Придумайте контрпример к утверждению: "Если f и g дифференцируемы в точке x0, то максимум(f,g) дифференцируем в x0", и проанализируйте, какие дополнительные условия обеспечат дифференцируемость
Контрпример. Пусть f(x)=xf(x)=xf(x)=x, g(x)=−xg(x)=-xg(x)=−x, рассматриваем точку x0=0x_0=0x0=0. Тогда fff и ggg дифференцируемы в 000, но max(f,g)(x)=max(x,−x)=∣x∣
\max(f,g)(x)=\max(x,-x)=|x| max(f,g)(x)=max(x,−x)=∣x∣
не дифференцируема в 000. Значит утверждение неверно. Какие дополнительные условия обеспечат дифференцируемость 1) Тривиальное условие: если f(x0)≠g(x0)f(x_0)\ne g(x_0)f(x0)=g(x0), то ближайшей окрестности одна из функций строго больше другой, потому в некоторой окрестности max(f,g)\max(f,g)max(f,g) совпадает с одной из них и потому дифференцируема в x0x_0x0. 2) Случай соприкосновения: если f(x0)=g(x0)f(x_0)=g(x_0)f(x0)=g(x0), то необходимое и достаточное условие (в Rn\mathbb R^nRn) для дифференцируемости max(f,g)\max(f,g)max(f,g) в x0x_0x0 — равенство градиентов: ∇f(x0)=∇g(x0).
\nabla f(x_0)=\nabla g(x_0). ∇f(x0)=∇g(x0).
Доказательство (эскиз). Пусть ϕ=f−g\phi=f-gϕ=f−g. Если ϕ(x0)=0\phi(x_0)=0ϕ(x0)=0 и ∇ϕ(x0)=0\nabla\phi(x_0)=0∇ϕ(x0)=0, то ϕ(x)=o(∥x−x0∥)\phi(x)=o(\|x-x_0\|)ϕ(x)=o(∥x−x0∥), поэтому max(f,g)=g+max(ϕ,0)
\max(f,g)=g+\max(\phi,0) max(f,g)=g+max(ϕ,0)
и max(ϕ,0)=o(∥x−x0∥)\max(\phi,0)=o(\|x-x_0\|)max(ϕ,0)=o(∥x−x0∥), откуда max(f,g)\max(f,g)max(f,g) дифференцируема с градиентом ∇g(x0)=∇f(x0)\nabla g(x_0)=\nabla f(x_0)∇g(x0)=∇f(x0). Обратно, если max(f,g)\max(f,g)max(f,g) дифференцируема в точке соприкосновения, её градиент должен равняться и ∇f(x0)\nabla f(x_0)∇f(x0), и ∇g(x0)\nabla g(x_0)∇g(x0), поэтому эти градиенты совпадают. Вывод: достаточно и нужно для дифференцируемости в точке x0x_0x0: либо f(x0)≠g(x0)f(x_0)\ne g(x_0)f(x0)=g(x0), либо f(x0)=g(x0)f(x_0)=g(x_0)f(x0)=g(x0) и ∇f(x0)=∇g(x0)\nabla f(x_0)=\nabla g(x_0)∇f(x0)=∇g(x0). (В одномерном случае условие принимает вид f′(x0)=g′(x0)f'(x_0)=g'(x_0)f′(x0)=g′(x0).)
max(f,g)(x)=max(x,−x)=∣x∣ \max(f,g)(x)=\max(x,-x)=|x|
max(f,g)(x)=max(x,−x)=∣x∣ не дифференцируема в 000. Значит утверждение неверно.
Какие дополнительные условия обеспечат дифференцируемость
1) Тривиальное условие: если f(x0)≠g(x0)f(x_0)\ne g(x_0)f(x0 )=g(x0 ), то ближайшей окрестности одна из функций строго больше другой, потому в некоторой окрестности max(f,g)\max(f,g)max(f,g) совпадает с одной из них и потому дифференцируема в x0x_0x0 .
2) Случай соприкосновения: если f(x0)=g(x0)f(x_0)=g(x_0)f(x0 )=g(x0 ), то необходимое и достаточное условие (в Rn\mathbb R^nRn) для дифференцируемости max(f,g)\max(f,g)max(f,g) в x0x_0x0 — равенство градиентов:
∇f(x0)=∇g(x0). \nabla f(x_0)=\nabla g(x_0).
∇f(x0 )=∇g(x0 ). Доказательство (эскиз). Пусть ϕ=f−g\phi=f-gϕ=f−g. Если ϕ(x0)=0\phi(x_0)=0ϕ(x0 )=0 и ∇ϕ(x0)=0\nabla\phi(x_0)=0∇ϕ(x0 )=0, то ϕ(x)=o(∥x−x0∥)\phi(x)=o(\|x-x_0\|)ϕ(x)=o(∥x−x0 ∥), поэтому
max(f,g)=g+max(ϕ,0) \max(f,g)=g+\max(\phi,0)
max(f,g)=g+max(ϕ,0) и max(ϕ,0)=o(∥x−x0∥)\max(\phi,0)=o(\|x-x_0\|)max(ϕ,0)=o(∥x−x0 ∥), откуда max(f,g)\max(f,g)max(f,g) дифференцируема с градиентом ∇g(x0)=∇f(x0)\nabla g(x_0)=\nabla f(x_0)∇g(x0 )=∇f(x0 ). Обратно, если max(f,g)\max(f,g)max(f,g) дифференцируема в точке соприкосновения, её градиент должен равняться и ∇f(x0)\nabla f(x_0)∇f(x0 ), и ∇g(x0)\nabla g(x_0)∇g(x0 ), поэтому эти градиенты совпадают.
Вывод: достаточно и нужно для дифференцируемости в точке x0x_0x0 : либо f(x0)≠g(x0)f(x_0)\ne g(x_0)f(x0 )=g(x0 ), либо f(x0)=g(x0)f(x_0)=g(x_0)f(x0 )=g(x0 ) и ∇f(x0)=∇g(x0)\nabla f(x_0)=\nabla g(x_0)∇f(x0 )=∇g(x0 ). (В одномерном случае условие принимает вид f′(x0)=g′(x0)f'(x_0)=g'(x_0)f′(x0 )=g′(x0 ).)