background image

Chapter 3

The Implicit Function Theorem

and Its Applications

We present the Inverse Mapping Theorem first (Theorem 3.18 in the text)
and then the Implicit Function Theorem (Theorem 3.9 in the text)

Theorem 3.1

(The inverse mapping theorem). Let U and V be open sets

in R

n

and a ∈ U. Let f : U → V be a mapping of class C

1

and b =

f (a). Suppose Df (a) is invertible, that is, det Df (a) 6= 0. Then there exist
neighborhoods M ⊂ U of a and N ⊂ V of b, so that f is a one-to-one map
from M onto N, and the inverse map f

1

from N to M is also of class C

1

.

Moreover, if x ∈ M and y = f (x) ∈ N, then D(f

1

)(y) = [Df (x)]

1

.

Read the example on p. 138 of the textbook.

Let F : R

n

× R

k

→ R

k

. For x ∈ R

n

, y ∈ R

k

, F (x, y) = (F

1

, F

2

, . . . , F

k

) ∈

R

k

. We use the following notation

D

x

F =

x

j

F

i

1≤i≤k

1≤j≤n

=





x

1

F

1

x

2

F

1

. . . ∂

x

n

F

1

x

1

F

2

x

2

F

2

. . . ∂

x

n

F

2

...

...

...

...

x

1

F

k

x

2

F

k

. . . ∂

x

n

F

k





,

35


background image

36

CHAPTER 3.

THE IMPLICIT FUNCTION THEOREM

D

y

F =

y

j

F

i

1≤i,j≤k

=





y

1

F

1

y

2

F

1

. . . ∂

y

k

F

1

y

1

F

2

y

2

F

2

. . . ∂

y

k

F

2

...

...

...

...

y

1

F

k

y

2

F

k

. . . ∂

y

k

F

k





.

Note that D

x

F is a k ×n matrix, D

y

F is a k ×k matrix and the derivative

of F is

DF = ( D

x

F

D

y

F ),

a k × (n + k) matrix.

Theorem 3.2.

Let U ⊂ R

n

× R

k

be open and F : U → R

k

is of class C

1

.

Let a ∈ R

n

, b ∈ R

k

such that (a, b) ∈ U. Suppose F (a, b) = 0 and the matrix

B = D

y

F (a, b) is invertible, that is, det B 6= 0. Then there are positive

numbers r

0

and r

1

such that

(i) For all x ∈ B(r

0

, a), there exists unique y ∈ B(r

1

, b) such that (x, y) ∈

U and F (x, y) = 0.

We define the function f : B(r

0

, a) → B(r

1

, b) as follows: for each x ∈

B(r

0

, a), f (x) is that unique y ∈ B(r

1

, b).

(ii) The function f above is of class C

1

and F (x, f (x)) = 0 for all x ∈

B(r

0

, a). Consequently, for x ∈ B(r

0

, a) and y = f (x), we have

Df (x) = −[D

y

F (x, y)]

1

D

x

F (x, y),

whenever D

y

F (x, y) is invertible.

Example 3.3.

Consider the problem of solving

x − yu

2

= 0,

xy + uv = 0

(3.1)

for u and v as functions of x and y.

Let n = k = 2. Set F = (F

1

, F

2

) = (x − yu

2

, xy + uv). We have

A = D

(x,y)

F =

 

1 −u

2

y

x

!

,


background image

37

B = D

(u,v)

F =

 

2yu 0

v

u

!

.

We have det D

(u,v)

F (x, y, u, v) = −2yu

2

. Therefore, for any solution (x

0

, y

0

, u

0

, v

0

)

of (3.1) such that y

0

u

0

6

= 0, we can solve (3.1) for (u, v) = f (x, y) =

(u(x, y), v(x, y)) nearby the given point (x

0

, y

0

, u

0

, v

0

).

For example, let (x

0

, y

0

, u

0

, v

0

) = (1, 1, 1, −1) be a solution of (3.1). We

want to find also Df (1, 1). We have

A = D

(x,y)

F (1, 1, 1, −1) =

 

1 −1
1

1

!

,

B = D

(u,v)

F (1, 1, 1, −1) = D

(u,v)

F =

 

2 0

1 1

!

.

It is known that if ad − bc 6= 0, the inverse matrix of

 

a b

c d

!

is

 

a b

c d

!

1

=

1

ad − bc

 

d

b

c

a

!

.

We have det B = −2 6= 0 and hence B

1

=

 

1/2 0

1/2 1

!

. Thus

Df (1, 1) = −B

1

A = −

 

1/2 0

1/2 1

!  

1 −1
1

1

!

= −

 

1/2 1/2

1/2

3/2

!

=

 

1/2

1/2

1/2 −3/2

!

.

This implies

x

u(1, 1) = 1/2, ∂

y

u(1, 1) = −1/2, ∂

x

v(1, 1) = −1/2, ∂

y

v(1, 1) = −3/2.




رفعت المحاضرة من قبل: Cruz Maldanado
المشاهدات: لقد قام عضوان و 39 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل