Докажите, что из одинаковых плиток, имеющих форму равнобедренных трапеций с основаниями $3$ см, $1$ см и высотой $1$ см, нельзя составить прямоугольник.
Рис. 1
Рис. 2
Решение
Предположим, что прямоугольник удалось составить из $n$ трапеций. Отметим точки, в которые попадают вершины трапеций, в том числе — четыре вершины прямоугольника. У каждой трапеции два острых угла (по $45^\circ$) и два тупых (по $135^\circ$), так что у всех $n$ трапеций вместе одинаковое число острых и тупых углов — по $2n$ .
рис. 3
рис. 4
рис. 5
С другой стороны, ясно, что в каждой из отмеченных точек расположена не меньше острых углов, чем тупых (если там есть один тупой угол, то есть по крайней мере один острый, а если — два тупых, то и два острых); при этом в вершинах прямоугольника могут оказаться острые углы трапеции. Таким образом, острых углов больше, чем тупых (по крайней мере, на 8).
Полученное противоречие доказывает невозможность составления прямоугольника из трапеций.
Пусть отображение $f : E \longmapsto \mathbb{R}^m \left(E \subset \mathbb{R}^n \right)$ дифференцируемо в точке $x_0 \in E.$ Это значит, что существует такое линейное отображение $A : \mathbb{R}^n \longmapsto \mathbb{R}^m,$ что выполнимо равенство
$$\displaystyle \lim_{h\to0}\frac{|f\left(x_0 + h \right) -f\left(x_0 \right) -A\left(h \right)|}{|h|} = 0.$$
В этой матрице $i$-я строка состоит из чисел $A^i \left(e_1 \right), \ldots, A^i\left(e_n \right),$ где $A^i \left(i = 1, \ldots, m \right)$ — компоненты линейного отображения $A,$ а $e_j \left(j = 1, \ldots, n \right)$ — базисные векторы в пространстве $\mathbb{R}^n.$
Отображение $A$ можно представить в виде $A = \left(A_1, \ldots, A^m \right),$ где $A^j = df^i\left(x_0 \right)$ линейная форма, которую ранее мы назвали производной компоненты $f^i$ в точке $x_0.$
Ранее мы показывали, что производная действительных функций $f^i$: $E \mapsto \mathbb{R} \left(E \subset \mathbb{R^n} \right)$ в точке $x_0 \in E$ — это линейная форма, компонентами которой являются частные производные функции $f^i$ в точке $x_0$ т.е.
Итак, компоненты матрицы $a^i_j = A^i\left(e_j \right) = df^i\left(x_0 \right)\left(e_j \right) = \frac{\partial f^i}{\partial x^j}\left(x_0 \right).$ Таким образом, матрицу Якоби можно переписать в следующем виде:
Другими словами, производная отображения $f$ задаётся матрицей Якоби, у которой компонентами являются частные производные все компонент отображения $f$ по всем переменным.
Если $m = n,$ то получаем квадратную матрицу, определитель которой называется определителем Якоби или якобианом $Jf\left(x_0 \right)$и обозначается
Рассмотрим отображение $f : E \longmapsto R^m,$ где $E \subset R^n.$ Оно состоит из $m$ функций: $f = \left(f_1 \left(x_1,\ldots,x_n \right),f_2 \left(x_1,\ldots,x_n \right),\ldots,f_m \left(x_1,\ldots,x_n \right) \right),$ которые осуществляют отображение множества $E$ из $R^n$ в пространство $R^m.$
Предположим, что функции $f_k \left(x_1,\ldots,x_n \right),$ где $k = \overline{1,m},$ дифференцируемы, то есть имеют частные производные по аргументам $(x_1,\ldots,x_n):$
$\frac{\partial f_1}{\partial x_1},\ldots,\frac{\partial f_n}{\partial x_n}, x = \overline{1,m}.$
тогда и только тогда, когда между функциями $f_1,f_2,\ldots,f_n$ имеется функциональная зависимость в $\mathbb{S},$ то есть существует функция $G \left(y_1,y_2,\ldots,y_n \right) \not \equiv 0$ такая, что
$G \left(f_1(x),f_2(x),\ldots,f_n(x) \right) \equiv 0$ при всех $x = (x_1, \ldots, x_n) \in \mathbb{S}.$
Пример 1.Являются ли функции функционально зависимыми?
