{r}_v) \end{align*}

29.1.3. <1>3 QED

Dokaz:

\begin{align*} P(M) &= \iint\limits_D^{} \left| \vec{r}_u \times \vec{r}_v (u, v) \right| \,\mathrm{d S} \\ &= \iint\limits_{\Delta}^{} \left| \vec{r}_u \times \vec{r}_v (\Phi(x, y) \right| \left| \det (J \Phi) \right|\,\mathrm{d P} \\ &= \iint\limits_{\Delta}^{} \left| \vec{\rho}_x \times \vec{\rho}_y \right| \,\mathrm{d P} \end{align*}

30. Definicija 4.11

Lokalna orientacija gladke regularne krivulje \( \Gamma \) brez samopresečišč v točki \( \gamma \in \Gamma \) je podana z izbiro enotskega tangentnega vektorja v tej točki (imamo samo dve možni izbiri).

Globalna orientacija je podana z zvezno izbiro enotskih tangentnih vektorjev v vsaki točki \( \gamma \in \Gamma \).

31. Definicija 4.12

Lokalna orientacija gladke regularne ploskve \( M \subseteq \mathbb{R} ^3 \) je izbira enotske normalne v točki \( m \in M \)

Globalna orientacija ploskve \( M \) je zvezna izbira enotskih normalnih vektorjev za vse \( m \in M \):

\begin{align*} \vec{n}:M &\to S ^2 \\ m & \mapsto \vec{n}(m) \end{align*}

32. Definicija 4.13

Naj bo \( M \) orientabilna ploskev z robom \( \partial M \). Za vsako točko \( m \in \partial M \) naj bo \( \vec{\mu} \) tisti enotski vektor iz tangentne ravnine \( T_mM \), ki je pravokoten na \( T_m\partial M \) (tangentno premico na \( \partial \) v točki \( m \)) in kaže ven iz \( M \), in naj bo \( \vec{n} \) enotski normalni vektor na \( M \), podan z orientacijo.

Potem vektor \( \vec{n} \times \vec{\mu} \) določa inducirano orientacijo roba \( \partial M \) v točki \( m \in \partial M \).

33. Definicija 5.1

Naj bo \( \Omega \subseteq \mathbb{R} ^3 \). Skalarno polje na \( \Omega \) je funkcija \( f: \Omega \to \mathbb{R} \). Vektorsko polje na \( \Omega \) je preslikava \( \vec{F}: \Omega \to \mathbb{R} ^3 \).

Definiramo nablo: \( \nabla = \left( \frac{\partial }{\partial x}, \frac{\partial }{\partial y}, \frac{\partial }{\partial z} \right) \)

34. Standardni diferencialni operatorji v poljubnih ortogonalnih koordinatah

Vzamemo nabor ortogonalnih koordinat \( \vec{\xi} = \left( \xi_1, \xi_2, \xi_3 \right) \) v \( \mathbb{R} ^3 \). S parametrizacijo prostora \( \mathbb{R} ^3 \) \( \vec{r} \) dobimo kartezične koordinate

\[ \vec{r} = \vec{r}(\xi) \]

Zahtevamo za vsak \( \vec{\xi} \) in \( \vec{r}_j = \vec{r}_j \left( \vec{\xi} \right) = \frac{\partial \vec{r}}{\partial \xi_j} \), da velja

\[ \left\langle \vec{r}_j, \vec{r}_k \right\rangle _{\mathbb{R} ^3} = 0 \text{ za } j \ne k \]

Opomba: z drugimi besedami, smerni odvodi oz. tangentni vektorji so me seboj ortogonalni v vsaki točki.

35. Definicija 5.8 (Laméjevi koeficienti)

Laméjevi koeficienti so

\[ H_j = \left| \vec{r}_j \right| , \ j = 1, 2, 3 \]

in označimo

\[ H = H_1 H_2 H_3 \]

Definiramo še enotske tangentne vektorje na koordinate krivulje

\[ \vec{\eta}_j = \frac{\vec{r}_j}{H_j} = \frac{\vec{r}_j}{\left| \vec{r}_j \right|} \]

36. Definicija 5.2 (gradient)

Gradient skalarnemu polju \( f \) priredi vektorsko polje \( \nabla f \) na sledeč način

\[ \mathrm{grad} f = \nabla f = \left( \frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y}, \frac{\partial f}{\partial z} \right) \]

37. Definicija 5.3 (divergenca)

Divergenca vektorskemu polju \( \vec{F} = (U, V, W) \) priredi skalarno polje \( \nabla \cdot \vec{F} \) na

\[ \mathrm{div} \vec{F} = X_x + Y_y + Z_z \]

38. Definicija 5.4 (rotor)

Rotor vektorskemu polju \( \vec{F} = (U, V, W) \) priredi vektorsko polje \( \nabla \times \vec{F} \) na sledeč način

\[ \mathrm{rot} \vec{F} = (Z_y - Y_z, X_z - Z_x, Y_x - X_y) \]

39. Laplaceov operator

\[ \Delta = \mathrm{div} \circ \nabla = \frac{\partial ^2}{\partial x ^2} + \frac{\partial ^2}{\partial y ^2 } + \frac{\frac{\partial ^2}{\partial z ^2 } \]

40. Trditev 5.9

Predpostavke:

  • nabor ortogonalnih koordinat \( \vec{\xi} = \left( \xi_1, \xi_2, \xi_3 \right) \) v \( \mathbb{R} ^3 \)
  • skalarno polje \( u: \mathbb{R} ^3 \to \mathbb{R} \)
  • \( U \) je izražava \( u(\vec{x}) \) v \( \xi \), torej \( U(\vec{\xi}) = u \left( \vec{r} \left( \vec{\xi} \right) \right) \) oz. \( U = u \circ \vec{r} \)

Opomba: \( \vec{x} \) so kartezične in \( \epsilon \) so poljubne koordinate

Velja

\[ \left( \nabla_{\vec{x}} u \right) \left( \vec{r} \right) = \left\langle \nabla_{\vec{\xi}} U, \begin{bmatrix} \frac{\vec{\eta}_1}{H_1} \\ \frac{\vec{\eta}_2}{H_2} \\ \frac{\vec{\eta}_3}{H_3} \end{bmatrix} \right\rangle \]

40.1. Dokaz

40.1.1. <1>1

Case 1: \( \vec{r} = (X, Y, Z) \)

Velja

\[ \frac{\partial U}{\partial \xi_j} = \left\langle \left( \nabla_{\vec{x}} u \right) \left( \vec{r}(\vec{\xi}) \right), \vec{r}_j (\vec{\xi}) \right\rangle \]

Dokaz:

  1. <2>1

    \[ U(\vec{\xi}) = u \left( X (\vec{\xi}), Y(\vec{\xi}), Z(\vec{\xi}) \right) = u \left( \vec{r}(\vec{\xi}) \right) \]

    Dokaz: Case 1

  2. <2>2

    \[ \frac{\partial U}{\partial \xi_j} = \frac{\partial u}{\partial x} \left( \vec{r}(\vec{\xi}) \right) \cdot \frac{\partial X}{\partial \xi_j} \left( \vec{\xi} \right) + \frac{\partial u}{\partial y} \left( \vec{r}(\vec{\xi}) \right) \cdot \frac{\partial Y}{\partial \xi_j} \left( \vec{\xi} \right) + \frac{\partial u}{\partial z} \left( \vec{r}(\vec{\xi}) \right) \cdot \frac{\partial Z}{\partial \xi_j} \left( \vec{\xi} \right) \]

    Dokaz: <2>1 in verižno pravilo odvajanja

  3. <2>3 QED

    Dokaz: <2>2 se lahko zapiše kot

    \[ \frac{\partial U}{\partial \xi_j} = \left\langle \left( \nabla_{\vec{x}} u \right) \left( \vec{r}(\vec{\xi}) \right), r_j \left( \vec{\xi} \right) \right\rangle \]

40.1.2. <1>2

\[ \left\langle \left( \nabla_{\vec{x}}u \right) \left( \vec{r} \left( \vec{\xi} \right) \right), \vec{r}_j \left( \vec{\xi} \right) \right\rangle = H_j \left\langle \left( \nabla_{\vec{x}} u \right) \left( \vec{r}\left( \vec{\xi} \right) \right), \vec{\eta}_j \right\rangle \]

Dokaz: definicija Laméjevih koeficientov \( \vec{r}_j = H_j \cdot \vec{\eta}_j \)

40.1.3. <1>3

\[ \left( \nabla_{\vec{x}} u \right) \left( \vec{r} \right) = \sum\limits_{j = 1}^3 \left\langle \left( \nabla_{\vec{x}} u \right) \left( \vec{r} \right), \vec{\eta}_j \right\rangle \cdot \vec{\eta}_j \]

Dokaz: Ortonormirano bazo, kar \( \vec{\eta}_j \) je, se zapiše za vsak \( \vec{v} \in \mathbb{R} ^3 \) zapiše kot

\[ \vec{v} = \sum\limits_1^3 \left\langle \vec{v}, \vec{\eta}_j \right\rangle \cdot \vec{\eta}_j \]

40.1.4. <1>4

\[ \sum\limits_{j = 1}^3 \left\langle \left( \nabla_{\vec{x}} u \right) \left( \vec{r} \right), \vec{\eta}_j \right\rangle \cdot \vec{\eta}_j = \left\langle \begin{bmatrix} \frac{\partial U}{\partial \xi_1} \\ \frac{\partial U}{\partial \xi_2} \\ \frac{\partial U}{\partial \xi_3} \end{bmatrix}, \begin{bmatrix} \frac{\vec{\eta}_1}{H_1} \\ \frac{\vec{\eta}_2}{H_2} \\ \frac{\vec{\eta}_3}{H_3} \end{bmatrix} \right\rangle \]

Dokaz: linearna algebra

\begin{align*} \sum\limits_{j = 1}^3 \left\langle \left( \nabla_{\vec{x}} u \right) \left( \vec{r} \right), \vec{\eta}_j \right\rangle \cdot \vec{\eta}_j &= \sum\limits_{j= 1}^3 \frac{1}{H_j} \cdot \frac{\partial U}{\partial \xi_j} \cdot \vec{\eta}_j \\ &= \sum\limits_{j = 1}^3 \frac{\partial U}{\partial \xi_j} \cdot \frac{\vec{\eta}_j}{H_j} \end{align*}

40.1.5. <1>5 QED

Dokaz: <1>4

41. Lema

Predpostavke:

  • nabor ortogonalnih koordinat \( \vec{\xi} = \left( \xi_1, \xi_2, \xi_3 \right) \) v \( \mathbb{R} ^3 \)
  • \( U \) je izražava \( u(\vec{x}) \) v \( \xi \), torej \( U(\vec{\xi}) = u \left( \vec{r} \left( \vec{\xi} \right) \right) \) oz. \( U = u \circ \vec{r} \)
  • Predpostavka 1: Definiramo inverz \( \vec{R} = \vec{r}^{-1} \), kjer velja

\[ x = \vec{r}(\vec{\xi}) \iff \vec{\xi} = \vec{R}(\vec{x}) \]

Dokaži

\[ \mathrm{rot}_{\vec{x}} \left( \frac{\vec{\eta}_j}{H_j} \circ \vec{R} \right) \]

41.1. Dokaz

41.1.1. <1>1

Case 1: \( k = 1, 2, 3 \) Case 2:

\( U_k \left( \vec{\xi} \right) = \xi_k \)

Velja

\[ \frac{\partial U_k }{\partial \xi_k} = \delta_{jk} = \begin{cases} 1; \ k = j \\ 0; \ k \ne j \end{cases} \]

Dokaz: Case 2

41.1.2. <1>2 QED

Case 2: \( U_k \left( \vec{\xi} \right) = u_k \left( \vec{x} \right) \)

\[ \mathrm{rot} \left( \nabla u_{k} \left( \vec{r} \right) \right) = \mathrm{rot} \left( \frac{\vec{\eta}_k}{H_k} \circ \vec{R} \right) = 0 \]

Dokaz:

\[ \mathrm{rot} \circ \nabla = 0 \]

ter

\begin{align*} \mathrm{rot} \left( \nabla u_k (\vec{r}) \right) &= \sum\limits_{k = 1}^3 \mathrm{rot} \left[ \left( \frac{\partial U}{\partial \xi_k} \cdot \frac{\vec{\eta}_k}{H_k} \circ \vec{R} \right) \right] \\ &= \mathrm{rot} \left( \frac{\vec{\eta}_k}{H_k} \circ \vec{R} \right) \end{align*}

za <1>2

42. Posledica 1

\[ \mathrm{div} \left( \frac{\vec{r}_j}{H} \circ \vec{R} \right) = 0, \ \forall j \]

Opomba: Pri Laméjevih koeficientih smo definirali \( H = H_1 H_2 H_3 \), kar pomeni za \( i, j, k \)

\[ \mathrm{div} \left( \frac{\vec{\eta}_i}{H_j H_k} \circ \vec{R} \right) \]

42.1. Dokaz:

42.1.1. <1>1

Velja

\[ \vec{\eta}_1 + \pm \vec{\eta}_2 \times \vec{\eta}_3 \]

Dokaz: \( \left\{ \eta_j \right\} \) je ortonormirana baza za \( \mathbb{R} ^3 \)

42.1.2. <1>2

\[ \mathrm{div} \left( \frac{\vec{\eta}_i}{H_j H_k} \right) = \pm \mathrm{div} \left( \frac{\vec{\eta}_j}{H_j} \times \frac{\vec{\eta}_k}{H_k} \right) = \left\langle \mathrm{rot} \left( \frac{\vec{\eta}_j}{H_j} \right), \frac{\vec{\eta}_k}{H_k} \right\rangle - \left\langle \mathrm{rot } \left( \frac{\vec{\eta}_k}{H_k} \right) , \frac{\vec{\eta}_j}{H_j}\right\rangle \]

Dokaz:

Velja \( \mathrm{div} \left( \vec{F} \times \vec{G} \right) = \left\langle \mathrm{rot } \vec{F}, \vec{G} \right\rangle - \left\langle \vec{F}, \mathrm{rot } \vec{G} \right\rangle\)

42.1.3. <1>3 QED

<1>2 je \( 0 - 0 \) zaradi leme

43. Posledica 2

Predpostavka 1: \( A_j = \frac{1}{H_j} \frac{\partial U}{\partial \xi_j} \)

Velja

\[ \mathrm{div} \left[ \left( A_j \vec{\eta}_j \right) \circ \vec{R} \right] = \left[ \frac{1}{H} \frac{\partial }{\partial \xi_j} \left( \frac{H}{H_j ^2} \frac{\partial U}{\partial \xi_j} \right) \right] \circ \vec{R} \]

43.1. Dokaz

43.1.1. <1>1

Case 1: \( j = 1 \)

\[ \mathrm{div} \left( A_1 \vec{\eta}_1 \right) = \mathrm{div} \left( A_1 H_2 H_3 \cdot \frac{\vec{\eta}_1}{H_2 H_3} \right) = \left\langle \nabla \left( A_1 H_2 H_3 \right), \frac{\vec{\eta}_1}{H_2 H_3} \right\rangle + A_1 H_2 H_3 \cdot \mathrm{div} \left( \frac{\vec{\eta}_1}{H_2 H_3} \right) \]

Dokaz:

Velja

\[ \mathrm{div} \left( \phi \vec{F} \right) = \left\langle \nabla \phi, \vec{F} \right\rangle_{\mathbb{R} ^3} + \phi \mathrm{div} \vec{F} \]

43.1.2. <1>2

\[ \left\langle \nabla \left( A_1 H_2 H_3 \right), \frac{\vec{\eta}_1}{H_2 H_3} \right\rangle = \left\langle \nabla \left( \frac{H_2 H_3}{H_1} \frac{\partial U}{\partial \xi_1} , \frac{\vec{\eta}_1}{H_2 H_3} \right) \right\rangle = \frac{1}{H} \left\langle \nabla \left( \frac{H}{H_1 ^2} \frac{\partial U}{\partial \xi_1} \right), \vec{r}_1 \right\rangle \]

Dokaz:

Velja \( \vec{\eta}_1 = \frac{\vec{r}_1}{ \left| \vec{r}_1 \right|} = \frac{\vec{r}_1}{H_1} \) in potem posledično

\[ \frac{\vec{\eta}_1}{H_2 H_3} = \frac{\vec{r}_1}{H_1 H_2 H_3} = \frac{\vec{r}_1}{H} \]

in predpostavka 1.

43.1.3. <1>3 QED

\[ \frac{1}{H} \left\langle \nabla \left( \frac{H}{H_1 ^2} \frac{\partial U}{\partial \xi_1} \right), \vec{r}_1 \right\rangle = \frac{\partial }{\partial \xi_1} \left( \frac{H}{H_1 ^2} \frac{\partial U}{\partial \xi_1} \circ \vec{R} \right) \]

Dokaz:

Z verižnim pravilom iz desne strani dobimo, levo

44. Izrek

\[ \Delta u = \frac{1}{H} \sum\limits_{j = 1}^3 \frac{\partial }{\partial \xi_j} \left( \frac{H}{H_j ^2} \cdot \frac{\partial U}{\partial \xi_j} \right) \circ \vec{R} \]

44.1. Dokaz:

44.1.1. <1>1

\[ \Delta u = \mathrm{div} \left( \nabla u \right) = \sum\limits_{j = 1}^{ 3} \mathrm{div} \left[ A_j \vec{\eta}_j \circ \vec{R} \right] \]

44.1.2. <1>2 QED

Upoštevamo posledico 2

45. Definicija 6.1

Naj bo \( \vec{r}: I \to \mathbb{R} ^3 \) regularna parametrizacija neke krivulje \( \Gamma \) in \( u: \Gamma \to \mathbb{R} \) zvezna. Integral skalarnega polja \( u \) po \( \Gamma \) definiramo kot

\[ \int\limits_{\Gamma}^{} u \, \mathrm{ds} = \int\limits_I^{} u(\vec{r}(t)) \left| \odv{r}(t) \right|\, \mathrm{dt} \]

46. Trditev 6.2

Definicija 6.1 je dobra.

46.1. Dokaz:

46.1.1. <1>1

Case 1: \( I = [a, b] \in \mathbb{R} \) Case 2: \( J = [\alpha, \beta] \in \mathbb{R} \) Case 3: Druga parametrizacija \( \vec{R}: J \to \mathbb{R} ^3 \) in \( \phi: J \to I \) in tao velja \( \vec{R} = \vec{r} \circ \phi \)

Prove:

\[ \int\limits_{\alpha}^{ \beta} u \left( \vec{R}(s) \right) \left| \odv{R} (s) \right| \, \mathrm{ds} = \int\limits_{\alpha}^{\beta} u(\vec{r}(\phi(s))) \cdot \left| \vec{r}(\phi(s)) \right| \, \mathrm{ds} \]

Dokaz: Upoštevali smo \( \vec{R} = \vec{r} \circ \phi \)

46.1.2. <1>2

\[ \int\limits_{\alpha}^{\beta} u \left( \vec{r}(\phi(s)) \right) \cdot \left| \vec{r}(\phi(s)) \right|\dot{} \, \mathrm{ds} = \int\limits_{\alpha}^{\beta} u \left( \vec{r}(\phi(s)) \right) \left| \odv{r}(\phi(s)) \cdot \dot{\phi}(s) \right| \]

Dokaz: Verižno pravilo

46.1.3. <1>3

Case 4: \( \phi(s) = w \)

\[ \int\limits_{\alpha}^{\beta} u \left( \vec{r}(\phi(s)) \left| \odv{r} \left( \phi(s)) \right) \cdot \dot{\phi}(s) \right| \right) \, \mathrm{ds} = \int\limits_a^b u \left( \vec{r}(w)\right) \left| \odv{r} (w) \right| \, \mathrm{dw} \]

Dokaz:

\[ \dot{\phi}(s) = \dot{w}(s) \]

ter menjava spremenljivk v integralu.

46.1.4. <1>4 QED

Imamo dve možnosti:

\[ \begin{cases} (\alpha, \beta) \mapsto (a, b), \ \dot{\phi} > 0 \\ \left( \alpha, \beta) \mapsto (b, a), \ \dot{\phi} < 0 \right) \end{cases} \]

47. Definicija 6.4

Naj bo \( \vec{F}: \Gamma \to \mathbb{R} ^3 \) zvezna. Integral vektorskega polja \( \vec{F} \) po \( \Gamma \) definiramo kot

\[ \int\limits_{\Gamma}^{} \vec{F} \, \mathrm{d} \vec{r} = \int\limits_a^b \left\langle \vec{F}\left( \vec{r}(t)) \right), \odv{r}(t) \right\rangle \, \mathrm{ dt} \]

48. Trditev 6.5

Če v definiciji nadomestimo \( \vec{r} \) z drugo parametrizacijo \( \vec{R} \) iste krivulje, tedaj je novi izraz

\[ \int\limits_{\Gamma}^{} \left\langle \vec{F} \circ \vec{R}, \odv{R} \right\rangle \, \mathrm{dx} \]

  • enak, če \( \vec{R} \) ohranja orientacijo
  • nasprotno enak, če \( \vec{R} \) obrne orientacijo.

48.1. Dokaz

48.1.1. <1>1

Case 1: \( I = [a, b] \in \mathbb{R} \) Case 2: \( J = [\alpha, \beta] \in \mathbb{R} \) Case 3: Druga parametrizacija \( \vec{R}: J \to \mathbb{R} ^3 \) in \( \phi: J \to I \) in tao velja \( \vec{R} = \vec{r} \circ \phi \)

49. Definicija 6.8

Vektorsko polje \( \vec{F}: \Omega \to \mathbb{R} ^3 \), kjer je \( \Omega \subseteq \mathbb{R} ^3 \) odprta množica, je potencialno, če obstaja skalarno polje \( u: \Omega \to \mathbb{R} \), da je \( \vec{F} = \mathrm{grad} u = \nabla u \). Funkcijo \( u \) imenujemo potencial polja \( \vec{F} \).

50. Trditev 6.9

Naj bo \( \Gamma \) regularna krivulja med točkama \( A, B \in \mathbb{R} ^3 \) in naj bo \( \vec{F} = \nabla u \) potencialno vektorsko polje. Potem je

\[ \int\limits_{\Gamma}^{} \vec{F} \mathrm{d} \vec{r} = u(B) - u(A) \]

50.1. Dokaz

50.1.1. <1>1

\[ \int\limits_{\Gamma}^{} \vec{F} \mathrm{d} \vec{r} = \int\limits_{\Gamma}^{} \nabla u \mathrm{d} \vec{r} \]

Dokaz: Predpostavka iz trditve

50.1.2. <1>2

Case 1: parametrizacija \( \vec{r}: [\alpha, \beta] \to \Gamma \)

\[ \int\limits_{\Gamma}^{} \nabla u \mathrm{d} \vec{r} = \int\limits_{\alpha}^{\beta} \left\langle \left( \nabla u \right) \circ \vec{r}, \odv{r} \right\rangle_{\mathbb{R} ^3} \mathrm{dt} \]

Dokaz: Definicija integrala vektorskega polja

50.1.3. <1>3

\[ \int\limits_{\Gamma}^{} \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t} \left( u \circ \vec{r} \right) \, \mathrm{ dt} \]

Dokaz: Verižno pravilo

50.1.4. <1>4

\[ \int\limits_{\alpha}^{\beta} \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t} \left( u \circ \vec{r} \right) \, \mathrm{dt} = \left( u \circ \vec{r} \right) \left( \beta \right) - \left( u \circ \vec{r} \right) \left( \alpha \right) \]

Dokaz: Osnovni izrek analize

50.1.5. <1>5 QED

\[ \left( u \circ \vec{r} \right) \left( \beta \right) - \left( u \circ \vec{r} \right) \left( \alpha \right) = u (B) - u(A) \]

51. Trditev 6.10

Predpostavke 1: \( \Omega \subset \mathbb{R} ^3 \) povezana odprta množica Predpostavka 2: \( \vec{F}: \Omega \to \mathbb{R} ^3 \)

  1. \( \vec{F} \) je potencialno
  2. integral \( \vec{F} \) po vsaki sklenjeni krivulji je enak 0
  3. za vsak \( A, B \subset \Omega \) je integral \( \vec{F} \) od \( A \) do \( B \) neodvisno od izbire poti med točkama

51.1. Dokaz:

51.1.1. <1>1

\( 1 \implies 2 \)

Dokaz:

  1. <2>1

    Case 1: \( \Gamma \) sklenjena krivulja v \( \Omega \) Case 2: \( A \in \Gamma \)

    \[ \oint\limits_{\Gamma}^{} \vec{F} \mathrm{d}\vec{r} = u(A) - u(A) = 0 \]

    Dokaz: Trditev 6.9

  2. <2>2 QED

51.1.2. <1>2

\( 2 \implies 3 \)

Dokaz:

  1. <2>1

    Case 1: \( \Gamma_1 \) in \( \Gamma_2 \) sta dve krivulji, ki povezujeta točki \( A \) in \( B \) Case 2: \( \Gamma = \Gamma_1 \cup \left( - \Gamma_2 \right) \), kjer je \( -\Gamma_2 \) krivulja \( \Gamma_2 \) z nasprotno orientacijo.

    \[ \int\limits_{\Gamma}^{} \vec{F} \mathrm{d} \vec{r} = 0 \]

    Dokaz: 2)

  2. <2>2

    \[ \int\limits_{\Gamma_1}^{} \vec{F} \mathrm{d} \vec{r} + \int\limits_{- \Gamma_2}^{} \vec{F} \mathrm{d}\vec{r} = \int\limits_{\Gamma_1}^{} \vec{F} \mathrm{d}\vec{r} - \int\limits_{\Gamma_2}^{} \vec{F} \mathrm{d} \vec{r} = 0 \]

    Dokaz: Trditev 6.5 za spremembo predznaka

  3. <2>3 QED

    Dokaz: <2>2

    \[ \int\limits_{\Gamma_1}^{} \vec{F} \mathrm{d}\vec{r} = \int\limits_{\Gamma_2}^{} \vec{F} \mathrm{d} \vec{r} \]

51.1.3. <1>3

\( 3 \implies 1 \)

  1. <2>1

    Case 1: \( \vec{F} = \left( U, V, W \right) = \nabla u \) Case 2: \( \Gamma \) je pote od \( A \) do \( B \)

    Definiramo funkcijo

    \[ u(B) = u(A) + \int\limits_{\Gamma}^{} \vec{F} \mathrm{d} \vec{r} \]

    kjer je \( u(A) \) konstanten. Dokaz: Trditev 6.9

  2. <2>2

    \[ \nabla (u + C) = \vec{F} \]

    za konstanto \( C \in \mathbb{R} \).

    Dokaz: Case 1 in odvod po konstanti

  3. <2>3

    \[ u(A) = 0 \]

    Dokaz: Gradient je po <2>2 in <2>1 določen do aditivne konstante natančno

  4. <2>4

    Case 3: \( \Gamma \) je poljubna pot od \( A \) do \( T \) znotraj \( \Omega \)

    \[ u(T) = \int\limits_{\Gamma}^{} \vec{F} \mathrm{d} \vec{r} \]

    je dobro definiran.

    Dokaz: Predpostavka

  5. <2>5

    Velja

    \[ \nabla u = \vec{F} \]

    1. <3>1

      Case 1: \( \Gamma_1 \) je poljubna pot od \( A \) do \( (x, y, z) \) Case 2: \( \Gamma_2 \) je poljubna pot od \( A \) do \( (x + h, y, z) \)

      \[ u_x = \lim_{h \to 0} \frac{1}{h} \left[ u(x + h, y, z) - u(x, y, z) \right] = \lim_{h \to 0} \frac{1}{h} \left[ \int\limits_{\Gamma_2}^{} \vec{F} \mathrm{d}\vec{r} - \int\limits_{\Gamma_1}^{} \vec{F} \mathrm{d} \vec{r} \right] \]

      Dokaz: Definicija odvoda funkcije \( u \) po \( x \) ter <2>4

    2. <3>2

      Case 3: \( \Gamma_3 \) je daljica \( \left( x, y, z \right) \) do \( \left( x + h, y, z \right) \)

      Velja \( \Gamma_2 = \Gamma_1 \cup \Gamma_3 \)

      Dokaz: \( \Gamma_2 \) je poljubna pot

    3. <3>3

      Case 4: parametriziramo \( \Gamma_2 \) \( \vec{r}(t) = \left( x + ht, y, z \right), t \in [0, 1] \) Case 5: \( \odv{r} = \left( h, 0, 0 \right) \)

      \[ u(x + h, y, z) - u(x, y, z) = \int\limits_{\Gamma_3}^{} \vec{F} \mathrm{d} \vec{r} = \int\limits_0^1 \vec{F}\left( \vec{r}(t) \right) \cdot \odv{r} \mathrm{dt} = \int\limits_0^1 U \left( x + h, y, z \right) h \mathrm{dt} \]

      Dokaz: <2>4, <3>2 ter Case 4 in Case 5

    4. <3>4 QED

      \[ u_x = \lim_{h \to 0} \frac{1}{h} \int\limits_0^1 h \cdot U (x + h, y, z) \mathrm{dt} = U(x, y, z) \]

      Dokaz: upoštevamo <3>1, <3>3, ter, da je U zvezna in posledično tudi integral.

      Analogno še za \( y \) in \( z \).

  6. <2>6 QED

    Dokaz <2>5

51.1.4. <1>4 QED

52. Izrek 6.12

Delo rezultante sil (= vsote vseh sil), ki delujejo na delec, je enako spremembi kinetične energije. Ker je celotna energija enaka vsota kinetične in potencialne energije, je delo enako negativni spremembi potencialne energije

\[ A = - \Delta u = U(r_0) - U(r_1) \]

53. Definicija 6.14

Območje \( \Omega \subset \mathbb{R} ^3 \) je zvezdasto, če obstaja \( \omega_0 \in \Omega \) tako, da velja za vsak \( \omega \in \Omega \) je daljica \( \left[ \omega_0, \omega \right] \) cela vsebovana v \( \Omega \).

\[ \left[ \omega_0, \omega \right] = \left\{ (1 - t) \omega_0 + t \omega; \ t \in [0, 1] \right\} \]

Opomba: Konveksna množica je množica, ki vsebuje vse daljice med dvema poljubnima točkama iz množice. Posledično je vsaka konveksna množica zvezdasta.

54. Izrek 6.15

Predpostavka 1: \( \Omega \subseteq \mathbb{R} ^3 \) zvezdasto območje Predpostavka 2: \( \vec{F} \) odvedljivo vektorsko polje na \( \Omega \)

\[ \nabla \times \vec{F} = 0 \implies \vec{F} \text{ potencialno} \]

54.1. Dokaz

54.1.1. <1>1

Case 1: \( \omega_0 \in \Omega \) Case 2: poljuben \( \omega \in \Omega: \ u(\omega) = \int\limits_{\left[ \omega_0, \omega \right]}^{} \vec{F} \mathrm{d} \vec{r} \)

Velja

\[ \nabla u = \vec{F} \]

  1. <2>1

    Case 3: daljico \( \left[ \omega_0, \omega \right] = \left[ (x_0, y_0, z_0), (x, y, z) \right] \) parametriziramo

    \[ \vec{r}(t) = \begin{bmatrix} (1 - t)x_0 + tx \\ (1 -t) y_0 + ty \\ (1 -t) z_0 + tz \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} r_1(t) \\ r_2(t) \\ r_3(t) \end{bmatrix} \]

    Velja

    \[ \int\limits_{\left[ \omega_0, \omega \right]}^{} \vec{F} \mathrm{d} \vec{r} = \int\limits_0^1 \left\langle \vec{F}(\vec{r}(t)), \odv{r}(t) \right\rangle_{\mathbb{R} ^3} \mathrm{dt} = \int\limits_0^1 \left\langle \vec{F}\left( \vec{r}(t) \right), \omega - \omega_0 \right\rangle \mathrm{dt} \]

    Dokaz: definicija integrala vektorskega polja ter definicija parametrizacije Case 3

  2. <2>2

    Case 4: \( \left( \nabla u \right) \left( \omega \right) = \left( u_x, u_y, u_z \right) \left( \omega \right) \)

    \[ u_x \left( \omega \right) = \int\limits_0^1 \left( \left\langle \frac{\partial }{\partial x} \left[ \vec{F}\left( \vec{r}(t) \right) \right], \omega - \omega_0 \right\rangle + \left\langle \vec{F} \left( \vec{r}(t) \right), \frac{\partial }{\partial x} \left( \omega - \omega_0 \right) \right\rangle \right) \]

    Dokaz: \( u \) je odvedljiv, ker je integrand \( \vec{F} \) po predpostavki 2 odvedljiv, ter verižno pravilo <2>1

  3. <2>3

    Case 5: \( \vec{F} = \left( F_1, F_2, F_3 \right) \)

    Velja

    \[ \frac{\partial }{\partial x} \left[ \vec{F}(\vec{r}(t)) \right] = \left( \frac{\partial }{\partial x} \left( F_1 (\vec{r}) \right), \frac{\partial }{\partial x} F_2 \left( \vec{r}(t) \right), \frac{\partial }{\partial x} \left( F_3 \left( \vec{r}(t) \right) \right) \right) \]

    Dokaz: Odvod vektorja je odvod posamezne komponente vektorja

  4. <2>4

    Case 6: \( F_i = F_i \left( a_i, b_i, c_i \right), \ i = 1, 2, 3 \) in \( a_i, b_i, c_i = r_1, r_2, r_3 \)

    Za \( i = 1 \) velja

    \[ \frac{\partial }{\partial x} \left( F_1 \left( \vec{r} \right) \right) = \left( \frac{\partial F_1}{\partial a} \right) \left( \vec{r}(t) \right) \cdot \frac{\partial }{\partial x} \left( r_1 (t) \right) + \underbrace{ \left( \frac{\partial F_1}{\partial b} \right) \left( \vec{r}(t) \right) \cdot \frac{\partial }{\partial x} \left( r_2 (t) \right)}_{0} + \underbrace{ \left( \frac{\partial F_1}{\partial c} \right) \left( \vec{r}(t) \right) \cdot \frac{\partial }{\partial x} \left( r_3 (t) \right)}_{0} \]

    Dokaz: Verižno pravilo, \( a = r_1, b=r_2, c = r_3 \) ter to, da po Case 3, \( r_2 \ne r_2(x) \) in \( r_3 \ne r_3(x) \)

  5. <2>5

    \[ \frac{\partial }{\partial x} \left[ \vec{F} \left( \vec{r}(t) \right) \right] = t \left( \frac{\partial F_1}{\partial a} \left( \vec{r} \right), \frac{\partial F_2}{\partial a} \left( \vec{r} \right), \frac{\partial F_3}{\partial a} \left( \vec{r} \right) \right) \]

    Dokaz: Odvod iz <2>4 je po definiciji <2>1 Case 3 enak \( \frac{\partial }{\partial x} \left( r_1 \right) = t \) in to za vsak \( i \) \( F_i \)

  6. <2>6

    \[ t \left( \frac{\partial F_1}{\partial a} \left( \vec{r} \right), \frac{\partial F_2}{\partial a} \left( \vec{r} \right), \frac{\partial F_3}{\partial a} \left( \vec{r} \right) \right) = t \left( \frac{\partial F_1}{\partial a} \left( \vec{r} \right), \frac{\partial F_1}{\partial b} \left( \vec{r} \right), \frac{\partial F_1}{\partial c} \left( \vec{r} \right)\right) \]

    Dokaz: iz predpostavke \( \mathrm{rot} \vec{F} = 0 \) dobimo sledeče ekvivalence:

    \begin{align*} \begin{vmatrix} i& j & k \\ \partial_a & \partial_b & \partial_c \\ F_1 & F_2 & F_3 \end{vmatrix} = \left( \partial_b F_3 - \partial_c F_2, \partial_c F_1 - \partial_a F_3, \partial_a F_2 - \partial_b F_1 \right) &= (0, 0, 0) \\ \implies \partial_c F_1 &= \partial_a F_3 \\ \implies \partial_a F_2 &= \partial_b F_1 \end{align*}
  7. <2>7

    Case 7: uvedemo oznako \( \tilde{\nabla} = \left( \partial_a, \partial_b, \partial_c \right) \)

    \[ \left( u_x \right) \left( \omega \right) = \int\limits_0^1 \left( \left\langle t \tilde{\nabla} F_1 \left( \vec{r} \right), \omega - \omega_0 \right\rangle + F_1 \left( \vec{r} \right) \right) \,\mathrm{d x} \]

    Dokaz: <2>1 in notacija uvedena v <2>7 Case 7, definiciji \( \omega, \omega_0 \)

  8. <2>8

    \[ \int\limits_0^1 \left[ t \frac{\mathrm{d} \left( F_1 \circ \vec{r} \right)}{\mathrm{d} t} + \left( F_1 \circ \vec{r} \right) \right] \,\mathrm{d t} \]

    Dokaz: \( \omega - \omega_0 = \dot{r} \), in skupaj z verižnim pravilom

  9. <2>9

    \[ \int\limits_0^1 \frac{\mathrm{d} \left( t \cdot \left( F_1 \circ \vec{r} \right) \right)}{\mathrm{d} t} \,\mathrm{d t} = \left. \left( t \cdot F_1 (\vec{r}(t)) \right) \right|_{t = 0}^{t=1} = F_1 \left( \vec{r}(1) \right) = F_1 \left( \omega \right) \]

    Dokaz: osnovni izrek analize ter definicija \( \vec{r} \) iz <2>1 Case 3

  10. <2>10 QED

    Dokazali smo, da velja \( u_x = F_1 \) in enako velja za \( u_y = F_2, \ u_z = F_3\)

54.1.2. <1>2 QED

Dokaz: <2>10

55. Definicija 6.16

Naj bo \( M \subset \mathbb{R} \) neka regularna ploskev in \( f: M \to \mathbb{R} \) zvezna.

Ploskovni integral skalarnega polja \( f \) definiramo kot

\[ \int\limits_M f \,\mathrm{d S} = \iint\limits_D f(\vec{r}(u, v)) \left| \vec{r}_u \times \vec{r}_v \right| \, \mathrm{d u} \, \mathrm{ dv} \]

kjer je \( \vec{r}: D \to M \) poljubna regularna parametrizacija za M.

56. Definicija 6.19

Naj bo \( M \) ploskev z orientacijo \( \vec{N} \). Ploskovni integral zveznega vektorskega polja \( \vec{F}: M \to \mathbb{R} ^3 \) je definiran s predpisom

\[ \iint\limits_M \vec{F} \,\mathrm{d } \vec{S} = \iint\limits_M^{} \left\langle \vec{F}, \vec{N} \right\rangle \,\mathrm{d S} \]

57. Izrek 6.20 (Gaussov izrek)

Predpostavke:

  • \( \Omega \) odprta omejena množica v \( \mathbb{R} ^3 \) z odsekoma gladkim robom
  • \( \vec{F} \in C^1 \) vektorsko polje v okolici \( \bar{\Omega} = \Omega \cup \partial \Omega \)
  • \( \partial \Omega \) je ploskev z orientacijo \( \vec{N} \), ki kaže ven iz \( \Omega \)

Velja:

\[ \iint\limits_{\partial \Omega}^{} \vec{F} \,\mathrm{d } \vec{S} = \iiint\limits_{\Omega}^{} \mathrm{div} \vec{F} \,\mathrm{d V} \]

57.1. Dokaz

Dokaz je narejen samo za primer, ko lahko območje \( \Omega \) zapišemo med dvema grafoma \( \Gamma_f \) in \( \Gamma_g \)

57.1.1. <1>1

Case 1: \( \vec{F} = \left( X, Y, Z \right) \) Case 2: \( \vec{N} = \left( N_1, N_2, N_3 \right) \) Case 3: \( \Omega = \left\{ \left( x, y, z \right) \in \mathbb{R} ^3;\ f(x, y) < z < g(x, y) \right\} \)

Integral, ki ga dokazujemo, lahko zapišemo kot

\[ \iint\limits_{\partial \Omega}^{} \left( XN_1 + YN_2 + ZN_3 \right) \,\mathrm{d S} = \iiint\limits_{\Omega}^{} \left( X_x + Y_y + Z_z \right) \,\mathrm{d V} \]

Dovolj je pokazati, da velja integral za eno komponento.

57.1.2. <1>2

Velja

\[ \iint\limits_{\partial \Omega}^{} ZN_3 \,\mathrm{d S} = \iiint\limits_{\Omega}^{} Z_z \,\mathrm{d V} \] Dokaz:

  1. <2>1

    Case 4: \( \Omega = \Gamma_f + \Gamma_g + \mathrm{plasc} \)

    \[ \mathrm{LS} = \iint\limits_{\Gamma_f}^{} ZN_3 \,\mathrm{d S} + \iint\limits_{\Gamma_g}^{} ZN_3 \,\mathrm{d S} + \underbrace{\iint\limits_{\mathrm{plasc}}^{} ZN_3 \,\mathrm{d S }}_{0} \]

    Dokaz: Integral po množici je vsota integralov podmnožic, ki jo sestavljajo. Po predpostavki 3 \( \vec{N} \) kaže navzen in za plašč to pomeni \( \vec{N} = \left( \cdot, \cdot, 0 \right) \)

  2. <2>2

    Case 5: parametrizacija \( \Gamma_f \) je \( \vec{r} (x, y) = \left( x, y, f(x, y) \right); \ (x, y) \in D \subset \mathbb{R} ^2 \) Case 6: parametrizacija \( \Gamma_g \) je \( \vec{R}(x, y) = \left( x, y, g(x, y) \right); (x, y) \in D \subset \mathbb{R} ^2 \)

    \[ LS = \iint\limits_D^{} Z(x, y, f(x,y)) \cdot \left( - \frac{1}{\sqrt{1 + f_x ^2 + f_y ^2}} \right) \cdot \sqrt{1 + f_x ^2 + f_y ^2} \,\mathrm{d x dy} + \iint\limits_D^{} Z(x, y, g(x, y)) \cdot \left( \frac{1}{\sqrt{1 + g_x ^2 + g_y ^2}} \right) \cdot \sqrt{1 + g_x ^2 + g_y ^2} \,\mathrm{dxdy } \]

    Dokaz:

    1. <3>1

      \[ \vec{r}_x \times \vec{r}_y = (- f_x, -f_y, -1) \]

      in

      \[ \vec{R}_x \times \vec{R}_y = \left( - g_x, -g_y, 1 \right) \]

      Dokaz: odvod in vektorski produkt parametrizacije Case 5 za funkciji \( f \) in \( g \) in predpostavka 3

    2. <3>2

      \[ \vec{N} = \frac{\vec{r}_x \times \vec{r}_y}{\left| {\vec{r}_x \times \vec{r}_y} \right|} \implies N_3 = - \frac{1}{\sqrt{1 + f_x ^2 + f_y ^2}} \]

      Dokaz:

      Vektorski produkt in <3>1

    3. <3>3 QED

      Dokaz: <3>2 ter uvedba parametrizacije v integralu Definicija 4.8

  3. <2>3

    \[ \iint\limits_D^{} \left[ Z(x, y, g(x, y)) - Z(x, y, f(x, y)) \right] \,\mathrm{d xdy} = \iint\limits_D^{} \int\limits_{f(x,y)}^{g(x, y)} Z_z(x, y, t) \,\mathrm{d t} \,\mathrm{d x dy} \]

    Dokaz: <2>2 in osnovni izrek analize

  4. <2>4 QED

    \[ \iint\limits_D^{} \int\limits_{f(x,y)}^{g(x, y)} Z_z(x, y, t) \,\mathrm{d t} \,\mathrm{d x dy} = \iiint\limits_{\Omega}^{} Z_z \,\mathrm{d V} \]

57.1.3. <1>3 QED

Dokaz <1>2 in s enako lahko naredimo z ostalimi komponentami.

58. Izrek 6.24 (Greenova formula)

Predpostavke:

  • \( D \subset \mathbb{R} ^2 \) območje z odsekoma gladkim robom
  • \( \partial D \) je končna unija odsekoma gladkih krivulj
  • \( \partial D \) orientirana skaldno z normalo \( (0, 0, 1) \) na D
  • \( \vec{F}(X, Y) \in C^1 \) vektorsko polje na okolici \( \bar{D} \)

Velja

\[ \oint\limits_{\partial D}^{} X \,\mathrm{d x} + Y \, \mathrm{dy} = \iint\limits_D^{} \left( Y_x - X_y \right) \,\mathrm{d xdy} \]

58.1. Dokaz

Dokaz je podoben dvodimenzionalnemu Gaussovemu izreku

58.1.1. <1>1

Case 1: \( \vec{G} = (U, V) \)

\[ \oint\limits_{\partial D}^{} \left\langle \vec{G}, \vec{N} \right\rangle \,\mathrm{d s} = \iint\limits_D^{} \mathrm{div} \vec{G} \,\mathrm{d S} \]

58.1.2. <1>2

Case 2: \( \vec{T} \) je tangenta krivulje

Integral <1>1 je zelo podoben temu, kar želimo dokazati, če \( \vec{N} \) zamenjamo s \( \vec{T} \)

Za \( \vec{H} = (-V, U) \) velja

\[ \left\langle \vec{G}, \vec{N} \right\rangle = \left\langle \vec{H}, \vec{T} \right\rangle \]

  1. <2>1

    Case 3: \( \underline{R} = \begin{bmatrix} 0& -1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix} \)

    \[ \vec{T} = \underline{R} \vec{N} \]

    Dokaz: \( \underline{R} \in \mathbb{R} ^2 \) rotira \( \vec{N} \) za kot \( \frac{\pi}{2} \), kar pa je ravno vektor \( \vec{T} \).

  2. <2>2

    \[ \vec{N} = R^{-1} \vec{T} \]

    Dokaz:

    Množenje z \( \underline{R}^{-1} \)

  3. <2>3

    \[ \left\langle \vec{G}, \vec{N} \right\rangle = \left\langle \vec{G}, \underline{R}^{-1} \vec{T} \right\rangle \]

    Dokaz:

    Upoštevamo <2>2

  4. <2>4

    \[ \left\langle \vec{G}, \underline{R}^{-1} \vec{T} \right\rangle = \left\langle \underline{R} \vec{G}, \underline{T} \right\rangle \]

    Dokaz:

    1. <3>1

      Matrika \( \underline{R} \) je ortogonalna

      Dokaz: Za ortogonalno matriko velja

      \[ \underline{R}^T = \underline{R}^{-1} \iff \ \left( \underline{R}^{-1} \right)^T = \underline{R} \iff \ \underline{R}^T \underline{R} = \underline{R} \underline{R}^T = I \]

    2. <3>2
      \begin{align*} \left. \underline{R} \cdot \right/ \quad \left\langle \vec{G}, \underline{R}^{-1} \vec{T} \right\rangle &= \left\langle \underline{R} \vec{G}, \underline{R} \cdot \underline{R}^{-1} \vec{T} \right\rangle \\ &= \left\langle \underline{R} \vec{G}, \vec{T} \right\rangle \end{align*}

      Dokaz: Matrika je ortogonalna

    3. <3>3 QED
  5. <2>5 QED

    \[ \underline{R} \vec{G} = H = (-V, U) \]

58.1.3. <1>3

\[ \oint\limits_{\partial D}^{} \left\langle \vec{H}, \vec{T} \right\rangle \,\mathrm{d s} = \oint\limits_{\partial D}^{} -V \mathrm{dx} + U \,\mathrm{d y} \]

Dokaz:<1>2 ter <1>1

58.1.4. <1>4

\[ \iint\limits_D^{} \mathrm{div} \vec{G} \,\mathrm{d S} = \iint\limits_D^{} U_x + V_y \,\mathrm{d xdy} \]

Dokaz: definicija divergence

58.1.5. <1>5

Z izborom \( (U, V) = (Y, -X) \) velja

\[ \oint\limits_{\partial D}^{} -V \,\mathrm{d x} + U \, \mathrm{dy} = \iint\limits_D^{} U_x + V_y \,\mathrm{d xdy} \]

Dokaz: analiza 1

58.1.6. <1>6 QED

59. Izrek 6.25 (Stokesov izrek)

Predpostavke:

  • \( M \) omejena gladka orientirana ploskev v \( \mathbb{R} ^3 \)
  • \( \vec{F} = (X, Y, Z): M \to \mathbb{R} \) vektorsko polje
  • \( \vec{F} \) definirano v okolici \( M \)

Velja

\[ \int\limits_{\partial M}^{} \vec{F} \,\mathrm{d } \vec{r} = \iint\limits_M^{} \vec{F} \,\mathrm{d S} \]

59.1. (Skica) dokaza

59.1.1. <1>1

Case 1: \( D \subset \mathbb{R} ^2 \) Case 2: \( f: D \to \mathbb{R} \) Case 3: \( M = \Gamma_f = \left\{ \vec{r}(x, y) = \left( x, y, f(x, y) \right); (x,y) \in D \right\} \)

\[ \int\limits_{\partial M}^{} \vec{F} \,\mathrm{d } \vec{r} = \int\limits_{\partial M}^{} X \,\mathrm{d x} + Y \, \mathrm{dy} + Z \left[ f_x \, \mathrm{dx} + f_y \, \mathrm{dy } \right] \]

Dokaz: Definicija 6.4, kjer je \( d \vec{r} = \odv{r}(t) dt = \left( \mathrm{dx}, \mathrm{dy}, f_x \, \mathrm{dx} + f_y \mathrm{dy} \right) \)

59.1.2. <1>2

Case 4: \( \vec{F} = (X, Y, Z) = \left( X (u, v, w), Y(u, v, w), Z(u, v, w) \right) \)

\begin{align*} \int\limits_{\partial M}^{} \left[ X + Z f_x \right] \,\mathrm{d x} + \left[ Y + Zf_y \right] \, \mathrm{dy } = \iint\limits_D^{} &\left[ Y_u \left( \vec{r} \right) \frac{\partial x}{\partial x} + \underbrace{Y_v \left( \vec{r} \right) \cdot \frac{\partial y}{\partial x}}_{0} + Y_w \left( \vec{r} \right) \cdot \frac{\partial f(x, y)}{\partial x} + f_y \cdot \left( Z_u \left( \vec{r} \right) \cdot \frac{\partial x}{\partial x} + \underbrace{Z_v \left( \vec{r} \right) \cdot \frac{\partial y}{\partial x}}_{0} + Z_w \left( \vec{r} \right) \cdot \frac{\partial f(x, y)}{\partial x} \right) + Z \cdot f_{yx} \right. \\ &- \left. \left( \underbrace{X_u \left( \vec{r} \right) \cdot \frac{\partial x}{\partial y}}_{0} + X_v \left( \vec{r} \right) \cdot \frac{\partial y}{\partial y} + X_w \left( \vec{r} \right) \cdot \frac{\partial f(x, y)}{\partial y} + f_x \left[ \underbrace{Z_v \left( \vec{r} \right) \cdot \frac{\partial x}{\partial y} }_0 + Z_v \left( \vec{r} \right) \cdot \frac{\partial y}{\partial y} + Z_w \left( \vec{r} \right) \cdot \frac{\partial f(x, y)}{\partial y} \right] + Z \cdot f_{yx} \right) \right] \,\mathrm{dx dy} \\ &= \iint\limits_D^{} \left[ -f_x \left( Z_v - Y_w \right) - f_y \left( X_w - Z_u \right) + \left( Y_u - X_v \right) \right] \,\mathrm{d xdy} \end{align*}

Dokaz: Uporaba Greenove formule

59.1.3. <1>3

\[ \iint\limits_D^{} \left[ -f_x \left( Z_v - Y_w \right) - f_y \left( X_w - Z_u \right) + \left( Y_u - X_v \right) \right] \,\mathrm{d xdy} = \iint\limits_D^{} \left\langle \mathrm{rot} \vec{F} \left( \vec{r} \right), \vec{N} \right\rangle \sqrt{1 + f_x ^2 + f_y ^2} \, \mathrm{dy dx} \]

Dokaz: Definicija skalarnega produkta in rotorja vektorske funkcije \( \vec{F} \)

59.1.4. <1>4 QED

\[ \iint\limits_D^{} \left\langle \mathrm{rot} \vec{F} \left( \vec{r} \right), \vec{N} \right\rangle \sqrt{1 + f_x ^2 + f_y ^2} \,\mathrm{dS } = \iint\limits_M^{} \mathrm{rot} \vec{F} \,\mathrm{d } \vec{S} \]

60. Posledica

Rotor je neodvisen od izbire ONB.

60.1. Dokaz:

60.1.1. <1>1

Case 1: \( \vec{r}_0 \in \mathbb{R} ^3 \) Case 2: \( \vec{F} \in C^1 \) vektorsko polje definirano v okolici točke \( \vec{r}_0 \) Case 3: \( \vec{n} \in \mathbb{R} ^3 \) Case 4: \( \Pi_{\vec{n}} \subset R ^3 \) je ravnina skozi točko \( \vec{r}_0 \) z normalo \( \vec{n} \) Case 5: \( K_{\vec{n}} ^2 \left( \vec{r}_0, \epsilon \right) \) je krog v \( \Pi_{\vec{n}} \) s središčem v \( \vec{r}_0 \) in radijem \( \epsilon \) Case 6: \( S_{\vec{n}} ^1 \) krožinica s središčem v \( \vec{r}_0 \) in radijem \( \epsilon \)

\[ \mathrm{rot} \vec{F} \left( \vec{r} \right) \cdot \vec{n} = \lim_{\epsilon \to 0} \overline{\left( \mathrm{rot} \vec{F} \cdot \vec{n} \right)}_{K_{\vec{n}}^2 \left( \vec{r}, \epsilon \right)} \]

kjer je \( \cdot \) skalarni produkt in \( \overline{\left( \cdot \right)}_{K_{\vec{n}} ^2 \left( \vec{r}, \epsilon \right)} \) povprečje na krogu Case 5

60.1.2. <1>2

\[ \lim_{\epsilon \to 0} \overline{\mathrm{rot} \vec{F} \cdot \vec{n}}_{K_{\vec{n}}^2 \left( \vec{r}, \epsilon \right)} = \lim_{\epsilon \to 0} \frac{1}{\pi \epsilon ^2} \iint\limits_{K_{\vec{n}} ^2 \left( \vec{r}, \epsilon \right)}^{} \mathrm{rot }\vec{F} \cdot \vec{n} \,\mathrm{d S} \]

Dokaz: Definicija povprečja zvezne funkcije na krogu Case 5

60.1.3. <1>3

\[ \lim_{\epsilon \to \epsilon} \frac{1}{\pi \epsilon ^2} \iint\limits_{K_{\vec{n}} ^2 \left( \vec{r}, \epsilon \right)}^{} \mathrm{rot} \vec{F} \cdot \vec{n} \,\mathrm{d S} = \lim_{\epsilon \to 0} \frac{1}{\pi \epsilon ^2} \oint\limits_{S_{\vec{n}}^1 \left( \vec{r}, \epsilon \right)} \vec{F} \,\mathrm{d } \vec{r} \]

Dokaz: Stokesov izrek

\[ \lim_{\epsilon \to 0} \frac{3}{4 \pi \epsilon ^3} \iint\limits_{S ^2 \left( \vec{r}, \epsilon \right)}^{} \vec{F} \,\mathrm{d } \vec{S} \]

60.1.4. <1>4 QED

Dokaz: <1>3

61. Izrek 6.27 (Greenovi identiteti)

Predpostavke:

  • \( \Omega \subset \mathbb{R} ^3 \) odprta množica z odsekoma gladkim robom
  • \( u, v \in C^2 \) skalarni polji na neki odprti okolici zaprtja \( \bar{\Omega} \)
  • \( \vec{n} \) je enotska zunanja normala na \( \partial \Omega \)

Velja prve Greenova identiteta

\[ \varoiint_{\partial \Omega}^{} u \frac{\partial v}{\partial \vec{n}} \,\mathrm{d S} = \iiint_{\Omega}^{} \left( u \Delta v + \left\langle \nabla u, \nabla v \right\rangle \right) \,\mathrm{d V} \]

in druga Greenova identiteta

\[ \varoiint_{\partial \Omega}^{} \left( u \frac{\partial v}{\partial \vec{n}} - v \frac{\partial u}{\partial \vec{n}} \right) \,\mathrm{d S} = \iiint_{\Omega}^{} \left( u \Delta v - v \Delta u \right) \,\mathrm{d V} \]

61.1. Dokaz:

61.1.1. <1>1 Dokaz druge Greenove identitete

\[ \varoiint_{\partial \Omega}^{} u \frac{\partial v}{\partial \vec{n}} \,\mathrm{d S} - \varoiint_{\partial \Omega}^{} v \frac{\partial u}{\partial \vec{n}} \,\mathrm{d S} = \varoiint_{\partial \Omega}^{} \left( u \frac{\partial v}{\partial \vec{n}} - v \frac{\partial u}{\partial \vec{n}} \right) \,\mathrm{d S} \]

Dokaz: Razlika dveh integralov je enaka integralu razlik integrandov

61.1.2. <1>2

\[ \varoiint_{\partial \Omega}^{} \left( u \frac{\partial v}{\partial \vec{n}} - v \frac{\partial u}{\partial \vec{n}} \right) \,\mathrm{d S} = \iiint_{\Omega}^{} \left( u \Delta v - v - \Delta u \right) \,\mathrm{d V} \]

Dokaz: Upoštevamo 1. Greenovo identiteto.

61.1.3. <1>3 Dokaz prve Greenove identitete

Case 1: \( \vec{F} = u \Delta v = u \cdot \left( v_x, v_y, v_z \right) \)

\[ \mathrm{div} \vec{F} = \left\langle \nabla u, \nabla v \right\rangle + u \Delta v \]

Dokaz: definicija divergence in verižno pravilo, ter \( \Delta = \nabla ^2 \)

61.1.4. <1>4

\[ \iiint\limits_{\Omega}^{} \left( u \Delta v + \left\langle \nabla u, \nabla v \right\rangle \right) \,\mathrm{d V} = \iint\limits_{\partial \Omega}^{} \vec{F} \,\mathrm{d } \vec{S} \]

Dokaz: Gaussova formula

61.1.5. <1>5

\[ \iint\limits_{\partial \Omega}^{} \vec{F} \,\mathrm{d } \vec{S} = \iint\limits_{\partial \Omega}^{} \left\langle \vec{F}, \vec{n} \right\rangle \,\mathrm{d S} \]

Dokaz: Definicija integrala vektorskega polja

61.1.6. <1>6

\[ \iint\limits_{\partial \Omega}^{} \left\langle u \nabla v, \vec{n} \right\rangle \,\mathrm{d S} = \iint\limits_{\partial \Omega}^{} u \left\langle \nabla v, \vec{n} \right\rangle \,\mathrm{d S} \]

Dokaz: \( u \) je skalarna funkcija in se jo lahko izpostavi

61.1.7. <1>7

\[ \iint\limits_{\partial \Omega}^{} u \left\langle \nabla v, \vec{n} \right\rangle \,\mathrm{d S} = \iint\limits_{\partial \Omega}^{} u \frac{\partial v}{\partial \vec{n}} \,\mathrm{d S} \]

Dokaz:

  1. <2>1

    Vir:Directional derivati (slo. smerni odvod) Case 1: točka \( \vec{v} = (x_0, y_0, z_0) \in \mathbb{R} ^3 \) Case 2: \( u(x, y, z): \mathbb{R} ^2 \to \mathbb{R} \) zvezna realna funkcija, definirana v okolici točke \( \vec{v} \) Case 3: \( \vec{a} = (a, b, c) \in \mathbb{R} ^3 \) enotski vektor, \( \left| a \right| = 1 \)

    Definiramo smerni odvod funkcije \( u \) v točki \( \vec{v} \) v smeri vektorja \( \vec{a} \):

    \[ \frac{\partial u}{\partial \vec{a}} \left( \vec{v} \right) = \lim_{h \to 0} \frac{u \left( \vec{v} + h \vec{a} \right) - u(\vec{v})}{h} = \lim_{h \to 0} \frac{u(x + ha, y + bh, z + ch)}{h} \]

  2. <2>2

    Smerni odvod definiramo tudi kot

    \[ \frac{\partial u}{\partial \vec{a}} \left( \vec{v} \right) = \left\langle \nabla u, \vec{a} \right\rangle \] Dokaz:

    1. <3>1

      Case 4: \( x_0, y_0, z_0, a, b, c\) so konstante Case 5: funkcija ene spremenljivke \( g(t) = u(x_0 + ta, y_0 + tb, z_0 + tc) = u(x, y, z) \)

      Velja

      \[ g'(t) = \lim_{h \to 0} \frac{g(t + h) - g(t)}{h} \]

    2. <3>2

      Za \( t = 0 \) velja

      \[ g'(0) = \lim_{h \to 0} \frac{g(h) - g(0)}{h} = \lim_{h \to 0} \frac{u(x_0 + ah, y_0 + bh, z_0 + ch) - u(x_0, y_0, z_0)}{h} = \frac{\partial u}{\partial \vec{a}} (x_0, y_0, z_0) \]

      Dokaz: definicija odvoda ene spremenljivke <3>1, definicija Case 5, ter <2>1

    3. <3>3

      Velja

      \[ g'(t) = \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t} g = \frac{\partial u}{\partial x} \cdot \frac{\partial x}{\partial t} + \frac{\partial u}{\partial y} \cdot \frac{\partial y}{\partial t} + \frac{\partial u}{\partial z} \cdot \frac{\partial z}{\partial t} = u_x \cdot a + u_y \cdot b + u_z \cdot c \]

      Dokaz: Case 5 in verižno pravilo

    4. <3>4

      Za \( t = 0 \) velja

      \[ g'(0) = u_x (x_0, y_0, z_0) \cdot a + u_y (x_0, y_0, z_0) \cdot b + u_z (x_0, y_0, z_0) \cdot c \]

      Dokaz: \( t = 0 \) za <3>3

    5. <3>5 QED

      \[ \frac{\partial u}{\partial \vec{a}} \left( \vec{v} \right) = \left\langle \nabla u, \vec{a} \right\rangle \]

      Dokaz: Izenačimo <3>4 in <3>2

  3. <2>3 QED

    Dokaz: <2>2

61.1.8. <1>8 QED

Dokaz: <1>6 in <1>7

62. Cauchyjev problem (Initial value problem)

Eksplicitna diferencialna enačba prvega reda oblike \( y' = f(x,y) \) s podanimi začetnimi, robnimi pogoji \( y_0 = y(x_0) \), kjer so \( f, x_0, y_0 \) podani.

63. Eulerjeva metoda

Imamo Cauchyjev problem.

63.1. <1>1

Case 1: \( x \in \mathbb{R} \) Case 2: \( x > x_0 \)

Interval \( [x_0, x] \) razdelimo na \( n \) delov:

\[ x_0 < x_1 < x_2 < \ldots < x_n = x \]

63.2. <1>2

\[ x_j = x_0 + \frac{x - x_0}{n} j = x_0 + h j \]

Dokaz: <1>1

63.3. <1>3

Imamo nov Cauchyjev problem

\begin{align*} y' &= f(x, y) \\ y_1 &= y(x_1) \end{align*}

Dokaz:

Za majhne \( h \) (velike \( n \)) je \( y(x_1) \) blizu vrednosti tangente \( y'(x_1) \).

63.4. <1>4

Po \( n \) korakih

\[ y(x_n) = y(x) \]

63.5. <1>5

Case 3: \( Y = y_j \) Case 4: \( X = x_j \)

Tangenta skozi \( (x_{j - 1}, y_{j -1}) \) z naklonom \( f(x_{j -1}, y_{j -1}) \) je

\[ Y - y_{j -1} = f(x_{j -1}, y_{j -1}) \left( X -x_{j-1} \right) \]

Dokaz: definicija tangente

63.6. <1>6

Na koncu dobimo

\begin{align*} x_j &= x_{j - 1} + h \\ y_j &= y_{j - 1} + f(x_{j - 1}, y_{j - 1})h \end{align*}

64. Enačba z ločljivimi spremenljivkami

Enačbe oblike

\[ y' = P(x) \cdot Q(y) \]

64.1. What to do?

Funkcijo preoblikujemo

\[ \frac{y'}{Q(y)} = P(x) \]

in rešimo

\begin{align*} \int\limits_{}^{} \frac{1}{Q(y)} \,\mathrm{d y} &= \int\limits_{}^{} P(x) \,\mathrm{d x} \\ F(y) & = G(x) \end{align*}

65. Linearne diferencialne enačbe

Linearna diferencialna enačba (LDE) prvega reda je enačba oblike

\[ y' + py = q \]

kjer sta \( p, q \) dani integrabilni funkciji, \( y \) pa iščemo.

66. Trditev 7.6

Rešitve za \( y \) so afin prostor (linearno premaknjene rešitve). Če je \( y_0 \) poljubna rešitev, in je \( R \) prostor vseh rešitev za LDE, tedaj je

\[ R - y_0 = \left\{ y - y_0;\ y \in R \right\} \]

66.1. Dokaz

66.1.1. <1>1

Case 1: Diferencialni operator \( \mathrm{L} \): \( Ly = y' + py \) Opomba: Operator je funkcija, ki vzame funkcijo in jo pretvori v neko novo funkcijo. Case 2: \( y_1, y_2 \in R - y_0 \) Case 3: \( Ly = q \)

Vektorski prostor je zaprt za seštevanje.

Dokaz:

  1. <2>1

    \[ y_1 + y_2 \in R - y_0 \iff y_0 + y_1 + y_2 \in R \]

    Dokaz:

    1. <3>1

      \[ L \left( y_1 + y_2 + y_0 \right) = L \left( \left( y_0 + y_1 \right) + \left( y_0 + y_2 \right) - y_0 \right) \]

    2. <3>2

      \[ L \left( \left( y_0 + y_1 \right) + \left( y_0 + y_2 \right) - y_0 \right) = L \left( y_0 + y_1 \right) + L \left( y_0 + y_2 \right) - L \left( y_0 \right) \]

      Dokaz: Operator \( L \) je linearen.

    3. <3>3

      \[ L \left( y_0 + y_1 \right) + L \left( y_0 + y_2 \right) - L \left( y_0 \right) = q + q - q \]

      Dokaz: Case 2 se lahko spremeni v \( y_1 + y_0, y_2 + y_0 \in R \)

  2. <2>2 QED

66.1.2. <1>2

Vektorski prostor je zaprt za množenje s skalarjem.

Dokaz:

  1. <2>1

    Case 4: \( \lambda \in \mathbb{R} \)

    \[ \lambda y_0 \in R \]

    Dokaz: ker je \( y_0 \in R \)

  2. <2>2

    \[ \lambda y_1 \in R - y_0 \]

    Dokaz:

    \[ L(\lambda y_1) = \lambda Ly_1 \]

  3. QED

66.1.3. <1>3 QED

67. Posledica 7.7

Prostor \( R \) vseh rešitev za LDE lahko zapišemo kot

\[ R = y_0 + \left\{ h; \mathrm{L}h = 0 \right\} \]

\( y_0 \) je partikularna rešitev, množica v oklepaju pa rešitev pripadajoče homogene enačbe.

67.1. What to do?

Želimo odvod produkta

\begin{equation} \label{eq:2} \left( y g \right) ' = y'g + g' y = q \end{equation}

kjer je \( g \) nepoznana funkcija.

Z upoštevanjem \ref{eq:2} dobimo LDE

\[ y' + p y = q \implies y' + py = y' g + g' y \]

Enačbo pomnožimo z \( m \) in primerjamo koeficienti z istimi \( y \) in dobimo

\begin{align*} m &= g \\ mpy = g' y & \implies mp = m' \implies p = \log \left| m \right| = p \end{align*}

Tako dobimo

\[ m(x) = e^{\int\limits_{x_0}^x p \left( \xi \right) \,\mathrm{d } \xi} \]

Ter iz \( \left( y'm \right) = qm \) dobimo

\[ y(x) = \frac{1}{m(x)} \int\limits_{x_0}^x q \left( \eta \right) \cdot m \left( \eta \right) \,\mathrm{d } \eta \]

Če sta \( x_0 \) pri \( m(x) \) in \( y(x) \) enaka, potem vpeljemo konstanto \( C \)

\[ y(x) = \frac{1}{m(x)} \int\limits_{x_0}^x q \left( \eta \right) \cdot m \left( \eta \right) \,\mathrm{d } \eta + \frac{C}{m(x)} \]

68. Izrek

Splošna rešitev LDE \( y' + py = q \) se glasi

\[ y(x) = Ce^{-P(x)} + e^{-P(x)} \int\limits_{x_0}^x q \left( s \right) e^{P(s)} \,\mathrm{d s}; \ C \in \mathbb{R} \]

kjer je \( P(x) = \int\limits_{x_0}^x p( \left( \xi \right) ) \,\mathrm{d \xi} \) in je \( x_0 \) poljubna točka na intervalu, na katerem je \( p \) definiran.

69. Bernoullijeva DE

Je DE oblike

\[ y' + py = qy^{\alpha} \]

kjer sta \( p, q \) dani funkciji in \( \alpha \in \mathbb{R} \) dan.

69.1. What to do?

Z \( \alpha = 1 \) dobimo homogeno LDE, za \( \alpha \) imamo LDE.

Delimo z \( y^{\alpha} \) in uvedemo novo spremenljivko \( z = y^{1 - \alpha} \).

Dobimo

\[ z' + \left( 1 - \alpha \right) pz = \left( 1 - \alpha \right) q \]

kar pa je LDE, ki jo znamo rešiti.

70. Riccatijeva diferencialna enačba

Enačba oblike

\[ y' = ay ^2 + by + x \]

kjer so \( a, b, c \) podane funkcije in \( a \ne 0 \). Če je \( c = 0 \), imamo Bernoullijevo enačbo.

70.1. What to do?

Uganemo prvo rešitev \( y_1 \), potem splošno rešitev dobimo s substitucijo \( y = z + y_1 \).

\[ z' + y'_1 = a \left( x ^2 + 2azy_1 + y_1 \right) + b (z + y_1) + c \]

Velja \( y_1' = a y_1 ^2 + by_1 + c \) in dobimo:

\[ z' = az ^2 + \left( 2azy_1 + b \right)z \]

kar pa je Bernoullijeva enačba.

71. Singularne rešitve

Obravnavamo enačbo \( y' = f(x, y) \). Splošna rešitev ima obliko \( y = \psi (x, C), \ x \in J, \ C \in \mathcal{C} \subset \mathbb{R} \), kjer je \( \mathcal{C} \) množica parametrov.

72. Definicija (Singularne točke)

Točkam iz \( \mathbb{R} ^2 \) skozi, katere gre več rešitev enačbe \( y' = f(x, y) \) pravimo singularne točke.

Opomba: Če je \( T(x_0 , y_0) \) singularna točka in sta \( y_1 \) in \( y_2 \) dve različni rešitvi enačbe \( y' = f(x, y) \), ki gre skozi \( T \), tedaj imata \( y_1, y_2 \) v točki \( x_0 \) enaka odvoda.

72.0.1. Kdaj ima LDE singularno točko?

Splošna rešitev je oblike \( y = C \phi(x) + \psi (x) \) za neki funkciji \( \phi \) in \( \psi \) ter poljuben \( C \in \mathbb{R} \).

Velja za \( C_1 \ne C_2 \)

\begin{align*} y_1 &= C_1 \phi (x) + \psi(x) \\ y_2 &= C_2 \phi (x) + \psi(x) \end{align*}

Poleg tega, da v točki \( T \) velja \( y_1(x_0) = y_2 (x_0) = y_0 \), velja tudi, da sta odvoda enaka:

\begin{align*} y_1 '(x_0 ) &= y_2 ' (x_0) \\ C_1 \phi' (x_0) + \psi'(x_0) &= C_2 \phi '(x_0) + \psi'(x_0) \\ C_1 \phi'(x_0) &= C_2 \phi'(x_0)\\ \implies \phi'(x_0) = 0 \end{align*}

72.1. Ovojnica/singularna rešitev

Splošna rešitev je oblike

\[ y = \psi(x, C); x \in J, C \in \mathcal{C} \subset \mathbb{R} \]

Če odvajamo splošno rešitev za \( \psi = \psi(u, v) \):

\begin{equation} \label{eq:3} y' = \frac{\partial \psi}{\partial u} \frac{\partial x}{\partial x} + 0 \end{equation}

saj je \( C \) konstanta.

Singularna rešitev je, če obstaja podana z zahtevo, da v vsaki točki seka kakšno izmed krivulj \( y = \psi(x, C) \) in da je nanjo tangentna. Graf singularne rešitev je ovojnica grafov splošne rešitve, ki bo imela obliko \( \phi (x) = \psi(x, C(x)) \).

Za \( \psi = \psi(u, v) \) sledi:

\begin{equation} \label{eq:4} \phi'(x) = \frac{\partial \psi}{\partial u} \cdot \frac{\partial x}{\partial x} + \frac{\partial \psi}{\partial v} \cdot \frac{\partial C(x)}{\partial x} \end{equation}

Vemo, da singularna rešitev \( y = \phi(x) \) in splošna rešitev \( y = \psi(x, C) \) rešita enačbo \( y' = f(x, y) \). Vemo tudi, da je odvod \ref{eq:4} singularne rešitve enak odvodu \ref{eq:3} splošne rešitve v \( x_0 \in J \), ki je konstantna. Odvoda \( \psi_u \) se pokrajšata med sabo, ko enačimo odvoda in dobimo pogoj, da je

\begin{equation} \label{eq:5} \frac{\partial \psi}{\partial v} (x, C(x)) C'(x) = 0 \end{equation}

Ker je singularna rešitev ovojnica splošnih rešitev, to pomeni, da funkcija \( C \) mora biti odvisna od \( x \). Nadalje to pomeni, da odvod funkcije \( C \) ne sme biti enak \( 0 \), saj bi to pomenilo, da je \( C \) konstanta.

Edini način, da je \ref{eq:5} enaka \( 0 \), je, da

\[ \frac{\partial \psi}{\partial v} = 0 \]

Preko te enačbe lahko izračunamo \( C = C(x) \) in posledično dobimo enačbo singularne rešitve \( y = \phi(x) \).

73. Clairautova diferencialna enačba

To je enačba oblike

\[ y' = xy' + f(y') \]

kjer je \( f \) odvedljiva na odprtem intervalu \( J \subset \mathbb{R} \).

74. Trditev 7.18

Splošna rešitev Clairautove diferencialne enačbe je podana s formulo

\[ y = Cx + f(C) \]

za \( C \in J \).

Singularna rešitev je podana z

\begin{align*} x &= - f'(t) \\ y &= - f'(t) t + f(t), t \in J \end{align*}

kar je parametrični zapis krivulje.

74.1. Dokaz:

74.1.1. <1>1

Velja

\[ 0 = \frac{\partial y}{\partial C} \]

Dokaz: Definicija singularne rešitve.

74.1.2. <1>2

\[ 0 = x + f' (C) \implies x = - f' (C) \]

Dokaz: <1>1 in odvod splošne rešitve Clairautove enačbe.

74.1.3. <1>3

\[ y = - f'(C) C + f(C) \]

Dokaz: <1>2 in pa definicija splošne rešitve Clairautove enačbe.

75. Definicija 7.8

Predpostavke:

  • \( F: \mathbb{R} \times \mathbb{R} = S \to \mathbb{R} \)
  • \( \alpha \in \mathbb{R} \)

Pravimo, da je funkcija \( F \) homogena reda \( \alpha \), če za vsak par \( x, y \in S \) in za vsak \( t > 0 \) velja

\[ F(tx, ty) = t^{\alpha} F(x, y) \]

76. Definicija 7.9

Homogena diferencialna enačba je enačba oblike

\[ y' = f(x, y) \]

kjer je \( f \) homogena funkcija reda \( 0 \), torej \( f(x, y) = f \left( 1, \frac{y}{x} \right) \), če \( x \ne 0 \).

76.1. What to do?

Z vpeljavo \( z = \frac{y}{x} \) dobimo rešitev

\[ F(z) = \log \left| x \right| + C \]

77. Definicija 7.11 (Prvi integral)

Prvi integral DE \( F(x, y, y') =0 \) je takšna funkcija \( u = u(x, y) \), da za vsako rešitev \( y(x) \) velja

\[ \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d}x } u(x, y(x)) = 0 \]

oz. \( u(x, y(x)) = C \) za neki \( C \in \mathbb{R} \).

78. Definicija 7.13

Enačbi

\[ P \, \mathrm{dx } + Q \, \mathrm{dy } = 0 \]

kjer je \( P_y = Q_x \) pravimo eksaktna.

79. Implicitno podane DE

Rešitve poiščemo parametrični obliki:

\begin{align*} x &= x(t) \\ y &= y(t); t \in I \end{align*}

Ter oznake

\[ \dot{x} = \frac{\mathrm{d} x}{\mathrm{d} t} \quad \dot{y} = \frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} t} \quad y' = \frac{\mathrm{d} y}{\mathrm{d} x} \]

In pa zaradi verižnega pravila velja

\[ y' = \frac{\dot{y}}{\dot{x}} \]

79.1. Primer \( F(x, y') = 0 \)

Primer, ki ga rešujemo \( (x, y') \) leži na nivojnici \( \left\{ F = 0 \right\} \). Nivojnico parametriziramo z \( \left( \psi(t), \theta(t) \right), \ t \in J \).

To pomeni, da je \( (x, y') = \left( \psi(t), \theta(t) \right) \).

Z upoštevanjem zgornjih oznak dobimo

\[ \dot{y} = y' \cdot \dot{x} = \theta(t) \cdot \dot{\psi}(t) \]

in posledično je rešitev

\[ y(t) = \int\limits_{}^{} \dot{\psi} \cdot \theta \,\mathrm{d t} \]

79.2. Primer \( F(y,y') = 0 \)

To pomeni \( \left( y, y' \right) = \left( \psi(t), \theta(t) \right) \).

\[ \dot{x} = \frac{\dot{y}}{y'} = \frac{\dot{\psi}}{\theta} \]

in posledično je rešitev

\[ x(t) = \int\limits_{}^{} \left( \frac{\dot{\psi}}{\theta} \right) \,\mathrm{d t} \quad y(t) = \psi (t) \]

80. Diferencialne enačbe višjih redov

Diferencialna enačba višjega reda je v splošnem podana kot

\[ F(x, y, y', y'', \ldots, y^{(n)}) =0 \]

80.1. 1. možnost

\[ F(x, y^{(k)}, y^{k + 1}) = 0 \]

kjer vpeljemo \( z = y^{(k)} \) in rešimo NDE.

80.2. 2. možnost

\[ F(y, y') = 0 \]

torej \( x \) ne nastopa direktno. Potem \( y' = z(y) \) in \( y'' = z'(y) y = zz' \)

80.3. 3. možnost

Podano imamo eksplicitno enačbo reda \( n \):

\begin{equation} \label{eq:6} y^{(n)} = f(x, y, y', \ldots, y^{(n -1)}) \end{equation}

ki jo lahko zapišemo kot sistem diferencialnih enačb

\begin{align*} z_1' &= z_2 \\ z_2 ' &= z_{3} \\ z_3 ' &= z_4 \\ &\vdots \\ z_n' &= f(x, z_1, \ldots, z_n) \end{align*}

s prehodom \( z_j = y^{(j-1)} \) za \( j = 1, \ldots, n \)

80.3.1. Trditev 7.20

Definirajmo

\[ \vec{N}(y) = \begin{bmatrix} y \\ y' \\ \vdots \\ y^{(n-1)} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} z_1 \\ z_2 \\ \vdots \\ z_n \end{bmatrix} \]

Tedaj je funkcija \( \vec{N}: \left\{ \text{resitve za \ref{eq:6}} \right\} \to \left\{ \text{resitve za sistem DE } \right\} \) bijektivna.

  1. Dokaz

    Dokazujemo injektivnost v obe smeri.

    1. <1>1

      Predpostavka 1: \( y \) reši enačbo \ref{eq:6}

      Velja:

      \[ \begin{bmatrix} z_1 \\ z_2 \\ \vdots \\ z_n \end{bmatrix} = \vec{N}(y) \]

      Dokaz: Definicija prehoda \( z_j = y^{(j - 1)} \) velja

      \begin{align*} z_1 ' &= y' = z_2 \\ z_2 ' &= y'' = z_3 \\ & \vdots \\ z_{n-1}' &= y^{(n -1)} = z_n \\ z_n ' &= y^{(n)} = f(x, y, y', \ldots, y^{(n -1)}) = f(x, z_1, \ldots, z_n) \end{align*}
    2. <1>2

      Predpostavka 2:

      \[ \begin{bmatrix} z_1 \\ z_2 \\ \vdots \\ z_n \end{bmatrix} = \vec{N}(y) \]

      reši sistem enačb

      \begin{align*} z_1' &= z_2 \\ z_2 ' &= z_{3} \\ z_3 ' &= z_4 \\ &\vdots \\ z_n' &= f(x, z_1, \ldots, z_n) \end{align*}

      Rešitev je injektivna.

      Dokaz:

      Velja \( y = z_1 \), \( y' = z_1' = z_2 \), itd. do \( y^{(n -1)} = z_{n-1}' = y_n \) in \( y^{(n)} = z_n ' = f(x, z_1, \ldots, z_n) = f(x, y, y', \ldots, y^{(n-1)}) \)

81. Eksistenčni izrek za DE 1. reda

81.1. Definicija 7.21

Naj bodo \( x_0, y_0 \in \mathbb{R} \) ter \( a, b > 0 \). Označimo \( P = \left[ x_0 - a, x_0 + a \right] \times \left[ y_0 - b, y_0 + b \right] \subset \mathbb{R} \). Funkcija \( f = f(u, v): P \to \mathbb{R} \) je zvezna in enakomerno (neodvisna od parametra) Lipschitzova v 2. spremenljivki, če obstaja \( \gamma > 0 \) tako, da velja \( \left| f(u, v_1) - f(u, v_2) \right| \le \gamma \left| v_1 - v_2 \right|\) za vsak \( \left( u, v_1 \right), \left( u, v_2 \right) \in P \). Če je funkcija enakomerno Lipschitzova, \( \gamma \) ne sme biti odvisen od \( u \), sicer je lahko.

Opomba: pri razliki funkcij \( f \) vzamemo isti \( u \), vendar različna \( v \). Beseda enakomerna pa je notri, ker velja za vse \( u \in \left[ x_0 - a, x_0 + a \right] \). Prav tako je pogoj izpolnjen, če velja \( \left| \frac{\partial f}{\partial v} \le \gamma \right| \) na \( P \).

81.2. Trditev 7.22 (eksistenčni izrek/ Picard-Lindelöf)

Predpostavke:

  • \( x_0, y_0 \in \mathbb{R} \)
  • \( a, b > 0 \)
  • pravokotnik \( P = \left[ x_0 - a, x_0 + a \right]\times \left[ y_0 - b, y_0 + b \right] \)
  • Funkcija \( f = f(u, v): P \to \mathbb{R} \) je zvezna in enakomerno Lipschitzova v 2. spremenljivki

Cauchyjev problem

\begin{align*} y' (x) &= f(x, y)\\ y(x_0) &= y_0 \end{align*}

ima takrat natanko eno rešitev \( y = y(x): I \to \left[ y_0 - b, y_0 + b \right] \), kjer je \( I \subset \left[ x_0 - a, x_0 + a \right] \)

Oznaka \( c = \min \left\{ a, \frac{b}{M}, \frac{1}{\gamma} \right\} \), kjer je \( M = \max_{x \in I} f \)

81.2.1. Dokaz:

  1. <1>1

    Zapis

    \[ \int\limits_{x_0}^x y'(\xi) \,\mathrm{d }\xi = y(x) - y(x_0) = y(x) - y_0 \]

    je enak Cauchyjevemu problemu.

    Dokaz: Dobili smo ga z integriranjem CP problema, in z odvajanjem ga dobimo nazaj.

  2. <1>2

    Obstaja natanko ena zvezna funkcija \( y: I \to \left[ y_0 - b, y_0 + b \right] \), ki reši

    \[ y(x) = y_0 + \int\limits_{x_0}^x f \left( \xi, y \left( \xi \right) \right) \,\mathrm{d } \xi \]

    Temu problemu rečemo CiP

    Dokaz:

    1. <2>1

      Problem CiP zadošča rešiti na zaprtem intervalu \( I\delta \).

      Opomba: \( I\delta \) je interval \( I \) skrajšan za \( \delta \) na vsaki strani.

      Dokaz: ¯\(ツ)_/¯

    2. <2>2

      Case 1: Fiksiramo \( \delta (0, c) \).

      Definiramo operator \( F: y \mapsto F(y) \), kjer je \( y \) funkcija, kot

      \[ F(y):x \mapsto y_0 + \int\limits_{x_0}^x f\left( \xi, y \left( \xi \right)\right) \,\mathrm{d }\xi \]

    3. <2>3

      Operatorju \( F \) določimo definicijsko območje kot prostor \( \mathcal{M} = \mathcal{M}_{\delta} \) vseh zveznih funkcij \( I\delta \to \left[ y_0 - b, y_0 + b \right] \) z maksimum normo.

      1. Maksimum norma

        Metrika, ki poljubnima funkcijama \( \phi, \psi \in \mathcal{M} \) pripiše vrednost

        \[ d(\phi, \psi) = \max_{x \in I\delta} \left| \phi(x) - \psi(x) \right| \]

      2. Definicija metrike

        Naj bo \( \mathcal{N} \) poljubna množica.

        Preslikavi \( d: \mathcal{N} \times \mathcal{N} \to \mathbb{R} \) pravimo metrika na množici \( \mathcal{N} \), če za vse elemente \( x, y, z \in \mathcal{N} \) velja

        1. \( d(x, y) = d(y, x) \)
        2. \( d(x, z) \le d(x, y) + d(y, z) \)
        3. \( d(x, y) \ge 0 \)
        4. \( d(x, x) = 0 \)
        5. če \( x \ne y \), potem \( d(x, y) > 0 \)
    4. <2>4

      Obstaja natanko eden \( y \in \mathcal{M} \), da je

      \[ F(y) = y = y_0 + \int\limits_{x_0}^x f \left( \xi, y \left( \xi \right) \right) \,\mathrm{d } \xi \]

      tl;dr je, da iščemo fiksno točko operatorja \( F: \mathcal{M} \to \mathcal{M} \) - slika se iz \( \mathcal{M} \to \mathcal{M} \), ker je \( y \in \mathcal{M} \)

      Dokaz:

      1. Banachov izrek o fiksni točki

        Predpostavke:

        • \( \mathcal{N} \) poln neprazen metrični prostor
        • \( f: \mathcal{N} \to \mathcal{N} \) skrčitev

        Tedaj obstaja natanko ena točka \( b \in \mathcal{N} \), za katero velja \( f(b) = b \)

      2. <3>1
        1. Definicije

          Metrični prostor \( \mathcal{N} \) je poln, če je vsako Cauchyjevo zaporedje v \( \mathcal{N} \) konvergentno.

          Zaporedje \( \left( a_k \right) \) v metričnem prostoru \( \left( \mathcal{N}, d \right) \) je Cauchyjevo, če za vsako \( \epsilon > 0 \) obstaja tako velik \( N \in \mathbb{N} \), da za vsaki dve \( k,j > N; \ k, j \in \mathbb{N} \) velja \( d(a_k, a_j) < \epsilon \).

          Zaporedje v metričnem prostoru \( \mathcal{N} \) je preslikava \( \mathbb{N} \to \mathcal{N}, \ k \mapsto a_k \), ki jo običajno zapišemo kot \( \left( a_k \right)_{k \in \mathbb{N}} = \left( a_k \right) = \left( a_1, a_2, \ldots \right) \).

        2. <4>1

          Predpostavka 1: \( \left( \phi_n \right)_{n \in \mathbb{N}} \) je Cauchyjevo zaporedje

          Prove: Za vsak \( x \in I\delta \) je \( \left( x_n \right) \) Cauchyjevo.

          Dokaz:

          1. <5>1

            Za vsak \( \epsilon > 0 \) obstaja \( N \in \mathbb{N} \), da za vsaka \( j, k > N; \ j, k \in \mathbb{N} \) velja

            \[ d(\phi_n, \phi_m) < \frac{\epsilon}{2} \]

            Dokaz: Predpostavka 1, da je \( \left( \phi_n \right)_{n \in \mathbb{N}} \) Caucyjevo zaporedje.

            V katerem primeru to ne bi veljalo?

          2. <5>2

            Za vsak \( x \in I\delta \) velja

            \[ \left| \phi_n (x) - \phi_m (x) \right| < d(\phi_n, \phi_m) \]

            Dokaz: <5>1

          3. <5>3 QED

            Za vsak \( x \in I\delta \) velja

            \[ \left| \phi_n - \phi_m \right| < \frac{\epsilon}{2} \]

            Dokaz: iz <5>1 in <5>2

        3. <4>2

          Prove:

          Ko gre \( n \to \infty \), gre enakomerno \( \phi_n \to \phi \) na \( I_{\delta} \)

          Dokaz:

          1. <5>1

            Predpostavka: \( \lim_{m \to \infty} \phi_m = \phi \)

            Za vsak \( \epsilon > 0 \) obstaja \( N \in \mathbb{N} \) tako, da za vsak \( n > N \) velja

            \[ \left| \phi_n - \phi \right| = \left| \phi_n - \lim_{m \to \infty} \phi_m \right| \le \lim_{m \to \infty} \left| \phi_n - \phi_m \right| < \frac{\epsilon}{2} < \epsilon \]

            za vsak \( x \in I\delta \)

            Dokaz: <4>1 velja Opomba: Dokazali smo enakomerno konvergenco

          2. <5>2

            Za vsak \( I\delta \) intervala je so \( \phi \) zvezne.

            Dokaz: <5>1 drži in \( \phi_n \) so zvezne

          3. <5>3 QED

            Dokaz: \( \phi \in \mathcal{M} \)

        4. <4>3

          Funkcija \( \phi_n \) je zvezna.

          Dokaz: Predpostavka <2>3, \( \mathcal{M} \) je prostor vseh zveznih funkcij.

      3. <3>2

        \( F: \mathcal{M} \to \mathcal{M} \) je skrčitev.

        1. Definicija
          • \( \left( \mathcal{M}, d \right) \)
          • \( \left( \mathcal{M}', d' \right) \)

          Preslikava \( f: \mathcal{M} \to \mathcal{M}' \) je skrčitev, če obstaja takšna realna konstanta \( q \), da je \( 0 \le q < 1 \) in da velja

          \[ d'(f(x) , f(y)) \le q d(x, y) \]

          za vse točke \( x, y \in \mathcal{M} \)

        2. <4>1

          Case 2: \( \phi, \psi \in \mathcal{M} \) dve funkciji

          Velja

          \[ d \left( F \left( \phi \right), F \left( \psi \right) \right) = d \left( y_0 + \int\limits_{x_0}^x f(\xi, \phi(\xi)) \,\mathrm{d }\xi, y_0 + \int\limits_{x_0}^x f \left( \xi, \psi(\xi) \right) \,\mathrm{d }\xi \right) \]

          Dokaz: Definicija operatorja \( F \) <2>2

        3. <4>2

          Velja

          \[ d \left( y_0 + \int\limits_{x_0}^x f(\xi, \phi(\xi)) \,\mathrm{d }\xi, y_0 + \int\limits_{x_0}^x f \left( \xi, \psi(\xi) \right) \,\mathrm{d }\xi \right) = \max_{x \in I\delta} \left| \int\limits_{x_0}^x f \left( \xi, \phi(\xi) \right) \,\mathrm{d }\xi - \int\limits_{x_0}^{x} f \left( \xi, \psi \left( \xi \right) \right) \,\mathrm{d }\xi \right| \]

          Dokaz: Definicija metrike \( d \) <2>3

        4. <4>4

          \[ \max_{x \in I\delta } \left| \int\limits_{x_0}^x \left[ f \left( \xi, \phi(\xi) \right) - f \left(\xi, \psi \left( \xi \right) \right) \right] \,\mathrm{d } \xi \right| \ge \left| \int\limits_{x_0}^x \left[ f \left( \xi, \phi(\xi) \right) - f \left( \xi, \psi \left( \xi \right) \right) \right] \,\mathrm{d } \xi \right| \]

        5. <4>5

          \[ \left| \int\limits_{x_0}^x f \left( \xi, \phi(\xi) \right) \,\mathrm{d }\xi - \int\limits_{x_0}^{x} f \left( \xi, \psi \left( \xi \right) \right) \,\mathrm{d }\xi \right| \le \int\limits_{x_0}^x \left| f \left( \xi, \phi \left( \xi \right) \right) - f \left( \xi, \psi \left( \xi \right) \right) \right| \,\mathrm{d }\xi \]

          Dokaz: Glej integrale s parametrom

        6. <4>6

          Case 3: \( \gamma \in [0, 1] \)

          \[ \int\limits_{x_0}^x \left| f \left( \xi, \phi \left( \xi \right) \right) - f \left( \xi, \psi \left( \xi \right) \right) \right| \,\mathrm{d }\xi \le \int\limits_{x_0}^x \gamma \left| \phi(\xi) - \psi \left( \xi \right) \right| \,\mathrm{d }\xi \]

          Dokaz: Definicija enakomerno Lipschitzove funkcije

        7. <4>7

          \[ \int\limits_{x_0}^x \gamma \left| \phi - \xi \right| \,\mathrm{d } \xi \le \int\limits_{x_0}^x \gamma \max_{x \in I\delta} \left| \phi \left( \xi \right) - \psi \left( \xi \right) \right| \,\mathrm{d } \xi \]

          Dokaz: absolutna razlika bo vedno manjša ali enaka od maksimalne razlike

        8. <4>7

          \[ \int\limits_{x_0}^x \gamma d \left( \phi, \psi \right) \,\mathrm{d }\xi = \left( x - x_0 \right) \gamma d \left( \phi, \psi \right) \]

          Dokaz: Definicija metrike ter osnovni izrek analize

        9. <4>8

          \[ \gamma d \left( \phi, \psi \right) \left( x - x_0 \right) \le \gamma \left| a - \delta \right| d \left( \phi, \psi \right) \]

          Dokaz: Predpostavka 2, definicija pravokotnika \( P \), kjer ima \( x \) maksimalno vrednost \( a + x_0 \) in potem je na skrčitvi \( I\delta \) \( x_0 + a - \delta \).

        10. <4>9 QED

          Dokaz: Za \( \delta < a \), vendar da bo \( \delta \) dovolj blizu \( a \), bo \( \gamma \left| a - \delta \right| < 1 \) in po definicije skrčitve, bo \( F \) skrčitev.

      4. <3>3 QED

        Dokaz: <3>1 in <3>2

    5. <2>5 QED

      Pogoji za Banachov izrek so dokazani, in ga lahko uporabimo. Obstaja fiksna točka. <2>4

  3. <1>3 QED

    Dokaz: <1>2 velja

82. Trditev 7.25

Imamo sistem enačb \( \vec{y}' = A \vec{y} + \vec{b} \), kjer so \( \vec{y}', \vec{y}, \vec{b} \in \mathbb{R}^n \) ter \( A \in \mathbb{R}^{n \times n} \), ki ga zapišemo kot

\begin{equation} \label{eq:7} \vec{y}' = A \vec{y} + \vec{b} \end{equation}

Predpostavke:

  • \( \vec{y}_0 \) je neka vektorska funkcija, ki reši \ref{eq:7}

Tedaj velja

\[ \left\{ \text{resitve enačbe } \ref{eq:7} \right\} = \left\{ \text{resitve enacbe } \vec{y}' = A \vec{y} \right\} + y_0 \]

82.1. Dokaz:

82.1.1. <1>1

Case 1: \( \vec{y} \) je rešitev enačbe \( \vec{y}' = A \vec{y} \)

\[ \left( \vec{y} + \vec{y}_0 \right)' = \vec{y}' + \vec{y}_0 ' \]

Dokaz: Odvod vsote je vsota odvodov

82.1.2. <1>2

\[ \vec{y}' + \vec{y}_0' = A \vec{y} + A \vec{y}_0 + \vec{b} = A \left( \vec{y} + \vec{y}_0 \right) + \vec{b} \]

Dokaz: enakosti v predpostavki v trditvi in Case 1

82.1.3. <1>3

\[ \vec{y} + \vec{y}_0 \]

je rešitev enačbe \[ \vec{z}' = A \vec{z} + \vec{b} \]

Dokaz: <1>2

82.1.4. <1>4

Case 2: \( \vec{y} \) je rešitev \( \vec{y}' = A \vec{y} + \vec{b} \)

\[ \left( \vec{y} - \vec{y}_{0} \right) ' = A \vec{y} + \vec{b} - A \vec{y}_0 - \vec{b} = A \left( \vec{y} - \vec{y}_0 \right) \]

Dokaz: odvod razlike je razlika odvodov ter enakost predpostavke v trditvi in Case 2

82.1.5. <1>5

\[ \left( \vec{y} - \vec{y}_0 \right) \]

reši homogeno enačbo

Dokaz: <1>4

82.1.6. <1>6 QED

Dokaz: <1>3 ter <1>5

83. Izrek 7.26

Predpostavke:

  • \( J \subseteq \mathbb{R} \) omejen odprt interval
  • \( A: \bar{J} \to \mathbb{R}^{n \times m} \) matrična funkcija z zveznimi koeficienti

Za \( x_0 \in J \) in \( \xi_0 \in \mathbb{R} ^n \) obstaja natanko ena rešitev sistema

\[ \vec{y}' = A \vec{y}, \ \vec{y} (x_0) = \xi_0 \]

ki je definirana povsod na \( J \).

Opomba: Pri LDE so samo nekje na \( J \).

84. Izrek 7.27 (variacije konstante)

84.1. Fundamentalna matrika

Homogene rešitve sistema \( \vec{y}' = A \vec{y} \) tvorijo \( n \) dimenzionalen vektorski prostor. Tedaj lahko izberemo linearno neodvisne rešitve \( \vec{y}_1, \vec{y}_2, \ldots, \vec{y}_n \) za homogen sistem in tvorimo fundamentalno matriko

\[ \underline{Y} = \left[ \vec{y}_1 \vec{y}_2 \ldots \vec{y}_n\right] \]

in velja \( \underline{Y}' = A \underline{Y} \)

84.2. Variacija konstante

Predpostavka:

  • \( \underline{Y} \) je fundamentalna matrika sistema \( \vec{y}' = A \vec{y} \)

Potem je vektorska funkcija

\[ \vec{y}_p = \underline{Y} \int\limits_{}^{} \underline{Y}^{-1} \vec{b} \,\mathrm{d x} \]

rešitev sistema \( \vec{y}' = A \vec{y} + \vec{b} \)

84.2.1. Dokaz:

  1. <1>1

    \[ \vec{y}_p ' = \left( \underline{Y}\int\limits_{}^{} \underline{Y}^{-1} \vec{b} \,\mathrm{d x} \right) ' \]

    Dokaz: Trditev

  2. <1>2

    \[ \left( \underline{Y} \int\limits_{}^{} \underline{Y}^{-1} \vec{b} \,\mathrm{d x} \right)' = \left( \underline{Y} \right)' \int\limits_{}^{} \underline{Y}^{-1} \vec{b} \,\mathrm{d x} + \underline{Y} \left( \int\limits_{}^{} \underline{Y}^{-1}\vec{b} \,\mathrm{d x}\right) ' \]

    Dokaz: odvod produkta

  3. <1>3

    \[ \left( \underline{Y} \right)' \int\limits_{}^{} \underline{Y}^{-1} \vec{b} \,\mathrm{d x} + \underline{Y} \left( \int\limits_{}^{} \underline{Y}^{-1}\vec{b} \,\mathrm{d x}\right) ' = A\underline{Y} \int\limits_{}^{} \underline{Y}^{-1} \vec{b} \,\mathrm{d x} + \underline{Y} \underline{Y}^{-1} \vec{b} \]

    Dokaz:

    Velja \( \underline{Y}' = A \underline{Y} \) ter \( \left( \int\limits_{}^{} \underline{Y}^{-1} \vec{b} \,\mathrm{d x} \right)' = \underline{Y}^{-1} \vec{b} \)

  4. <1>4 QED

    \[ A\underline{Y} \int\limits_{}^{} \underline{Y}^{-1} \vec{b} \,\mathrm{d x} + \underline{Y} \underline{Y}^{-1} \vec{b} = A \left( \underline{Y} \int\limits_{}^{} \underline{Y}^{-1} \vec{b} \,\mathrm{d x} \right) + \vec{b} = A \vec{y}_p + \vec{b} \]

    Dokaz: \( \underline{Y} \underline{Y}^{-1} = 1 \) ter trditev

85. Definicija 7.28

Predpostavke:

  • \( I \subset \mathbb{R} \) je odprt interval
  • \( \vec{y}_1, \vec{y}_2, \ldots, \vec{y}_n \) so \( n \) razsežne vektorske funkcije na \( I \) oz. \( \vec{y}_j: I \to \mathbb{R}^{n} \)

Za fundamentalno matriko \( \underline{Y} = \left[ \vec{y}_1 \vec{y}_2 \ldots \vec{y}_n \right]: I \to \mathbb{R}^{n \times n} \) se

\[ W = \det \underline{Y} \]

imenuje determinanta Wrónskega.

86. Izrek 7.29 (Liouvilleova formula)

Predpostavke:

  • \( \underline{Y}: I \to \mathbb{R}^{n \times n} \) matrična funkcija, ki reši enačbo \( \underline{Y}' = A \underline{Y} \)

Za \( W = \det \underline{Y} \) velja

\[ W(x) = W (x_0) e^{\int\limits_{x_0}^x \mathrm{tr} A \left( \xi \right) \,\mathrm{d } \xi} \]

86.1. Dokaz za \( n = 2 \):

86.1.1. <1>1

Case 1:

\[ \underline{Y} = \begin{bmatrix} y_{11 } & y_{12} \\ y_{21} & y_{22} \end{bmatrix} \]

Case 2:

\[ A = \begin{bmatrix} a_{11 } & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{bmatrix} \]

Velja

\[ \underline{Y}' = A \underline{Y} \implies \begin{bmatrix} y_{11 }' & y_{12}' \\ y_{21}' & y_{22}' \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} y_{11 } & y_{12} \\ y_{21} & y_{22} \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} a_{11 } & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{bmatrix} \]

Dokaz: Predpostavka trditve Opomba: Dobili smo sistem enačb

86.1.2. <1>2

\[ W = \det \underline{Y} = y_{11 } y_{22} - y_{12} y_{21} \]

Dokaz: definicija determinante

86.1.3. <1>3

\[ W' = y_{11 }' y_{22} + y_{11 } y_{22 }' - y_{12}' y_{21} - y_{12} y_{21}' \]

Dokaz: Odvod produkta

86.1.4. <1>4

\[ W' = \left( a_{11 } + a_{22} \right) \left( y_{11 }y_{22} - y_{12} y_{21} \right) = \mathrm{tr} A \det \underline{Y} \]

Dokaz: Upoštevamo sistem enačb iz <1>1 ter <1>2 in definicija sledi \[ \mathrm{sl} A= \mathrm{tr }A = \sum\limits_{i = 1}^n b_{ii} \]

86.1.5. <1>5 QED

Integracija <1>3 nam da

\[ W(x) = W(x_0) e^{\int\limits_{x_0}^x \mathrm{tr} A \left( \xi \right) \,\mathrm{d }\xi} \]

87. Definicija 7.31

Če je \( A: J \to \mathbb{R}^{n \times n} \) matrična funkcija z zveznimi koeficienti, definiramo njeno normo kot \( \lVert A \rVert = \sup_{u \in J} \left| A(u) \right|\), kjer je slednje operatorska norma matrike A.

Veljajo lastnosti za normo:

  • \( \left\lVert B \right\rVert \le 0 \) in \( \left\lVert B \right\rVert = 0 \iff B = 0 \)
  • \( \left\lVert \alpha B \right\rVert = \left| \alpha \right| \left\lVert B \right\rVert\) za vse \( \alpha \in \mathbb{R} \) ter \( B \in \mathbb{R}^{n \times n} \)
  • trikotniška neenakost \( \left\lVert A + B \right\rVert \le \left\lVert A \right\rVert + \left\lVert B \right\rVert\)

Ter ekstra stvari:

  • \( \left\lVert B\epsilon \right\rVert \le \left\lVert B \right\rVert \left| \epsilon \right|\) za vsak \( B \in \mathbb{R} ^{n \times n} \) in vsak \( \epsilon \in \mathbb{R}^{n} \)
  • \( \left\lVert A B \right\rVert \ge \left\lVert A \right\rVert \left\lVert B \right\rVert\) za vse \( A, B \in \mathbb{R} ^{n\times n} \)

Norma prav tako definira metriko

\[ d (A, B) = \left\lVert A - B \right\rVert \]

Za dano metriko \( d \) je \( \mathbb{R}^{n \times n} \) poln metričen prostor.

88. Posledica 7.32

Za poljubna \( u \in \tilde{J} \) in vektor \( \vec{\xi} \in \mathbb{R}^n \) velja

\[ \left| A(u) \vec{\xi} \right| \le \left\lVert A \right\rVert \left| \vec{\xi} \right| \]

89. Definicija 7.33

Naj bo \( f(x) = e^x \). Za \( B \in \mathbb{R} ^{n \times n} \) definiramo

\[ e^B = \sum\limits_{j = 0}^{\infty} \frac{B^j}{j!} \]

89.1. Trditev

Vrsta

\[ e^B = \sum\limits_{j = 0}^{\infty} \frac{B^j}{j!} \]

konvergira.

89.1.1. Dokaz:

  1. <1>1

    Case 1: \( s_n \sum\limits_{j = 0}^{n} \frac{B^j}{j!} \)

    Zaporedje \( \left( s_n \right)_n \) je Cauchyjevo.

    Spomnimo se: Za vsak \( \epsilon > 0 \) obstaja tako velik \( N \in \mathbb{N} \), da za vsaki števili \( m, n > N; \ m, n \in \mathbb{N} \) velja \( d(s_m, s_n) < \epsilon \) Dokaz:

    1. <2>1

      Case 2: \( m > n \)

      \[ \left\lVert s_m - s_n \right\rVert = \left\lVert \sum\limits_{j = 0}^m \frac{B^j}{j!} - \sum\limits_{j = 0}^n \frac{B^j}{j!} \right\rVert \]

      Dokaz: definicija zaporedja.

    2. <2>2

      \[ \left\lVert \sum\limits_{j = n + 1}^m \frac{B^j}{j!} \right\rVert \le \sum\limits_{j = n + 1}^m \frac{\left\lVert B^j \right\rVert}{j!} \]

      Dokaz: Vsoti v <2>1 se odštejeta in je tisto na levi strani, kar ostane ter neenakost

    3. <2>3

      \[ \sum\limits_{j = n + 1}^m \frac{\left\lVert B^j \right\rVert}{j!} \le \sum\limits_{j = n + 1}^{m} \frac{\left\lVert B \right\rVert^j}{j!} \]

      Dokaz: ponovno neenakost

    4. <2>4

      \[ \sum\limits_{j = n + 1}^m \frac{\left\lVert B \right\rVert^j}{j!} \]

      konvergira k 0, ko gresta \( m, n \to \infty \)

      Dokaz:

      Taylorjeva vrsta \( f(x) = e^x = \sum\limits_{j = 0}^{\infty} \frac{x^j}{j!} \) konvergira povsod na \( \mathbb{R} \). Dana vsota je številska vrsta za \( x = \left\lVert B \right\rVert \).

    5. <2>5 QED

      Zaradi <2>4, gre tudi <2>1 proti 0, ko gresta \( m, n \to \infty \), kar pomeni, da je vrsta Cauchyjeva.

  2. <2>2 QED

    Dokaz: <1>1

90. Izrek 7.34

Če \( A, B \in \mathbb{R}^{n \times n} \) komutirata \( AB = BA \), potem je

\[ e^{A + B} = e^{A} e^{B} \]

91. Trditev 7.35

Predpostavke:

  • \( A \in \mathbb{R} ^{n \times n} \) poljubna matrika

Funkcija \( Y: \mathbb{R} \to \left( \mathbb{R}^{n\times n}, \left\lVert \cdot \right\rVert \right), \ x \mapsto e^{xA } \) je odvedljiva v smilu, da obstaja tak \( Y' \in \mathbb{R}^{n \times n} \), da velja

\[ \lim_{h \to 0} \left\lVert Y'(x) - \frac{Y(x + h) - Y(x)}{h} \right\rVert = 0 \]

in velja \( Y'(x) = AY \)

91.1. Dokaz

91.1.1. <1>1

\[ \left\lVert Y'(x) - \frac{Y(x + h) - Y(x)}{h} \right\rVert = \left\lVert AY - \frac{Y(x + h) - Y(x)}{h} \right\rVert \]

Dokaz: Predpostavka trditve.

91.1.2. <1>2

\[ \left\lVert AY - \frac{Y(x + h) - Y(x)}{h} \right\rVert = \left\lVert Ae^{xA } - \frac{e^{(x + h) A} - e^{Ax }}{h} \right\rVert \]

Dokaz: Predpostavka trditve

91.1.3. <1>3

\[ \left\lVert Ae^{xA } - \frac{e^{(x + h) A} - e^{Ax }}{h} \right\rVert = \left\lVert e^{xA } \left( A - \frac{e^{hA} - I}{h} \right) \right\rVert \]

Dokaz: matriki \( xA \) in \( hA \) komutirata in po izreku 7.34 si to lahko privoščimo. Prav tako smo izpostavili \( e^{xA} \)

91.1.4. <1>4

\[ \left\lVert e^{xA } \left( A - \frac{e^{hA} - I}{h} \right) \right\rVert \le \left\lVert e^{xA} \right\rVert \cdot \left\lVert \frac{1}{h} e^{hA} - \frac{1}{h} I - A \right\rVert \]

Dokaz: To velja za našo normo.

91.1.5. <1>5

\[ \left\lVert e^{xA} \right\rVert \left\lVert \frac{1}{h} e^{hA} - \frac{1}{h} I - A \right\rVert = \left\lVert e^{xA } \right\rVert\cdot \left\lVert \sum\limits_{j = 2}^{\infty} \frac{h^{j - 1} A^j}{j!} \right\rVert \]

Dokaz:

\( e^{hA } = \sum\limits_{j = 0}^{\infty} \frac{\left( hA \right)^j}{j!} \). Z upoštevanjem prvih dveh členov, tj. \( j = 0, 1 \) se \( \frac{1}{h}I \) in \( A \) pokrajšajo. Prav tako ulomek iz leve strani premaknemo pod vsoto in zato je \( h^{j - 1} \)

91.1.6. <1>6

\[ \left\lVert e^{xA } \right\rVert\cdot \left\lVert \sum\limits_{j = 2}^{\infty} \frac{h^{j - 1} A^j}{j!} \right\rVert \le \left\lVert e^{xA} \right\rVert \sum\limits_{j = 2}^{\infty} \left| h \right|^{j -1} \frac{\left\lVert A \right\rVert^j}{j!} \]

Dokaz: Glej prejšnji dokaz <2>3

91.1.7. <1>7

\[ \left\lVert e^{xA} \right\rVert \sum\limits_{j = 2}^{\infty} \left| h \right|^{j -1} \frac{\left\lVert A \right\rVert^j}{j!} = \left\lVert e^{xA} \right\rVert \cdot \left| h \right| \cdot \left\lVert A \right\rVert ^2 \cdot \sum\limits_{j = 2}^{\infty} \frac{\left| h \right|^{j - 2} \left\lVert A \right\rVert^{j -2}}{j!} \]

91.1.8. <1>8

\[ \left| h \right| < 1 \]

Dokaz: Zanima nas \( h \to 0 \) in je validna predpostavka.

91.1.9. <1>9

\[ \left\lVert e^{xA} \right\rVert \left| h \right| \left\lVert A \right\rVert ^2 \sum\limits_{j = 2}^{\infty} \frac{\left| h \right|^{j-2} \left\lVert A \right\rVert ^{j - 2} }{j!} \le \left\lVert e^{xA} \right\rVert \left| h \right| \left\lVert A \right\rVert ^2 \sum\limits_{j = 2}^{\infty} \frac{ \left\lVert A \right\rVert^j}{j!} \]

Dokaz: <1>8

91.1.10. <1>10

\[ \left\lVert e^{xA} \right\rVert \left| h \right| \left\lVert A \right\rVert ^2 \sum\limits_{j = 2}^{\infty} \frac{ \left\lVert A \right\rVert^j}{j!} = \left\lVert e^{xA } \right\rVert \left| h \right| \left\lVert A \right\rVert ^2 \sum\limits_{k = 0}^{\infty} \frac{\left\lVert A \right\rVert^k}{ \left( k + 2 \right)! } \]

Dokaz: uvedemo \( k = j - 2 \)

91.1.11. <1>11

\[ \left\lVert e^{xA } \right\rVert \left| h \right| \left\lVert A \right\rVert ^2 \sum\limits_{k = 0}^{\infty} \frac{\left\lVert A \right\rVert^k}{ \left( k + 2 \right)! } \le \left\lVert e^{xA } \right\rVert \left| h \right| \left\lVert A \right\rVert ^2 \sum\limits_{k = 0}^{\infty} \frac{\left\lVert A \right\rVert^k}{ \left( k \right)! } = \left\lVert e^{xA } \right\rVert \left| h \right| \left\lVert A \right\rVert ^2 e^{\left\lVert A \right\rVert} \left| h \right| \]

Dokaz: Vsota v sredini je Taylorjev razvoj \( f(x) = e^x \) za \( x = \left\lVert A \right\rVert \)

91.1.12. <1>12 QED

<1>11 gre proti \( 0 \), ko gre \( h \to 0 \), saj so ostali samo členi neodvisni od \( h \). To pomeni, da za vse \( x \in \mathbb{R} \) velja limita iz trditve.

92. Eulerjeva DE

je DE oblike

\[ \sum\limits_{j = 0}^n a_j x^j y^{(j)} \left( x \right) = b(x) \]

93. Trditev 7.21

Predpostavke:

  • \( k \in \mathbb{N} \)
  • \( y: \left( 0, \infty \right) \to \mathbb{R} \)
  • \( y \in C^k \)

Definiramo \( z\in C^k \left( \mathbb{R} \right) \) kot

\[ z(t) = y(e^t);\ t \in \mathbb{R} \]

Označimo operator

\[ D = \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t} \]

torej \( D g = g' \).

Za vsak \( x = e^t > 0 \),

\[ x^ky^{(k)} (x) = \left[ D(D - I)(D - 2I)\ldots (D - (k - 1)I)z \right] \left( t \right) = p_k \left( D \right) \]

kjer je \( I \) identiteta.

93.1. Dokaz s pomočjo indukcije:

93.1.1. <1>1

Case 1: \( k = 1 \)

\[ x y' (x) = e^t y'(e^t) \]

Dokaz:

Predpostavka iz trditve.

93.1.2. <1>2

Desna stran enakosti:

\[ x y'(x) = \left[ p_1 \left( D \right)z \right] \left( t \right) = \dot{z}(t) = \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t}z(t) = \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} t} y(e^t) = e^t y'(e^t) \]

93.1.3. <1>3

Če velja za \( k \), potem velja za \( k + 1 \).

Za neki \( k\in \mathbb{N} \) definiramo operator

\[ D - Ik: \phi \to \dot{\phi} - k \phi \]

93.1.4. <1>4

Case 2: \( p_k = x^k y^{(k)} \) \[ x^{k+1} y^{(k + 1)} (x) = [(D - Ik)z](t) = \left[ x^k y^{(k)} \right] \dot{} - k \left[ x^k y^{(k)} \right] \]

Dokaz: Verižno pravilo in pa definicija operatorja \( D - Ik \)

93.1.5. <1>5 QED

Opomba: Slab dokaz, lahko da ker sem utrujen.

94. Variacijski račun

Imamo funkcionale oblike

\[ I (y) = \int\limits_a^b L(x, y, y'(x) \,\mathrm{d x} \]

kjer je \( L = L(u, v, w): \mathbb{R} ^3 \to \mathbb{R} \) dana funkcija. \( y \in C^1(J) \), kjer je \( J = [a, b] \).

Pogosto uporabljamo funkcije iz razreda

\[ X = \left\{ y \in C^1 (J); y(a) = \alpha, y(b) = \beta \right\} \]

Imamo fiksna krajišča.

95. Definicija 8.1

(Lokalni) ekstrem/ ekstremala funkcionala \( I \) definiramo kot funkcijo \( y \in X \), v kateri ima \( I \) v vseh “smereh” svoj ekstrem. To pomeni, da ima za vsako gladko funkcijo \( \eta \), za katero je \( y + \epsilon \eta \in X \) za dovolj majhne \( \epsilon \), ki je definirana na realnih številih, esktrem v \( \epsilon = 0 \). Stacionarna točka za \( I \) je funkcija, v kateri ima \( I \) vse smerne odvode enake nič

\[ \left. \frac{\partial }{\partial \epsilon} I \left( y + \epsilon \eta \right) \right|_{\epsilon = 0} = 0 \]

95.1. Opombe in druge oznake

Označimo množico \( C^1_0 = \left\{ \eta \in C^1 (J); \ \left. \eta \right|_{J_{\delta}} = 0 \right\} \). To je množica testnih funkcij, kjer ničla v indeksu pove, da imajo funkcije \( \eta \) v krajiščih vrednosti \( 0 \).

96. Lema 8.2 (variacijski lema)

Naj bo \( J = [a, b] \) zaprt omejen interval v \( \mathbb{R} \) in \( f \in C(J) \). Če za vsako funkcijo \( \eta \in C_0^1 \) velja

\[ \int\limits_{}^{} f \eta \,\mathrm{d x} = 0, \ \forall \eta \in C_0^1 \left( J \right) \]

tedaj je \( f= 0 \) na \( J \) oz. za vsak \( x \in J: \ f(x) = 0 \)

96.1. Dokaz s protislovjem:

Obstaja \( x \in J \), kjer

\[ f(x) \ne 0 \]

96.1.1. <1>1

Case 1: \( f(x) \gneqq 0 \)

Obstaja \( \delta > 0 \), da na \( \left( x - \delta, x + \delta \right) \cap J \) velja

\[ f(t) \le \frac{f(x)}{2}; \ t \in \left( x -\delta, x + \delta \right) \cap J \]

Dokaz: \( f \) je zvezna

96.1.2. <1>2

Case 2:

\[ \eta = \begin{cases} \eta \le 0; \\ \eta > 0; \ \left( x - \delta, x + \delta \right) \cap J \\ \eta = 0; \text{else} \end{cases} \]

Velja

\[ \int\limits_J^{} f \eta \,\mathrm{d x} = \int\limits_{\left( x- \delta, x + \delta \right) \cap J}^{} f\eta \,\mathrm{d x} + \int\limits_{\text{else}}^{}f \eta \,\mathrm{d x} \gneq 0 \]

96.1.3. <1>3 QED

Protislovje, saj je integral večji od \( 0 \), ker je \( f(x) \ne 0 \)

97. Izrek 8.3

Predpostavke:

  • \( J = [a, b] \subset \mathbb{R} \)
  • \( L : J \times \mathbb{R} \times \mathbb{R} \to \mathbb{R} \) zvezno odvedljiva na vse spremenljivke
  • \( X \subset C^1 (J) \)
  • \( y \in X \) tako, da \( y + C_0^1 (J) \subset X \)

Če je \( y \) stacionarna točka za funkcional \( I: X \to \mathbb{R} \), definiran s predpisom

\[ I(y) = \int\limits_a^b L(x, y, y') \,\mathrm{d x} \]

tedaj \( y \) ustrza EL pogoju

\[ L_y (x, y, y') = \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d}x } L_{y'} (x, y , y') \]

97.1. Dokaz:

97.1.1. <1>1

Case 1: \( \eta \in C_0^1(J) \)

Velja

\[ y + \eta \epsilon \in X \ \forall \epsilon \in \mathbb{R} \]

Dokaz: Predpostavka 4

97.1.2. <1>2

Case 2: definiramo \( F(I, y, \eta): \mathbb{R} \to \mathbb{R} \) s predpisom \( F(\epsilon) = I(y + \epsilon \eta) \)

Velja \( F'(0) = 0 \)

Dokaz: Predpostavka 5, da je \( y \) stacionarna točka za \( I \).

97.1.3. <1>3

Case 3: \( \omega_{\epsilon}(x) = \left( x, y + \epsilon \eta, y' + \epsilon \eta' \right) \)

\[ \frac{\partial }{\partial \epsilon} F(\epsilon) = \int\limits_a^b \left[ \frac{\partial L}{\partial v} \left( \omega_{\epsilon} \right) \eta + \frac{\partial L}{\partial w} \left( \omega_{\epsilon} \right) \eta' \right] \,\mathrm{d x} \]

Dokaz: Verižno odvajanje pod integralom.

97.1.4. <1>4

Case 4: \( \omega_0(x) = \left( x, y(x), y'(x) \right) \)

\[ F'(0) = 0 = \int\limits_a^b \left[ \frac{\partial L}{\partial v} \left( \omega_0 \right) \eta + \frac{\partial L}{\partial w} \left( \omega_0 \right) \cdot \eta' \right] \,\mathrm{d x} \]

Dokaz: <1>3 in <1>2

97.1.5. <1>5

\[ \int\limits_a^b \frac{\partial L}{\partial w} \left( \omega_0 \right)\cdot \eta' \,\mathrm{d x} = \left. \eta \frac{\partial L}{\partial w} \right|_{x = a}^{x = b} - \int\limits_a^b \eta \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d}x }\left[ \frac{\partial L}{\partial w} \left( \omega_0 \right) \right] \,\mathrm{d x} = \int\limits_a^b \eta \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d}x }\left[ \frac{\partial L}{\partial w} \left( \omega_0 \right) \right] \,\mathrm{d x} \]

Dokaz: Integracija per partes ter Case 1, da je \( \eta \) v krajiščih \( 0 \).

97.1.6. <1>6

\[ 0 = \int\limits_a^b \left[ \frac{\partial L}{\partial v} \left( \omega_0 \right) - \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d}x} \left[ \frac{\partial L}{\partial w} \left( \omega_0 \right) \right] \right]\cdot \eta \,\mathrm{d x} \]

Dokaz: <1>4 in <1>5

97.1.7. <1>7 QED

\[ \left[ \frac{\partial L}{\partial v} \left( \omega_0 \right) - \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d}x} \left[ \frac{\partial L}{\partial w} \left( \omega_0 \right) \right] \right] = 0 \]

Dokaz: Variacijska lema ter <1>6

98. Gibljiva krajišča

V primeru gibljivih krajišč, se integral v koraku <1>5 dokaza ne prevede na \( 0 \) in dobimo

\[ \int\limits_a^b \left[ \frac{\partial L}{\partial v} \left( \omega_0 \right) - \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d} x} \left[ \frac{\partial L}{\partial w} \left( \omega_0 \right) \right] \right]\eta \,\mathrm{d x} +\left. \eta(x) \frac{\partial L}{\partial w} \left( \omega_0 \right) \right|_{x = a} ^{x = b} = 0; \ \forall \eta \in C^1 (J) \]

Edina možnost, da je produkt \( \eta(x) \cdot C = 0; \forall \eta \in C^1(J) \), je, če je \( C = 0 \). Iz tega dobimo

\[ \frac{\partial L}{\partial w} \left( \omega_0(a) \right) = \frac{\partial L}{\partial w} lr(\omega_0 (b)) = 0 \]

99. \(L = L(x, y) \)

EL se prevede na \( L_{y'}= C \)

100. \( L = L(y, y') \)

Dobimo Beltramijevo identiteto, ker je levi del EL pogoja enak \( 0 \).

\[ L - y' L_{y'} = C, \ C \in \mathbb{R} \]

Z odvajanjem po \( x \) in verižnim pravilom dobimo

\[ \left( L - y' L_{y'} \right)' = \left( L_y - \frac{\mathrm{d} }{\mathrm{d}x} L_{y'} \right) y' \]

101. Definicija 9.1

Prostor s skalarnim produktom je vektorski prostor \( V \) nad \( \mathbb{R} \) ali \( \mathbb{C} \), na katerem obstaja preslikava

\[ \left\langle \cdot, \cdot \right\rangle : V \times V \to \mathbb{C} \]

tako, da velja

  1. \( \left\langle x + y, z \right\rangle = \left\langle x, z \right\rangle + \left\langle y, z \right\rangle\)
  2. \( \left\langle \lambda x, z \right\rangle =\lambda \left\langle x, z\right\rangle\)
  3. \( \left\langle x, z \right\rangle = \overline{\left\langle z, x \right\rangle}\)
  4. ter \( \left\langle x, x \right\rangle \ge 0 \) in \( \left\langle x, x \right\rangle = 0 \iff x = 0\)

Opomba: Ali je \( 0 \in V \)? Ja, ker je \( V \) vektorski prostor.

102. Definicija 9.2

Predpostavka:

  • \( V \) je prostor s skalarnim produktom

Norma, ki izhaja iz skalarnega produkta, je definirana s predpisom

\[ \lVert x \rVert = \sqrt{\left\langle x, x \right\rangle} \]

Preslikava \( \lVert \cdot \rVert: V \to [0, \infty) \) se imenuje norma, če velja

  1. \( \lVert x \rVert \ge 0 \forall x \in V \)
  2. \( \lVert x \rVert = 0 \iff x = 0\)
  3. \( \lVert \lambda x \rVert = \left| \lambda \right| \lVert x \rVert \forall x \in V, \lambda \in \mathbb{C}/ \mathbb{R}\)
  4. \( \lVert x + y \rVert \le \lVert x \rVert + \lVert y \rVert\)

Če je \( V \) prostor s skalarnim produktom, tedaj predpis

\[ \lVert x \rVert = \sqrt{\left\langle x, x \right\rangle} \]

res definira normo na \( V \).

103. Trditev 9.3 (CSB neenakost)

Za vsak \( x, y \) iz prostor s skalarnim produktom \( V \), velja

\[ \left| \left\langle x, y \right\rangle \right| \le \lVert x \rVert \lVert y \rVert \]

103.1. Dokaz

103.1.1. <1>1

Case 1: prostor skalarjev je \( \mathbb{R} \) Case 2: \( \lambda \in \mathbb{R} \)

o\[ 0 \le \lVert x \rVert ^2 + \lVert y \rVert ^2 + \lambda \left\langle x, y \right\rangle \]

za vsak \( x, y \in V \) ter za vsak \( \lambda \in \mathbb{R} \)

Dokaz:

  1. <2>1

    \[ 0 \le \left\langle x + \lambda y, x + \lambda y \right\rangle \]

    Dokaz: Definicija 9.1, 4)

  2. <2>2

    \[ \left\langle x + \lambda y, x + \lambda y \right\rangle = \left\langle x, x + \lambda y \right\rangle + \left\langle \lambda y, x + \lambda y \right\rangle \]

    Dokaz: Definicija 9.1, 1)

  3. <2>3

    \[ \left\langle x, x + \lambda y \right\rangle + \left\langle \lambda y, x + \lambda y \right\rangle = \left\langle x, x + \lambda y \right\rangle + \lambda \left\langle y, x + \lambda y \right\rangle \]

    Dokaz: Definicija 9.1 2)

  4. <2>4

    \[ \left\langle x, x + \lambda y \right\rangle + \lambda \left\langle y, x + \lambda y \right\rangle = \left\langle x + \lambda y, x \right\rangle + \lambda \left\langle x + \lambda y, x \right\rangle \]

    Dokaz: Definicija 9.1 3) in pa smo na prostoru \( \mathbb{R} \)

  5. <2>5 QED

    \[ \left\langle x + \lambda y, x \right\rangle + \lambda \left\langle x + \lambda y, x \right\rangle = \lVert x \rVert ^2 + \lVert y \rVert ^2 + \lambda \left\langle x, y \right\rangle \]

    za vsak \( x, y \in V \) ter za vsak \( \lambda \in \mathbb{R} \) Dokaz: Definicija 9.1 in definicija norme *

103.1.2. <1>2

Case 3:

\[ \lVert x \rVert ^2 + \lVert y \rVert ^2 + \lambda \left\langle x, y \right\rangle = f( \lambda ) \]

\( f(\lambda) \ge 0 \), ko je diskriminanta \( D \le 0 \)

Dokaz: Kvadratna enačba

103.1.3. <1>3 QED

\[ \left| \left\langle x, y \right\rangle \right| \le \lVert x \rVert \lVert y \rVert \]

Dokaz:

Iz <1>2 velja

\begin{align*} D &= b ^2 - 4ac \le 0 \\ (2 \left\langle x, y \right\rangle) ^2 - 4 \lVert x \rVert ^2 \lVert y \rVert ^2 &\le 0 \\ 4 \left\langle x, y \right\rangle &\le 4 \lVert x \rVert ^2 \lVert y \rVert ^2 \\ \left| \left\langle x, y \right\rangle \right| \le \lVert x \rVert \lVert y \rVert \end{align*}

104. Definicija 9.4

Prostor \( V \) s skalarnim produktom je Hilbertov, če je v inducirani metriki poln.

105. Definicija 9.9

Predpostavke:

  • \( X \) je prostor s skalarnim produktom
  • \( A \subset X \)

Množica

\[ A^{\perp } = \left\{ y \in X; y \perp a, \ \forall a \in A \right\} \]

106. Trditev 9.10

\( A^{\perp } \) je zaprt vektorski prostor.

106.1. Dokaz

106.1.1. <1>1

Velja linearnost (množenje s skalarjem).

106.1.2. <1>2

Konvergentno zaporedje v \( A^{\perp } \) ima limito v \( A^{\perp } \).

Dokaz:

  1. <2>1

    Case 1: \( a \in A \) Case 2: \( y_n \in A^{\perp } \) Case 3: \( y_n \) konvergira k \( y \)

    \[ \lim_{n \to \infty} \left| \left\langle y - y_n, a \right\rangle \right| \le \lim_{n \to \infty} \lVert y - y_n \rVert \lVert a \rVert \]

    Dokaz: CBS neenakost

  2. <2>2

    \[ \lim_{n \to \infty} \lVert y - y_n \rVert = 0 \]

    Dokaz: Case 3

  3. <2>3 QED

    <2>1 gre proti 0, ker gre <2>2 proti 0, torej \( y \in A^{\perp } \)

106.1.3. <1>3 QED

Dokaz: <1>1 in <1>2

107. Definicija 9.11

Predpostavke:

  • \( X \) je prostor s skalarnim produktom
  • \( Y \subseteq X \)
  • \( x \in X \)

\( y \) je ortogonalna projekcija vektorja \( x \) na podprostor \( Y \), če je \( x - y \perp Y \) oz. \( x - y \in Y ^{\perp} \)

Oznake:

  • \( y = P_Y x \)
  • preslikava \( P_Y: X \to Y, x \mapsto y = P_Y x \) je ortogonalni projektor prostora \( X \) na podprostor \( Y \).

108. Trditev 9.12

Predpostavke:

  • \( X \) je prostor s skalarnim produktom
  • \( Y \subseteq X \) linearni podprostor
  • za vsak \( x \in X \) obstaja neki \( P_Y x \) kot iz prejšnje definicije

Veljajo sledeče stvari:

  1. \( P_Y x \) je enolično določen
  2. \( P_Y x \) je najboljši približek za \( x \) v \( Y \), v smislu

    \[ \lVert x - P_Y x \rVert = \inf_{z \in Y} \lVert x - z \rVert = d(x, Y) \]

  3. \( P_Y \) je linearna
  4. Preslikava \( P_Y \) je zvezna, celo skrčitev: \( \lVert P_Y x \rVert \le \lVert x \rVert\) za vsak \( x \in X \)
  5. \( Y \) je zaprt v \( X \)

108.1. Dokaz:

108.1.1. 1)

  1. <1>1

    Case 1: \( y_1, y_2 \in Y \) Case 2: \( x - y_1 \perp Y \) Case 3: \( x - y_2 \perp Y \)

    \[ x - y_1 - x + y_2 = -y_1 + y_2 \in Y \]

    Dokaz: Odštejemo Case 2 in Case 3, ter Case 1

  2. <1>2

    \[ y_2 - y_1 \perp Y \]

    Dokaz: Case 3 in Case 2

  3. <1>3 QED

    Dokaz: iz <1>1 in <1>2 sledi, da je \( y_2 - y_1 \perp y_2 - y_1 \), kar je možno samo, če \( y_1 = y_2 \)

108.1.2. 2)

  1. <1>1

    Case 1: \( z \in Y \)

    \[ x - z = \underbrace{x - P_Y x}_{\in Y^{\perp}} + \underbrace{P_Yx - z}_{\in Y} \]

    Dokaz: Prištejemo in odštejemo isto vrednost ter definicija 9.11

  2. <1>2 QED

    \[ \lVert x - P_Y x \rVert ^2 \le \lVert x - z \rVert ^2 \]

    Dokaz: Pitagorov izrek

108.1.3. 3)

  1. <1>1

    Case 1: \( x_1, x_2 \in X \) Case 2: \( x_1 - P_Y x_1, x_2 - P_Y x_2 \in Y^{\perp} \)

    \[ \left( x_1 + x_2 \right) - \underbrace{\left( P_Y x_1 + P_Y x_2 \right)}_{\in Y} \in Y ^{\perp} \]

  2. <1>2 QED

    Iz 1) sledi \( P_Y x_1 + P_Y x_2 = P(x_1 + x_2) \)

108.1.4. 4)

  1. <1>1

    Case 1: \( x = (x - P_Y x) + P_Y x \)

    \[ \lVert x \rVert ^2 = \underbrace{\lVert x - P_Y x \rVert ^2}_{\ge 0} + \lVert P_Y x \rVert \ge \lVert P_Y x \rVert \]

  2. <1>2 QED

    Dokaz: <1>1

108.1.5. 5)

  1. <1>1

    Case 1: \( \left( y_n \right)_n \subset Y \) Case 2: \( y_n \to x \) za neki \( x \in X \)

    \[ x \in Y \]

    1. <2>1

      \[ P_Y y_n \to P_Y x \]

      Dokaz: \( P \) je zvezen

    2. <2>2

      \[ \lVert P_Y y_n - P_Y x \rVert = \lVert P_Y \left( y_n - x \right) \rVert \]

      Dokaz: \( P \) je linearen 3)

    3. <2>3

      \[ \lVert P_Y \left( y_n - x \right) \rVert \le \lVert y_n - x \rVert \]

      Dokaz: 4)

    4. <2>4

      <2>3 je enako 0

      Dokaz: Case 2

    5. <2>5

      \[ P_Y y_n = y_n \]

      Dokaz: Case 1, \( y_n \in Y \)

    6. <2>6

      \[ P_Y x = x \]

      Dokaz:

      \[ P_Y x \Leftarrow P_Y y_n = y_n \Rightarrow x \]

    7. <2>7 QED

      \( x \in Y \) iz <2>6

  2. <1>2 QED

    Prostor je linearen in zaprt

109. Trditev

Predpostavke:

  • \( X \) je vektorski prostor s skalarnim produktom
  • \( Y \subseteq X \) končno dimenzionalen prostor
  • \( \left\{ e_1, \ldots, e_n \right\} \) njegova ONS

Tedaj je

\[ P_Y x = \sum\limits_{j = 1}^n \left\langle x, e_j \right\rangle e_j \]

109.1. Dokaz:

109.1.1. <1>1

\[ \left\langle x - \sum\limits_{j = 1}^n \left\langle x, e_j \right\rangle e_j, e_k \right\rangle = 0 \]

Dokaz: ko razpišemo dobimo \( \left\langle x, e_k \right\rangle - \sum\limits_{j = 1}^n \left\langle x, e_j \right\rangle \delta_{j k} = 0 \)

109.1.2. <1>2

Case 1: \( y = \left( x - \sum\limits_{j = 1}^{n \left\langle x, e_j \right\rangle}e_j \right) \)

Velja

\[ y \perp e_k, \ \forall k \in \left\{ 1, \ldots n \right\} \]

109.1.3. <1>3

\[ y \perp \mathrm{Lin } \left\{ e_1, \ldots, e_n \right\} = Y \]

Dokaz: <1>2

109.1.4. <1>4 QED

Po definicija ortogonalnega operatorja je vsota res enaka \( P_Y x \)

110. Definicija 9.14

Pravimo, da je družina \( \left\{ e_j, j \in \mathbb{N} \right\} \) ortonormiran sistem, če velja \( \left\langle e_j, e_k \right\rangle = \delta_{j k}\)

111. Trditev 9.15 (Besselova neenakost)

Predpostavke:

  • \( X \) vektorski prostor s skalarnim produktom
  • \( \left\{ e_j, j \in N \right\} \) ortonormirana baza v \( X \)

Za vsak \( x \in X \) velja

\[ \sum\limits_{j = 1}^{\infty} \left| \left\langle x, e_j \right\rangle \right| ^2 \le \lVert x \rVert ^2 \]

111.1. Dokaz:

111.1.1. <1>1

Case 1: \( Y_n = \mathrm{Lin } \left\{ e_1, \ldots e_n \right\} \) Case 2: \( P_{Y_n} x = \sum\limits_{j = 1}^n \left\langle x, e_j \right\rangle e_j \)

\[ \lVert P_{Y_n} x \rVert ^2 = \sum\limits_{j = 1}^n \left| \left\langle x, e_j \right\rangle \right| ^2 \]

Dokaz: Pitagorov izrek in pa \( e_j \) so ortogonalni med sabo

111.1.2. <1>2

\[ \sum\limits_{j = 1}^n \left| \left\langle x, e_j \right\rangle \right| ^2 \le \lVert x \rVert ^2, \ \forall n \in \mathbb{N} \]

Dokaz: Trditev 9.12 4)

111.1.3. <1>3

\[ \sum\limits_{j = 1}^{\infty } \left| \left\langle x, e_j \right\rangle \right| ^2 \le \lVert x \rVert ^2 \]

Dokaz: <1>2

Author: Kristofer Robin

Created: 2025-02-11 Tue 19:33