Johdanto yleistettyyn sini- ja kosinifunktioon
|
|
- Joonas Aho
- 5 vuotta sitten
- Katselukertoja:
Transkriptio
1 Johanto yleistettyyn sini- ja kosinifunktioon Topias Mikkola Matematiikan pro-graututkielma Jyväskylän yliopisto Matematiikan ja tilastotieteen laitos Kesä 18
2 Sisältö 1 Johanto 4 Käänteinen sinifunktio eli arcsin 5 3 Sinifunktio Sinifunktion määritelmä Sinifunktion erivoituvuus Kosinifunktio 17 5 Yleistetyt trigonometriset funktiot Käänteinen sin p -funktio eli F p Funktio sin p Funktion sin p erivoituvuus Funktio cos p Geometrinen näkökulma sekä katsaus yleistettyjen trigonometristen funktioien määritelmän taustoihin 7
3 Tiivistelmä: Topias Mikkola, Johanto yleistettyyn sini- ja kosinifunktioon, matematiikan pro grau-tutkielma, 3 s., Jyväskylän yliopisto, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, kesäkuu 18. Tässä tutkielmassa määritellään sini- ja kosinifunktiot sinifunktion käänteisfunktion avulla ja näien funktioien yleistykset eli funktiot sin p ja cos p aiempia määritelmiä varioimalla. Samalla osoitetaan, että merkittävä osa sini- ja kosinifunktioien ominaisuuksista periytyy yleistyksille. Eelleen tutkitaan millä tasolla yleistykset vastaavat geometrisessä mielessä tavallisia sini- ja kosinifunktioita. Lopuksi tarkastellaan lyhyesti yleistettyjen funktioien määrittelyn taustoja ja merkitystä kirjallisuuessa. Sinifunktio määritellään määrittelemällä ensin sen käänteisfunktio avoimella rajoitetulla välillä integroimalla sinifunktion käänteisfunktion erivaattaa. Käänteisfunktio laajennetaan määritellyksi myös välin päätepisteissä. Käänteisfunktion avulla määritellään sinifunktio paloittain koko reaaliakselille hyöyntäen käänteisfunktiolta periytyviä ominaisuuksia kuten jatkuvuutta, rajoittuneisuutta ja parittomuutta. Sitten osoitetaan, että myös käänteisfunktion erivoituvuus periytyy sinifunktiolle ja käsittää koko reaaliakselin. Tämän jälkeen kosinifunktio määritellään sinifunktion erivaattana ja osoitetaan, että kosinifunktiolla on vastaavat ominaisuuet kuin sinifunktiollakin. Huomataan, että sinifunktio saaaan kosinifunktion erivaatan vastalukuna ja siten nämä funktiot ovat äärettömästi erivoituvia. Sini- ja kosinifunktiolle osoitetaan myös muutamia yhteenlaskukaavoja sekä Pythagoraan trigonometrinen ientiteetti. Funkiot sin p ja cos p määritellään aiempien määrittelyien rakennetta hyöyntäen siten, että uuet funktiot ovat parametrista p riippuvaisia ja yhtyvät sini- ja kosinifunktioon parametrin p arvolla kaksi. Sitten osoitetaan, että myös yleistyksillä on eellä mainitut klassisten vastineiensa ominaisuuet. Tosin sin p -funktion tieetään olevan vain kertaalleen erivoituva, eikä funktiota sin p siten voia suoraan esittää cos p -funktion erivaatan avulla. Funktioille sin p tai cos p ei voia myöskään johtaa Pythagoraan trigonometrisen ientiteetin lisäksi muita yksinkertaisia vastineita sinija kosinifunktiolle näytetyistä yhteenlaskukaavoista. Geometrista tarkastelua varten määritellään l p -normi, joka vastaa tavallista Eukliista normia parametrin p arvolla kaksi. Sitten osoitetaan, että sin p - ja cos p -funktioilla voiaan parametrisoia l p -normin määrittämä yksikköympyrä. Tämän tuloksen avulla määritetään klassista napakoorinaattiesitystä vastaava yleistetty napakoorinaattiesitys l p -normin virittämään reaalitasoon. Samalla näytetään, että funktioien sin p ja cos p argumentit eivät klassisen tapauksen tapaan vastaa yksikköympyrän sektorin kaaren pituutta. Huomataan myös, ettei Eukliisesta metriikasta tuttu sektorin kaaren pituuen ja pinta-alan välinen yhteys ole voimassa muissa l p -normin virittämissä reaalitasoissa. Etsittäessä geometristä tulkintaa yleistetyn sinifunktion argumentille huomataan, että yksikköympyrän sektorin kaksinkertainen pinta-ala toimii erään 18-luvulla määritetyn sinifunktion yleistyksen argumenttina. Kirjallisuuslähteien perusteella voiaan toeta, että myös myöhemmin tätä aihetta tutkineet matemaatikot ovat päätyneet yleistettyihin trigonometrisiin funktioihin tutkiessaan alkuarvo-ongelmia. Erityisesti sin p -funktio on ratkaisu erääseen eri muooissaan paljon tutkittuun Dirichtletin alkuarvo-ongelmaan. 3
4 1 Johanto Sini ja kosini ovat tärkeimpiä alkeisfunktiota ja niien avulla voiaan määritellä kaikki muut trigonometriset funktiot sekä niien keskinäissuhteet. Ne ovat keskeisiä geometrian lisäksi muun muuassa jaksollisten ilmiöien mallintamisessa. Lisäksi ne tarjoavat usein ratkaisun moniin matemaattisiin ongelmiin kuten ifferentiaaliyhtälöihin tai haastaviin integraaleihin. Teknisesti suoraviivainen tapa määritellä sini- ja kosinifunktiot on määritellä ensiksi niien käänteisfunktiot integroimalla sini- ja kosinifunktioien erivaattoja. Tätä määritelmää varioimalla saaaan kokonainen perhe uusia funktioita, joita voiaan kutsua yleistetyiksi trigonometrisiksi funktioiksi. Tässä työssä esitellään täsmällinen sinifunktion käänteisfunktioon perustuva määritelmä reaaliakselilla määritellyille sini- ja kosinifunktioille. Näille funktioille osoitetaan määritelmän seurauksena tärkeitä ominaisuuksia kuten jatkuvuus, jaksollisuus, erivoituvuus, rajoittuneisuus sekä parittomuus tai parillisuus. Lisäksi lasketaan joitakin määritelmistä seuraavia laskukaavoja, joista mainittakoon Pythagoraan trigonometrinen ientiteetti eli yhtälö sin x + cos x = 1. Tämän jälkeen johetaan käänteisfunktioon perustuva määritelmä sini- ja kosinifunktioien yleistyksille eli sin p - sekä cos p -funktioille siten, että saaut funktiot yhtyvät sini- ja kosinifunktioihin, kun p =. Yleistyksillä on samoja ominaisuuksia kuin sini- ja kosinifunktioillakin, joita ovat muun muuassa jatkuvuus, jaksollisuus, rajoittuneisuus, Pythagoraan trigonometrisen ientiteetin vastine eli sin p (x) p + cos p (x) p = 1 sekä parittomuus tai parillisuus. Tässä työssä osoitetaan myös, että funktio sin p on (ainakin) kertaalleen erivoituva. Tämän jälkeen kosinifunktion yleistys, funktio cos p, määritellään sin p -funktion ensimmäiseksi erivaataksi. Toisin kuin sini- ja kosinifunktio sin p - ja cos p -funktio ovat äärettömästi erivoituvia vasta, kun reaaliakselilta poistetaan pisteet x = πp + nπ p, missä n on kokonaisluku [1]. Funktioille sin p tai cos p ei voia myöskään johtaa kaavan sin(x + y) = sin x cos y + cos x sin y tyyppisiä yksinkertaisia summakaavoja []. Trigonometriset funktiot voiaan määritellä lukuisilla tavoilla [3]. Tilanteesta riippuen voi olla järkevää käyttää erilaisia määritelmiä. Esimerkiksi tavalliset trigonometriset funktiot voiaan määritellä ifferentiaaliyhtälöön liittyvällä alkuarvo-ongelmalla [4][s. 43]. Tällöin sinifunktio määritellään siksi yksikäsitteiseksi funktioksi u : R R, joka ratkaisee (toisen asteen ifferentiaaliyhtälön olemassaolo- ja yksikäsitteisyyslauseen nojalla [5]) alkuarvo-ongelman u (x) + u(x) =, (1) u() =, () u () = 1. (3) Yksikäsitteisyyen nojalla tätä ominaisuutta voiaan käyttää sinifunktion määrittelemiseen. Eelleen tästä määritelmästä voiaan johtaa samat ominaisuuet kuin käänteisfunktiolla määritellyllä sinifunktiolla on, joista osa mainittiin eellä. 4
5 Kirjallisuuessa myös yleistetyille trigonometrisille funktiolle löytyy useita eri määritelmiä. Ne kaikki ovat laajennuksia tavallisten trigonometristen funktioien määritelmistä ja säilyttävät määritelmästä riippuen joitakin klassisten vastineiensa ominaisuuksista [3]. Siten myös sin p - ja cos p -funktiot voiaan määritellä eellä mainittua määrittelyä vastaavalla alkuarvo-ongelmalla. Ensimmäistä kertaa yleistettyjä trigonometrisia funktioita esiintyy ruotsalaisen matemaatikon Eric Lunbergin ( ) työssä Om hypergoniometriska funktioner af komplexa variabla. Lunberg tutki ifferentiaaliyhtälöitä [6] y x = (1 ± yp ) m/p, joista esimerkiksi valinnalla m = 1 Lunberg päätyi funktioihin, jotka tunnetaan nykyään sin p -, cos p - sekä tan p -funktiona. Myöhemmin 19-luvun puolella yleistetyt trigonometriset funktiot ovat olleet suosittu tutkimuskohe johtuen muun muuassa niien yhteyestä yksiulotteiseen p-laplace-operaattoriin []. Peter Linqvist [1] määrittelee yleistetyn sin ˆ p -funktion välillä ], π p [ siksi funktioksi u :], π p [ R, joka ratkaisee alla olevan Dirichtlet n ongelman ) ( u p u = λ u p u välillä ], π p [, x u() =, u(π p ) =. Eellä sin ˆ p -funktio on merkitty hatulla erotuksena tässä tutkielmassa käytettyyn sin p -funktioon. Näien funktioien välisen yhteyen ilmaisee yhtälö sin p = (p 1) 1/p sin ˆ p. Eellä mainittu Dirichtlet n ongelma voiaan esittää myös p-laplaceoperaattorin avulla, mikä kuvastaa yleistettyjen trigonometristen funktioen matemaattista merkitystä. Tutkimus p-laplace-operaattoriin liittyen on laajaa [3][s.7]. Eelleen myös fysiikassa esitettyjen kaltaiset reunaehto-ongelmat ovat yleisiä. Kappaleessa 6 johetaan myös eräs geometrinen tulkinta sin p - ja cos p -funktioille sekä arcsin-funktiolle. Lisäksi pohitaan vastaavan tyyppistä tulkintaa eräälle arcsinfunktiota vastaavalle yleisemmälle trigonometriselle funktiolle, joka esiintyy Lunbergin teoksessa [6]. Tavallinen yksikköympyrä voiaan nimittäin parametrisoia siten, että kehällä olevan pisteen x-koorinaatti on pistettä vastaavan kulman sini ja y- koorinaatti kulman kosini. Kun tavallisen yksikköympyrän sijaan tarkastellaan l p normilla määritettyä yksikköympyrää, saaaan sille vastaavanlainen parametrisointi yleistettyjä trigonometrisiä funktioita käyttäen. Itseasiassa vaatimus tällaisesta parametrisaatiosta voiaan ottaa yleistettyjen sini- ja kosinifunktioien perustaksi, jolloin pääytään samoihin funktioihin kuin käänteisfunktiomääritelmällä [3]. Käänteinen sinifunktio eli arcsin Kappaleien, 3 ja 4 päälähe on [4]. Määritellään funktio arcsin integraalimuotoisen käänteisfunktion avulla. Määrittely on tehään ensin avoimelle välille ] 1, 1[ ja 5
6 laajennetaan sitten myös päätepisteisiin. Tällöin voiaan toeta, että ensimmäisessä vaiheessa havaitut jatkuvuus, monotonisuus, sekä rajoittuneisuus periytyvät suljetulle välille [ 1, 1] määritellylle arcsin-funktiolle. Määritelmä 1. (Käänteinen sini-funktio, kun x ] 1, 1[) arcsin x := x, x ] 1, 1[. 1 t Määritelmä on mielekäs, koska funktio f : [, x] R, f(t) = 1 1 t on jatkuva suljetulla välillä [, x], sillä 1 t > 1 1 =. Siten funktio f on Riemann-integroituva välillä [, x]. Kun muuttuja x kuuluu välille ] 1, [, määritelmän integroitava funktio on vastaavalla tavalla Rieman-integroituva. Listataan joitakin arcsin-funktion ominaisuuksia, joita tarvitaan myöhemmässä vaiheessa. Lause 1. Funktio arcsin x on (a) jatkuva välillä ] 1, 1[, (b) erivoituva välillä ] 1, 1[ ja arcsin x x = 1 1 x, (c) aiosti kasvava, rajoitettu sekä injektiivinen funktio välillä ] 1, 1[ () sekä pariton funktio välillä ] 1, 1[. Toisin sanoen pätee arcsin x = arcsin x. Toistus. Olkoon funktio f : ] 1, 1[ R, f(t) = 1 1 t. (a) Koska funktio f(t) on jatkuva, myös sen integraalifunktio arcsin x on jatkuva. (b) Koska funktio f(t) on jatkuva, niin analyysin peruslauseen nojalla intergraalifunktio arcsin x = x f(t) on erivoituva ja (c) Kohan b) nojalla arcsin x x = f(x) = 1 1 x. arcsin x x = 1 1 x >, joten funktio arcsin x on aiosti kasvava. Sitten kun x saaaan 6
7 x arcsin x = 1 t x = = 1 t 1 x x u 1 u u 1 u = (1 (1 x) 1 ), koska 1 t 1 t kaikilla t [, 1[. Kolmannessa integraalissa käytettiin sijoitusta t(u) = u + 1. Jos taas x < saaaan arcsin x = x x = = 1 t 1 t 1 x x u 1 u u 1 u = (1 (1 x) 1 ), koska 1 t 1 t kaikilla t ] 1, [. Siten funktio arcsin on rajoitettu aion kasvavuuen nojalla. Myös injektiivisyys on seuraus aiosta kasvavuuesta. () Huomataan, että funktio f on parillinen, sillä f(t) = Siten muuttujanvaiholla t = k saaaan arcsin x = x 1 1 t = 1 1 ( t) = f( t). f(t) = x f( k)k = x f(k)k = arcsin x. Laajennetaan seuraavaksi arcsin-funktion määrittely suljetulle välille [ 1, 1]. Määrittely perustuu seuraavaan yleiseen tulokseen. 7
8 Lemma 1. Olkoon jatkuva funktio f : I R aiosti monotoninen ja rajoitettu avoimella välillä I =]a, b[. Tällöin välin I kuva f(i) on avoin ja rajoitettu väli, jolle f(i) = (inf f(i), sup f(i)). Lisäksi funktio f voiaan laajentaa jatkuvaksi, aiosti monotoniseksi ja rajoitetuksi funktioksi f suljetulle välille [a, b], siten että f ([a, b]) = [inf f (I), sup f (I)]. Toistus. Jatkuva kuvaus kuvaa välin väliksi [4][Theorem 5.3.8], joten f(i) on väli ja lisäksi rajoitettu, sillä funktio f on rajoitettu. Nyt täyellisyysaksiooman nojalla löytyy joukon f(i) supremum sekä täyellisyysaksiooman suorana seurauksena myös infimum. Koska funktio f on aiosti monotoninen ja lähtöjoukko eli väli I on avoin, tieetään että inf f(i) / f(i) ja sup f(i) / f(i), mikä nähään epäsuoran päättelyn avulla. Oletetaan, että funktio f on aiosti kasvava ja että löytyy a I, siten että f(a ) inf f(i). Nyt välin I avoimuuen nojalla löytyy myös a 1 I : a 1 < a, jolle f(a 1 ) < f(a ) inf f(i), mikä on ristiriita. Samaan tapaan voiaan osoittaa, että sup f(i) / f(i). Siten on f(i) =] inf f(i), sup f(i)[. Jos funktio f olisi aiosti vähenevä, väite voitaisiin toistaa samantapaisella päättelyllä. Oletetaan eelleen, että funktio f on aiosti kasvava ja määritellään nyt funktio f(x), x I, f (x) = inf f(i), x = a, sup f(i), x = b. Määritelmästä seuraa, että funktio f on aiosti kasvava aiemman käänteisen päättelyn perusteella. Myös funktion f rajoittuneisuus seuraa suoraan määritelmästä. Olkoon sitten < ɛ < sup f(i) inf f(i). Nyt Bolzanon lauseen sekä infimumin määritelmän nojalla inf f(i) + ɛ f(i). Toisin sanoen löytyy a I, jolle f(a ) = inf f(i) + ɛ f(i). Siten f (a) f (a ) = inf f(i) f(a ) = inf f(i) inf f(i) ɛ = ɛ < ɛ. Olkoon nyt x [a, a ] ja δ = a a >, jolloin aion kasvavuuen nojalla f (a) f (x) inf f(i) f(a ) < ɛ, kaikilla x a < δ. Siten funktio f on jatkuva pisteessä x = a. Vastaavalla tavalla voiaan toeta jatkuvuus pisteessä x = b, jolloin funktio f on jatkuva koko välillä I funktion f jatkuvuuen nojalla. Myös aiosti vähenevän funktion f laajennuksessa välille [a, b] jatkuvuus sekä aito monotonisuus voiaan osoittaa vastaavalla tavalla kuin aiosti kasvavalle funktiolle f nyt osoitettiin. Lauseen 1 nojalla funktio arcsin toteuttaa lemman 1 oletukset avoimella välillä ] 1, 1[, joten seuraava funktion arcsin määrittelyn laajennus on perusteltua. 8
9 Seuraus 1. Funktion arcsin määrittely voiaan laajentaa suljetulle välille [ 1, 1] niin, että funktiosta tulee jatkuva, aiosti kasvava sekä rajoitettu ja arcsin [ 1, 1] = [c, ], missä c = inf{arcsin x, x ] 1, 1[} = lim arcsin x = x 1 + lim x x 1 + x = sup{arcsin x, x ] 1, 1[} = lim arcsin x = lim x 1 x 1 Nyt funktion arcsin parittomuuen nojalla Määritellään luku π seuraavasti. Määritelmä. c = lim arcsin x x 1 + = lim arcsin x x 1 + = lim arcsin x x 1 =. π = arcsin 1. 1 t ja 1 t. Eli yllä mainittu arcsin-funktion kuvajoukko [c, ] on siis [ π, π ]. Eelleen määritelmän nojalla π = arcsin 1 = sup{arcsin x : 1 < x < 1} = lim arcsin x x 1 = lim x 1 x 1 t. Huomattakoon, että myös kappaleessa 4 määritellyn kosinifunktion käänteisfunktio voiaan määritellä manipuloimalla arcsin-funktion käänteisfunktiomääritelmää. 3 Sinifunktio 3.1 Sinifunktion määritelmä Tässä kappaleessa määritellään sinifunktio vaiheittain ensin arcsin-funktion käänteisfunktiona ja sitten määrittelyväliä pientämällä ja lopulta laajentamalla sinifunktion 9
10 määrittelyä jaksolliseksi koko reaaliakselille. Määritelmät asetetaan siten, että sinifunktio perii arcsin-funktiolta tärkeitä ominaisuuksia kuten jatkuvuuen ja parittomuuen. Seuraavan lauseen nojalla on olemassa arcsin-funktion käänteisfunktio, joka perii arcsin-funktion ominaisuuksia. Toistus sivuutetaan, mutta se löytyy lähteestä [4][Corollary 5.5.3]. Lause. Olkoon I epätyhjä väli ja f : I R jatkuva ja aiosti monotoninen. Tällöin on olemassa käänteisfunktio f 1 : f(i) I, joka on myös jatkuva ja aiosti monotoninen. Lisäksi seuraava lause takaa, että myös arcsin-funktion parittomuus periytyy sinifunktiolle. Lause 3. Olkoot välit A ja B epätyhjiä ja välillä A pariton funktio f : A B sellainen, että sille löytyy käänteisfunktio f : B A. Tällöin myös käänteisfunktio f 1 (x) on pariton välillä B. Toistus. Nyt kaikilla x B on f 1 ( f(x)) = f 1 (f( x)) = x = f 1 (f(x)). Lauseen 1 nojalla funktio arcsin toteuttaa lauseen oletukset ja siten löytyy arcsin-funktion käänteisfunktio. Määritelmä 3. Sinifunktio välillä [ π, π] Funktion arcsin käänteisfunktio, sin : [ π, π ] [ 1, 1], nimetään sinifunktioksi. = 1. Vastaa- Huomautus 1. (a) Määritelmän 1 nojalla arcsin 1 = π, joten sin π valla tavalla nähään, että sin π = 1. (b) Funktio sin x on jatkuva ja aiosti kasvava välillä [ π, π ]. (c) Koska arcsin-funktio on pariton välillä [ 1, 1], lauseen 3 nojalla funktio sin x on pariton välillä [ π, π ]. Pyritään määrittelemään sinifunktio koko reaaliakselille. Tätä varten tarvitaan jaksollisuuen käsitettä. Määritelmä 4. Funktio f : R R on jaksollinen jaksolla n >, jos kaikille x R pätee f(x) = f(x + n). Huomautus. Inuktioperitaatteen nojalla eellisen määritelmän merkinnöin funktiolle f pätee myös f(x) = f(x + nk), kaikilla k Z. Sinifunktion määrittelyn laajentaminen jaksollisesti määritellyksi koko reaaliakselille perustuu seuraavaan lauseeseen. 1
11 Lause 4. Suljetulla välillä [a, a + n] jatkuva sekä jaksolla n jaksollinen funktio f : R R on jatkuva ja rajoitettu kaikkialla R:ssä. Toistus. Olkoon x R sellainen, että x + nk ]a, a + n[, jollakin k Z. Siten lauseen oletuksilla ja jatkuvuuen raja-arvomääritelmän nojalla funktio f on tälloin jatkuva, sillä lim f(x) = lim f(x + nk) = f(x + nk) = f(x ) R. x x x x Olkoon sitten x R sellainen, että x + nk = a, jollakin k Z, jolloin x + n(k + 1) = a + n. Osoitetaan, että tällaisissa pisteissä toispuoleiset raja-arvot ovat olemassa ja yhtä suuret. Jaksollisuuen ja jatkuvuuen nojalla lim x x f(x + nk) = lim f(x + n(k + 1)) x x = f(a + n) = f(a) = lim f(x + nk). x x + Jos pisteet x R ovat muotoa x +nk = a+n, jollakin k Z, voiaan jatkuvuus toistaa vastaavalla laskulla. Siten funktio f on jatkuva ja rajoitettu R:ssä. Ennen kuin käytetään jaksollisuutta sinifunktion määritelmän laajentamiseksi, määritellään sinifunktio välille [ π, 3π] peilauksena itsestään suoran x = π suhteen. Tämän ansiosta sinifunktio säilyttää jatkuvuusominaisuutensa. Määritelmä 5. Välille [ π, 3π ] määritellään sin x = sin (x π). Määritelmä on mielekäs, sillä kun x [ π, 3π ] on x π [ π, π ]. Huomautus 3. (a) Sinifunktio on jatkuvien funktioien yhistettynä funktiona jatkuva välillä ] π, 3π]. (b) Sinifunktio on jatkuva pisteessä x = π, koska toispuoleiset raja-arvot ovat olemassa ja yhtyvät funktion arvoon tässä pisteessä. Eli huomautuksen 1 nojalla on lim sin x = sin π x π = 1 = sin ( π ) = lim sin x. x π + = lim sin (x π) x π + = lim sin x. x π + Siten lim sin x = 1 = sin π, mistä seuraa jatkuvuus pisteessä x = π x π. 11
12 Ylläolevan sekä huomautuksen 1 ja nojalla sin : [ π, 3π ] [ 1, 1] on jatkuva ja sin( π) = 1 = sin( 3π ). Siten lauseen 4 nojalla sinifunktion määritelmä voiaan laajentaa jaksolliseksi, jatkuvaksi sekä rajoitetuksi funktioksi reaaliakselille, sillä kaikille x R löyetään n Z, jolle x + nπ [ π, 3π]. Määritelmä 6. Olkoon x R. Valitaan tällöin n Z siten, että x + nπ [ π, 3π ] ja asetetaan sin(x) = sin(x + nπ). Seuraus. Funktio sin(x) on pariton koko reaaliakselilla. Toistus. Koska sinifunktio on huomautuksen 1 nojalla pariton välillä [ π, π ], on se pariton myös välillä [ 3π, 3π]. Nimittäin jos x [ π, 3π ], niin määritelmän 5 nojalla sin(x) = sin(x π) = sin(π x) = ( sin(π x π)) = sin( x), missä x [ 3π, π], joten myös tämä väli tuli tarkistettua. Olkoon sitten x R. Nyt löytyy n Z siten, että x + nπ [ π, 3π ]. Siten määritelmän 6 nojalla sin(x ) = sin(x + nπ) = sin( x + nπ) = sin( x + nπ nπ) = sin( x ). 3. Sinifunktion erivoituvuus Tässä kappaleessa osoitetaan vaiheittain sinifunktion erivoituvuus ja määritetään sen erivaattafunktio. Ensin toetaan, että erivoituvuus periytyy arcsin-funktiolta sinifunktiolle avoimella välillä ] π, π[. Tämän jälkeen erivoituvuus välillä ] π, 3π[ on melko ilmeinen, koska sinifunktio määriteltiin tälle välille peilauksena itsestään. Sinifunktion palottaisen määrittelyn takia erivoituvuus pisteissä π + nπ, n R täytyy tarkastaa erikseen. Nyt koska sinifunktio on määritelty käänteisfunktiona arkussinistä, tarvitaan ensin tietoa käänteisfunktion erivoituvuuesta. Tämän tieon avulla voiaan päätellä erivoituvuus myös sinifunktiolle. Lause 5. Oletetaan, että injektiivinen funktio f on jatkuva avoimella välillä I. Jos funktio f on erivoituva pisteessä x I ja f (x ), niin myös käänteisfunktio f 1 on erivoituva pisteessä y = f(x ) ja Toistus. Katso [4][Theorem 6..4]. y f 1 (y) = 1 f (x ). 1
13 Lemma. Sinifunktio on erivoituva välillä ] π, π [ ja kaikille x ] π, π [, x sin x = 1 sin x. Toistus. Lauseen 1 nojalla funktio y(x) = arcsin x toteuttaa lauseen 5 oletukset avoimella välillä ] 1, 1[, sillä y (x) = arcsin x = 1 x 1 x > 1 1 >. Siten lauseen 5 nojalla arsin-funktion käänteisfunktio x(y) = sin y on erivoituva jokaisessa pisteessä y ] arcsin 1, arcsin 1[=] π, π[ ja y sin y = y x(y) = 1 y (x) = 1 1 = 1 x = 1 sin y. 1 x Tästä tuloksesta seuraa sinifunktion erivoituvuus koko reaaliakselilla sinifunktion ominaisuuksien takia. Koska sinifunktio on määritelty paloittain myös erivoituvuutta on tarkasteltava paloittain. Lemma 3. Sinifunktio on erivoituva välillä ] π, 3π[ ja kaikilla x ] π, 3π[ on sin x = x 1 sin x. Toistus. Olkoon f : ] π, π[ R, f(x) = sin x ja g : ] π, [ 3π : ] π, π [, g(x) = x π. Koska nämä funktiot ovat erivoituvia on ketjusäännön nojalla niien yhistetty funktio f g : ] π, 3π [ R, f(g(x)) = sin(x π) erivoituva. Tällöin ketjusäännön ja määritelmän 5 nojalla kaikille x ] π, 3π[ on x sin x = ( sin(x π)) x = (f g) (x) = f (g(x))g (x) = 1 sin (x π) = 1 sin (x). Seuraava ehto erivoituvuuelle on suora seuraus erivaatan määritelmästä. Lausetta tarvitaan sinifunktion erivoituvuuen määrittämiseen pisteessä π sekä myöhemmin pisteissä π ja 3π. Lause 6. Olkoon x välin I R sisäpiste ja f : I R. Tällöin f (x ) on olemassa, jos ja vain jos sekä vasemmanpuoleinen erivaatta f (x ) että oikeanpuoleinen erivaatta f +(x ) ovat olemassa ja f (x ) = f (x ) = f +(x ). 13
14 Huomattakoon, että eellisessä lauseessa merkintä f (x ) tarkoittaa erotusosamäärän raja-arvoa, kun pistettä x lähestytään vasemmalta ja f +(x ) vastaavasti erotusosamäärän raja-arvoa, kun pistettä x lähestytään oikealta. Sinifunktio on erivoituva pisteen π läheisyyessä ja tässä pisteessä erivaatan toispuoleiset raja-arvot ovat löyettävissä. Tämän tieon sekä seuraavan lauseen nojalla erivaatta pisteessä π voiaan määrittää lauseen 6 avulla. Lause 7. (a) Olkoon funktio f erivoituva avoimella välillä ]x σ, x [ sekä jatkuva suljetulla välillä [x σ, x ], missä σ >. Tällöin jos lim f (x ) on olemassa, x x niin myös vasemmanpuoleinen erivaatta f (x ) on olemassa ja lim f (x ) = x x f (x ). (b) Olkoon funktio f erivoituva avoimella välillä ]x, x +σ[ sekä jatkuva suljetulla välillä [x σ, x ], missä σ >. Tällöin jos lim f (x ) on olemassa, niin myös x x + oikeanpuoleinen erivaatta f +(x ) on olemassa ja lim f (x ) = f +(x ). x x + Toistus. (a) Differentiaalilaskennan väliarvolauseen nojalla kaikille σ > löytyy c ]x σ, x [ siten, että f (c) = f(x ) f(x σ). x (x σ) Nyt kun σ, niin c x, joten lim σ f (c) = lim x x lim f (x) = lim f (c) x x σ f(x ) f(x σ) = lim σ x (x σ) f(x) f(x ) = lim x x x x = f (x ). f (x) R. Siten (b) Vastaavalla tavalla voiaan osoittaa erotusosamäärän oikeanpuoleisen raja-arvon olemassaolo. Lemma 4. Sinifunktio on erivoituva pisteessä x = π ja tässä pisteessä sin x =. x 14
15 Toistus. Sinifunktio f(x) = sin x on jatkuva välillä [ π, 3π ], joten lim sin x = lim 1 sin x x x π x π = = lim x π + = lim x π + ( ) 1 sin x sin x. x Koska sinifunktio on lisäksi erivoituva väleillä ] π, π[ sekä ] π, 3π [, on lauseen 7 nojalla f ( π ) = lim x π Nyt koska π on välin [ π, 3π sin( π) =. x x sin x = = lim x π + Suorana seurauksena saaaan seuraava tulos. x sin x = f +( π ). ] sisäpiste, on lauseen 6 nojalla sin( π ) olemassa ja x Seuraus 3. Sinifunktio on erivoituva välillä ] π, 3π [ ja x sin x = { 1 sin x, kun x ] π, π ], 1 sin x, kun x [ π, 3π [. Seuraavan lauseen nojalla sinifunktion erivoituvuus välillä perityy koko reaaliakselille samaan tapaan kuin jatkuvuuskin (katso lause 4). Lause 8. Jaksolla n R jaksollinen sekä jokaisessa välin [a, a+n[ pisteessä (molemmin puolin) erivoituva funktio f : R R on erivoituva R:ssä ja f on jaksollinen jaksolla n. Toistus. Olkoon x R. Nyt jollakin k Z on x nk [a, a + n[. Siten lauseen oletuksilla on f(x + h) f(x ) lim h h f(x nk + h) f(x nk) = lim h h = f (x nk) R. Toisaalta tällöin f (x ) = f (x nk) kaikilla k Z, koska x oli mielivaltaisesti valittu. Seuraus 4. x sin x = { 1 sin x, kun x + nπ [ π, π ] jollekin n Z, 1 sin x, kun x + nπ [ π, 3π ] jollekin n Z. 15
16 Toistus. Toistetaan ensin sinifunktion erivoituvuus pisteessä x = π samaan tapaan kuin se lemmassa 4 tehtiin pisteelle x = π. Sinifunktio f(x) = sin x on jatkuva välillä [ π, 3π ], joten sinifunktion määrittelyjen sekä lemman 4 nojalla on lim x π x sin x = lim x π = lim x π = lim x π = = lim x π + = lim x π + sin(x π) x sin(x π + nπ) x x sin(x) ( ) 1 sin (x) x sin(x). Lisäksi sinifunktio on erivoituva välillä ] π, 3π [ ja eelleen jaksollisuuen sekä lemman 7 nojalla erivoituva välillä ] 5π, π[, sillä kun x ] 5π, π[ on x + π ] π, 3π [. Tällöin sinifunktion määrittelyjen nojalla sin(x + h) sin(x ) lim h h Siten lauseen 7 nojalla f ( π ) = lim x π x = lim h sin(x + π + h) sin(x + π) h = x sin(x + π) R. sin x = = lim x π + x sin x = f +( π ). Nyt koska π on välin ], [ sisäpiste, on erivaatta tässä pisteessä lauseen 6 nojalla olemassa ja sin( π) =. Derivoituvuus pisteessä 3π voiaan toistaa x vastaavalla tavalla ja tässä pisteessä sin( 3π) =. x Koska jaksollinen sinifunktio on erivoituva pisteissä x + nπ [ π, 3π ], on se lauseen 8 nojalla erivoituva R:ssä. Olkoon nyt x R. Tällöin löytyy n Z siten, että x + nπ [ π, 3π ], jolloin seurauksen 3 nojalla { x sin x = 1 sin x sin(x+nπ) = x, kun x + nπ [ π, π ] jollekin n Z, 1 sin x, kun x + nπ [ π, 3π [ jollekin n Z. 16
17 4 Kosinifunktio Määritellään seuraavaksi kosinifunktio sinifunktion erivaattana. Määrittely tehään paloittain, jotta samalla nähään, että kosinifunktio on jatkuva koko reaaliakselilla. Tämän jälkeen osoitetaan, että kosinifunktiolla on vastaavia ominaisuuksia kuin sinifunktiolla, joita ovat jatkuvuuen lisäksi parillisuus, erivoituvuus ja rajoittuneisuus. Lisäksi osoitetaan sini- ja kosinifunktioien välisiä yhteyksiä, joista mainittakoon erityisesti Pythagoraan trigonometrinen ientiteetti. Määritelmä 7. Välille [ π, 3π ] määritellään cos x siten, että cos x = x sin x = { 1 sin x, kun x [ π, π ], 1 sin x, kun x [ π, 3π ]. Huomautus 4. (a) cos π = cos π = cos 3π = ja cos = cos π = 1. (b) Kosinifunktio on jatkuvien funktioien yhistettynä funktiona jatkuva välillä [ π, 3π], sillä jatkuvuus pisteessä π perustuu siihen, että toispuoleiset raja-arvot yhtyvät funktion arvoon tässä pisteessä (katso huomautus 3). Nyt voimme laajentaa määritelmän koko reaaliakselille siten, että jatkuvuus säilyy. Määritelmä 8. Määritellään kosinifunktio jaksolliseksi siten, että kaikille x R asetetaan cos x = cos(x + nπ), missä n Z on sellainen, että x + nπ [ π, 3π ]. Huomautus 5. (a) Huomautuksen 4 sekä määritelmän 8 nojalla cos( π + nπ) = ja cos( + nπ) = cos(π + nπ) = 1 kaikilla n Z. (b) Huomautuksen 4 sekä lauseen 4 nojalla kosinifunktio on jatkuva ja rajoitettu koko reaaliakselilla. Seuraava tulos lienee merkittävimpiä tuloksia sini- ja kosinifunktiolle. Kappaleessa 6 osoitetaan, että sini- ja kosinifunktion avulla voiaan parametrisoia yksikköympyrä tätä tulosta hyöyntäen. Seuraus 5. Sini- ja kosinifunktioille on voimassa Pythagoraan trigonometrinen ientiteetti, jonka mukaan sin x + cos x = 1 kaikille x R. Toistus. Kosinifunktion määrittelyjen perusteella kaikille x R on ( sin x + cos x = sin x + ± 1 sin x) = 1. Seuraavan lemman avulla voiaan osoittaa, että kosinifunktio on parillinen eli cos( x) = cos x kaikilla x R. Lemma 5. Oletetaan, että A ja B ovat epätyhjiä välejä ja f : A B on erivoituva funktio. Tällöin 17
18 (a) jos f on pariton, niin f on parillinen, (b) jos f on parillinen, niin f on pariton. Toistus. (a) Oletetaan, että f on pariton ja erivoituva. Nyt toisaalta kejusäännön nojalla ja toisaalta parittomuuen perusteella x f( x) = f ( x) ( 1) = f ( x) x f( x) = x ( f(x)) = x f(x) = f (x). Koska molempien tapojen pitää johtaa samaan lopputulokseen, saaaan f ( x) = f (x) eli f ( x) = f (x). Derivaattafunktio f on siis parillinen. (b) Voiaan toistaa vastaavalla tavalla kuin kohta a. Seuraus 6. Kosinifunktio on parillinen. Toistus. Sinifunktion parittomuuen, kosinifunktion määrittelyjen sekä lemman 5 nojalla kosinifunktio on parillinen, sillä sinifunktion määrittely- sekä maalijoukko ], [ on epätyhjä väli. Kosinifunktion erivoituvuus on parillisuuen tapaan seuraus kosinifunktion määrittelystä sinifunktion avulla. Lause 9. Sinifunktio ja kosinifunktio ovat kaikkialla erivoituvia ja kaikille x R, x sin x = cos x ja cos x = sin x. x Toistus. Ensimmäinen yhtälö on suora seuraus sinifunktion erivoituvuuesta reaaliakselilla sekä kosinifunktion määrittelmästä. Kosinifunktio on erivoituva joukossa R \ { π + nπ, n Z} yhistettynä funktiona f g : R R erivoituvista funktioista g : R R + : 1 sin x ja f : R + R, f(x) = x. Eellä yhistetty funktio (f g) (x) = 1 sin x on hyvin määritelty, sillä sinifunktion määrittelyjen nojalla 1 sin x > 1 1 =. Pisteissä x n = π + nπ, n Z kosinifunktion määrittelyjen sekä huomautuksen 5 nojalla on 18
19 (f g) (x n ) = lim h = lim h + = lim h + = sin(x n ), 1 sin (x n + h) 1 sin x n h 1 sin (x n h) h ( sin(x n h)) 1 sin (x n h)( 1) 1 sin (x n h) 1 missä toiseksi viimeinen yhtäsuuruus perustuu L Hôpitalin sääntöön sekä ketjusääntöön. Samaan tapaan myös (f g) 1 sin (x n + h) 1 sin x n +(x n ) = lim h + h ) = lim h + = sin x n. ( ( sin(x n+h)) 1 sin (x n+h) 1 1 sin (x n+h) Vastaavasti kaikille x n = 3π + nπ, n Z voiaan samantapaisella laskulla osoittaa, että (f g) (x n ) = (f g) +(x n ) = sin(x n ). Eelleen pisteet { π + nπ, n Z} { π + nπ, n Z} = { π + nπ, n Z} ovat välin ], [= R sisäpisteitä, joten kosinifunktio on lauseen 6 nojallla erivoituva näissä pisteissä. Olkoon sitten x ] π, π [, tällöin ketjusäännöllä saaaan x cos x = 1 sin x x = 1 ( sin x cos x)(1 sin x) 1/ = sin x(1 sin x) 1/ (1 sin x) 1/ = sin x. Kun x ] π, 3π [ saaaan ketjusäännöllä x cos x = 1 sin x x = 1 ( sin x cos x)(1 sin x) 1/ = sin x( (1 sin x) 1/ )(1 sin x) 1/ = sin x. 19
20 Siten kaikille x R löytyy n Z siten, että x + nπ [ π, 3π ], jolloin x sin x = sin(x + nπ) = cos x x ja x cos x = cos(x + nπ) = sin x. x Toetaan seuraavaksi joitakin ominaisuuksia sini- ja kosinifunktioille. Lause 1. Sini- ja kosinifunktiolle on voimassa seuraavat ientiteetit. (a) sin(x + y) = sin x cos y + cos x sin y, (b) sin( π x) = cos x ja cos( π x) = sin x, (c) cos(x + y) = cos x cos y sin x sin y. Toistus. (a) Olkoon x ja y mielivaltaisia reaalilukuja sekä z = x + y. Nyt kaikilla t R, on (sin t cos(z t) + cos t sin(z t)) = cos t cos(z t) + sin t sin(z t) sin t sin(z t) cos t cos(z t) =. Siten sin t cos(z t) + cos t sin(z t) := K on vakio, koska ainoastaan vakiofunktion erivaatta on nolla kaikkialla. Nyt kun asetetaan t =, saaaan K = + 1 sin(z) = sin z ja kun asetetaan t = x, saaaan K = sin x cos(z x) + cos x sin(z x) = sin x cos y + cos x sin y, sillä z = x + y. Tämä toistaa kohan a väitteen. (b) Olkoon x, y R. Nyt kohan (a) ja kosinifunktion parillisuuen nojalla sin( π x) = sin(π ) cos( x) + cos(π ) sin( x) = cos( x) + = cos(x). Tämä toistaa b-kohan ensimmäisen yhtälön. Kun tähän yhtälöön sijoitetaan x = π y saaaan cos( π y) = sin( π π +y) = sin y, mikä toistaa jälkimmäisen yhtälön.
21 (c) Eelleen kun x, y R, saaaan kohtien (b),(a) sekä sinifunktion parittomuuen ja kosinifunktion parillisuuen nojalla cos(x + y) = sin( π x y) = sin( π x) cos( y) + cos(π = cos x cos y sin x sin y. x) sin( y) 5 Yleistetyt trigonometriset funktiot Määritellään seuraavaksi eellä määriteltyjen trigonometristen funktioien yleistykset, joita merkitsemme alaineksillä p. Määritelmät ovat muunnelmia tavallisten trigonometristen funktioien määritelmistä ja niien käsittelyssä pyritään nouattamaan samaa rakennetta kuin aiemmissa kappaleissa. Määrittelyt tehään paloittain, koska jatkuvuuen, erivoituvuuen sekä parillisuuen tai parittomuuen osoittaminen vaatii joienkin pisteien osalta tarkempaa tarkastelua. Tämän kappaleen päälähe on [7]. 5.1 Käänteinen sin p -funktio eli F p Määritellään yleistetty arcsin-funktio eli funktio F p arcsin-funktion määritelmää varioimalla. Määritelmä 9. Olkoon 1 < p < ja F p (x) := x, x [, 1[. (1 t p ) 1/p 1 Määritelmä on mielekäs, koska funktio f : [, x] R, f(t) = on jatkuva (1 t p ) 1/p suljetulla välillä [, x]. Siten funktio f on Riemann-integroituva välillä [, x]. F p -funktiolla on välillä [, 1[ samoja ominaisuuksia, joita arcsin-funktiolle toettiin välillä ] 1, 1[ (katso lause 1). Lause 11. Funktiolla F p (x) on seuraavat ominaisuuet (a) F p (x) on jatkuva välillä [, 1[. (b) F p (x) on erivoituva avoimella välillä ], 1[ ja tällä välillä F p (x) x = (1 x p ) 1/p. (c) F p (x) on aiosti kasvava, rajoitettu sekä injektiivinen funktio välillä [, 1[. 1
22 Toistus. Toistukset voiaan tehä samaan tapaan, kuin lauseessa 1. Funktion F p jatkuvuus ja erivoituvuus seuraavat integroitavan funktion jatkuvuuesta analyysin peruslauseen nojalla. Derivaattaa tutkimalla nähään aito kasvavuus. Eelleen aiosta kasvavuuesta seuraa suoraan injektiivisyys. Tarkistetaan rajoittuneisuus samaan tapaan kuin tapauksessa p =. Kun p ]1, [, on voimassa epäyhtälö 1 t 1 t p, kaikilla t [, 1[. Siten F p = x x = (1 t p ) 1 p (1 t) 1 p 1 x 1 1 = ( = 1 x u 1 p u 1 1 p + 1 u 1 p u ) ( 1 (1 x) 1 p +1) R. Kolmannessa integraalissa käytettiin sijoitusta t(u) = u + 1. Eelleen joten F p. (1 t p ) 1 p, Lauseen 11 nojalla funktio F p toteuttaa lemman 1 oletukset avoimella välillä ], 1[, joten seuraava määrittelyn laajennus on perusteltua. Seuraus 7. Laajennetaan funktion F p määrittely suljetulle välille [, 1] niin, että funktiosta tulee jatkuva, aiosti kasvava sekä rajoitettu ja missä F p [, 1] = [, c], x c = inf{f p (x), x [, 1[} = lim F p(x) = lim x + x + c = sup{f p (x), x [, 1[} = lim x 1 F p(x) = lim x 1 Määritellään luku π p seuraavasti Määritelmä 1. π p = F p (1). x = ja (1 t p ) 1/p (1 t p ). 1/p
23 Eelleen määritelmän 1 nojalla 5. Funktio sin p π p = F p (1) = sup{f p (x) : x < 1} = lim F p(x) x 1 = lim x 1 x (1 t p ) 1/p. Tässä kappaleessa määritellään funktio sin p siten, että sillä on samoja ominaisuuksia kuin sinifunktiolla. Lisäksi sin p -funktio yhtyy sinifunktioon eli sin (x) = sin(x), kun p =. Niissä toistuksissa, jotka nouattelevat lähes samaa rakennetta kuin sinifunktion yhteyessä, jätetään toistusten täsmällinen toteaminen lukijalle. Lauseen 11 nojalla funktio F p toteuttaa lauseen oletukset ja siten sille löytyy käänteisfunktio, jota kutsutaan sin p -funktioksi. Määritelmä 11. sin p -funktio välillä [, πp ] sin p : [, π p ] [, 1]. Huomautus 6. (a) Määritelmän 9 nojalla F p () = ja F p (1) = πp, joten sin p() = ja sin p ( πp ) = 1. (b) Lauseen nojalla funktio sin p (x) jatkuva ja aiosti kasvava välillä [, πp ]. Laajennetaan määrittely välille [ π p, π p ] peilaamalla funktio sin p ensin suoran x = πp ja sitten origon suhteen. Määritelmä 1. (a) Kun x [ πp, π p] määritellään (b) Kun x [ π p, ] määritellään sin p (x) = sin p (x π p ). sin p (x) = sin p ( x). Huomautus 7. (a) Funktion sin p jatkuvuus pisteissä x = πp sekä x = nähään samalla tapaan kuin huomautuksen 3 yhteyessä nähtiin. Siten funktio sin p on jatkuvien funktioien yhistettynä funktiona jatkuva välillä [ π p, π p ]. (b) Määritelmän 1 nojalla sin p (x) on pariton välillä [ π p, π p ]. 3
24 Määritelmä 13. Kaikille x R määritellään sin p (x) = sin p (x + nπ p ). Huomautus 8. Määritelmän perusteella 1 sin p (x), kun x + nπ p [ π p, ] ja sin p (x) 1, kun x + nπ p [, π p ], jollekin n Z. Seuraus 8. Funktio sin p on pariton koko reaaliakselilla. Toistus. Kaikille x R löytyy n Z siten, että x + nπ p [ π p, π p ]. Tällöin huomautuksen 7 sekä sin p -funktion määrittelyien nojalla sin p (x) = sin p (x + nπ p ) = sin p ( x nπ p ) = sin p ( x). 5.3 Funktion sin p erivoituvuus Samoin kuin eellä tässä kappaleessa ilmeisimmät toistukset jätetään lukijalle pääsääntöisesti silloin, kun voiaan viitata vastaaviin toistuksiin sinifunktion yhteyessä. Funktion sin p -erivoituvuus on sinifunktion tapaan seuraus käänteisfunktion erivoituvuuesta. Seuraava lemma voiaan toistaa vastaavasti kuin lemma, mutta tuloksen merkittävyyen vuoksi myös toistus kirjoitetaan auki. Lemma 6. Funktio sin p on erivoituva välillä ], πp πp [ ja kaikille x ], [, x sin p x = (1 (sin p (x)) p ) 1/p. Toistus. Lauseen 11 nojalla funktio y(x) = F p (x) on toteuttaa lauseen 5 oletukset avoimella välillä ], 1[, sillä y (x) = F x p(x) = (1 x p ) 1/p > (1 p ) 1/p >. Siten lauseen 5 nojalla on funktion y(x) käänteisfunktio x(y) = sin p (y) erivoituva jokaisessa pisteessä y ]F p (), F p (1)[=], πp [, jolloin y sin p(y) = y x(y) = 1 y (x) = 1 (1 x p ) = (1 1/p xp ) 1/p = (1 (sin p (y)) p ) 1/p. Lemmasta 6 seuraa erivoituvuus koko reaalikselille sin p -funktion ominaisuuksien takia. Toistetaan erivoituvuus paloissa kuten sinifunktion yhteyessä tehtiin. Seuraava lemma voiaan toistaa vastaavasti kuin lemma 3. Lemma 7. Funktio sin p (x) on erivoituva välillä ] πp, π p[ ja kaikilla x ] πp, π p[ on sin x p(x) = (1 (sin p (x)) p ) 1/p. Lemma 8. Funktio sin p (x) on erivoituva väleillä ] π p, πp (a) kun x ] πp, [, on sin x p(x) = (1 sin p (x) p ) 1/p, (b) kun x ] π p, πp [, on sin x p(x) = (1 sin p (x) p ) 1/p. 4 πp [ sekä ], [ ja
25 Toistus. (a) Kun x ] πp πp, [ on x ], [, jolloin määritelmän 1, lemman 6 ja ketjusäännön nojalla x sin p(x) = x sin p( x) = ( (1 (sin p ( x)) p ) 1/p ) = (1 (sin p ( x)) p ) 1/p = x sin p(x) = (1 sin p (x)) p ) 1/p, sillä kun x ] π p, [ on sin p ( x) = sin p (x) = sin p (x) määritelmän 1 ja huomautuksen 8 nojalla. (b) Kun x ] π p, πp πp [ on x ], π p[, jolloin määritelmän 1, lemman 7 ja ketjusäännön nojalla x sin p(x) = x sin p( x) = ( ( (1 (sin p ( x)) p ) 1/p )) = (1 (sin p ( x)) p ) 1/p = (1 sin p (x)) p ) 1/p, sillä kun x ] π p, [ on sin p ( x) = sin p (x) = sin p (x) määritelmän 1 ja huomautuksen 8 nojalla. Funktion sin p erivaatan raja-arvot molemmin puolin pisteitä πp πp,, ovat löyettävissä (ja ne ovat samoja). Tämän tieon sekä lauseien 7 ja 6 avulla voiaan osoittaa sin p -funktion erivoituvuus näissä pisteissä samaan tapaan kuin sinifunktion yhteyessä näytettiin pisteelle πp lemmassa 4. Lemma 9. Funktio sin p on erivoituva pisteissä πp sekä sin x p() = 1.,, πp ja x sin p( πp ) = x sin p( πp ) = Kun yhistetään yllä olevat lemmat, niin saaaan huomautuksen 8 nojalla Seuraus 9. Funktio sin p on erivoituva väleillä ] πp, πp ], ] π p, πp { x sin (1 sin p (x) p ) 1/p, kun x ] πp p(x) =, πp ], (1 sin p (x) p ) 1/p, kun x ] π p, πp ] sekä [ πp, π p[ ja ] tai x [ πp, π p[. Tästä seuraa sinifunktion erivoituvuus koko reaaliakselille. Tämän toistaminen voiaan tehä siten, että ensin osoitetaan määritelmän 1 ja lauseen 6 avulla erivoituvuus pisteissä π p ja π p. Sitten käytetään jaksollisuutta (lause 8), jonka avulla nähään, että funktio sin p on erivoituva reaaliakselilla. Toistus nouattelee seurauksen 4 toistuksen rakennetta. 5
26 Seuraus 1. Funktio sin p on erivoituva reaaliakselilla ja x sin p(x) = jollekin n Z. { (1 sin p (x) p ) 1/p, kun x + nπ p [ πp (1 sin p (x) p ) 1/p, kun x + nπ p [ π p, πp p [ πp p], 5.4 Funktio cos p Määritellään funktio cos p funktion sin p erivaattana. Tehään määrittely tällä kertaa heti koko reaaliakselille ja toetaan sitten, että saatu funktio on kosinifunktion tapaan jaksollinen, jatkuva, rajoitettu sekä parillinen. Tulosten yksityiskohtainen toistaminen sivuutetaan, mutta se voitaisiin toteuttaa samalla rakenteella kuin kosinifunktion yhteyessä tehtiin. Määritelmä 14. Määritellään funktio cos p (x) : R R kaavalla { cos p (x) = x sin (1 sin p (x) p ) 1/p, kun x + nπ p [ πp p(x) =, πp ], (1 sin p (x) p ) 1/p, kun x + nπ p [ π p, πp ] tai x + nπ p [ πp, π p], jollakin n Z. Funktio cos p on jaksollinen jaksolla π p ja jatkuvien funktioien yhistettynä funktiona jatkuva välillä [ π, 3π], sillä jatkuvuus pisteessä π seuraa toispuoleisten rajaarvojen olemassaolosta tässä pisteessä. Siten lauseen 4 nojalla funktio cos p on jatkuva ja rajoitettu koko reaaliakselilla. Lisäksi funktion sin p parittomuuen, määritelmän 14 ja lemman 5 nojalla funktio cos p on parillinen samaan tapaan kuin seurauksen 6 yhteyessä toettiin. Seuraus 11. Funktion cos p määritelmän seurauksena saaaan Pythagoraan trigonometrisen ientiteetin vastine Toistus. Olkoon x R. Nyt sin p (x) p + cos p (x) p = 1. sin p (x) p + cos p (x) p = sin p (x) p + ± (1 sin p (x) p ) 1/p p = sin p (x) p + 1 sin p (x) p = 1, sillä sin p (x) 1 huomatuksen 8 nojalla. Tässä mielessä sin p - ja cos p -funktiot muistuttavat klassisia vastineitaan. Niille ei kuitenkaan voi johtaa järkeviä vastineita lauseessa 1 esiintyville summakaavoille []. 6
27 6 Geometrinen näkökulma sekä katsaus yleistettyjen trigonometristen funktioien määritelmän taustoihin Geometrista tarkastelua varten otetaan käyttöön p-normi, jolla voiaan määritellä etäisyys ja eelleen tämän avulla yksikköympyrä p-metriikassa. Alla määritelty pnormi on R n -avaruuteen rajattu kirjallisuuessa usein esiintyvä l p -normi. Määritelmä 15. Olkoon p [1, [ ja olkoon x = (x 1, x,..., x n ) R n. Tällöin ( n ) 1 x p : = x k p p k=1 x : = max{ x n }. Kun p =, on kyseessä tavallinen Eukliinen normi =, jolle kaikilla x R n on x = x 1 + x x n. Eellä määritellyn p-normin on helppo osoittaa toteuttavan normin oletukset. Täsmällinen toistus löytyy lähteestä [8] joskin hieman yleisemmässä tapauksessa. Määritellään sitten p-normin avulla etäisyys p, joka virittää p-metriikan avaruuteen R n. Määritelmä 16. Olkoon a, b R n. Määritellään p : R n R n R, p (a, b) = a b p. Luku p (a, b) on pisteien a ja b välinen etäisyys p-metriikassa. Esimerkki 1. Kaupunkien kortteleissa kaut ovat usein 9 asteen kulmissa toisiinsa nähen. Siten kortteleissa ei voi liikkua linnuntietä eli lyhyintä mahollista reittiä. Sen takia pisteestä a R pisteeseen b R kuljettavan matkan mittaamiseen saattaa olla mielekästä käyttää 1-metriikkaa, city-block metric, jolle [9] a b 1 = a 1 b 1 + a b. Tällä tavoin mitattuna karttakoorinaatistossa pisteien (, ) ja (1, 1) etäisyys olisi (, ) (1, 1) 1 = =. Määritellään yksikköympyröiksi p-metriikassa pisteet, jotka ovat kullakin p-normilla mitattuna yhen yksikön etäisyyellä origosta. Määritelmä 17. Yksikköympyrä p-metriikassa on niien pisteien x = (x 1, x ) R n joukko, joille p ((, ), (x 1, x )) = 1. Esimerkki. Nyt yksikköympyrät {x R : x 1 = 1}, {x R : x = 1} ja {x R : x = 1} ovat piirretty kuvaan 1. Kun p = 1, yksikköympyrän oikea yläneljännes on joukko {x = (x 1, x ) R : x 1, x, x 1 = 1} = {(x 1, x ) R : x 1, x, x 1 + x = 1} = {(x 1, x ) R : x 1, x, x = x 1 + 1}. 7
28 Vastaavasti -normilla määritelty yksikköympyrän oikea yläneljännes on joukko {x R : x 1, x, x = 1} = {(x 1, x ) R : x 1, x, max{x 1, x } = 1} = {(1, x ) R : x 1} {(x 1, 1) R : x 1 1}. Vastaavilla tutkailuilla saaaan täyennettyä yksikköympyröien puuttuvat osat. Eukliisella normilla määritetty yksikköympyrä pietään tunnettuna. l p -normin arvoilla p = 1, p = ja p = määritetyt yksikköympyrät on esitetty kuvassa 1. Kuva 1: Yksikköympyrät määriteltynä p-normeilla p = 1, ja. Seuraus 1. Polku γ p : [ π p, π p ] [ 1, 1] [ 1, 1], γ p (t) = (cos p (t), sin p (t)) parametrisoi yksikköympyrän p-metriikassa. Toistus. Seurauksen 11 nojalla p ((, ); (cos p (t), sin p (t))) = (, ) (cos p (t), sin p (t)) p = ( cos p (t) p + sin p (t) p ) 1/p = 1 1/p = 1, kaikille t [ π p, π p ]. Siten määritelmän 17 nojalla polku γ p on yksikköympyrällä. Olkoon sitten piste (x, y) yksikköympyrällä. Tällöin selvästi x, y [ 1, 1]. Muistetaan, että funktiot sin p ja cos p ovat suljetulla välillä [ π p, π p ] jatkuvia ja saavuttavat tällä välillä arvot 1 sekä 1. Siten Bolzanon lauseen nojalla löytyy t [ π p, π p ], jolle cos p (t) = x. Nyt ( cos p (t) p + y p ) 1 p = 1 cos p (t) p + y p = 1, 8
29 missä lauseen 11 nojalla voiaan valita y p = sin p (t) p, jolloin y = sin p t tai y = sin p t. Ensimmäisessä tapauksessa on (cos p (t), sin p (t)) = (x, y). Jälkimmäisessä tapauksessa löytyy t [ π p, π p ] siten, että y = sin p t = sin p ( t) funktion sin p parittomuuen nojalla ja x = cos p t = cos p ( t) funktion cos p parillisuuen nojalla. Siten polku γ p sisältää pisteen (x, y). Eellä johettu tulos pätee erityisesti myös sini- ja kosinifunktioille. Tässä mielessä ne ovat geometrisesti analogisia cos p - ja sin p -funktioien kanssa. Eelleen kaikki karteesisen koorinaatiston pisteet (x, y) voiaan esittää cos p - ja sin p -funktioien avulla, kun seurauksessa 1 mainitut vektorit (cos p (t), sin p (t)) skaalataan reaaliluvulla r, jolloin x = r cos p (α) (4) y = r sin p (α), (5) missä α R. Sini- ja kosinifunktioien tapauksessa kyseessä on tuttu napakoorinaattimuunnos. Funktiot sin p ja cos p voitaisiin määritellä myös näillä yhtälöillä, jolloin pääyttäisiin samoihin funktioihin kuin käänteisfunktiomääritelmällä [3]. Yhtälöissä 4 ja 5 muuttuja r kertoo siis pisteen l p -etäisyyen origosta, sillä (r cos p (α), r sin p (α)) p = r (cos p (α), sin p (α)) p = r. Sen sijaan muuttujalle α saaaan vastine yksikköympyrän kaaren pituuesta vain arvolla p = [3]. Tämä osoitetaan seuraavaksi arcsin-funktion avulla. Näytetään aluksi, että funktio arcsin y kertoo Eukliista normia vastaavan yksikköympyrän pisteien (1, ) ja (x, y) välisen kaaren pituuen, kun x, y >. Tehään se valitsemalla yksikköympyrän oikealta yläneljännekseltä n N kappaletta pisteitä P n R järjestettynä y-koorinaattien mukaiseen suuruusjärjestykseen, siten että P 1 = (t 1, ) = (1, ) ja P n = (t n, 1 t n) = (x, y), missä x, y [, 1[. Näien pisteien muoostaman murtoviivan pituus n k=1 P k P k+1 voiaan ajatella erääksi alarajaksi pisteien P 1 ja P n väliselle kaaren pituuelle. Tämä on esitetty kuvassa. Supremum tällaisille approksimaatioille on ympyrän kaaren parametrisoivan polun γ : [, y] R, γ(t) = ( 1 t, t) pituus l(γ) (katso [1]) l(γ) = sup{ n γ(t k ) γ(t k 1 )) }, (6) k=1 missä pisteet = t < t <... < t n = y jakavat välin [, y[. On huomattava, että tällaisessa tarkastelussa polku täytyy määritellä siten, että ympyrän kaari kuljetaan vain kertaalleen. Koska yksikköympyrän oikean yläneljänneksen parametrisaatio on jatkuvasti erivoituva, voiaan käyttää polun pituuen integraalimääritelmää (katso [1]), jolloin saaaan 9
30 y l(γ y ) = γ y(t) y ( ) 1 t = t y 1 t + t = 1 t = y 1 1 t. Huomataan, että integroitava polku γ y voiaan suoraan laajentaa myös välille ] 1, 1[. Tällöin saatu funktio l(γ y ) : ] 1, 1[ R yhtyy funktion arcsin määritelmään. Siten yhtälöissä 1 ja sini- ja kosinifunktioien argumentti α voiaan tulkita yksikköympyrän pisteien (1, ) ja (x, y) välisen kaaren pituutena. Sen sijaan injektiota kulman eli sin p -funktion argumentin ja l p -normilla määritetyn yksikköympyrän kaaren pituuen välillä ei ole, koska yleisessä tapauksessa yksikköympyrä ei ole symmetrinen origon suhteen [3]. Yksikköympyrän kaaren pituuen laskeminen p-metriikassa osoittautuu ylipäänsä haastavaksi. Kaarta vastaavan sektorin pinta-alan avulla löyetään kuitenkin huomattavasti yksinkertaisempi funktio. Tämä funktio on yksi niistä ensimmäisistä yleistetyistä trigonometrisistä funktioista, joita ruotsalainen matemaatikko Eric Lunberg tutki jo 18-luvulla. Seuraavassa tarkastelussa esitietoina lukijalta oletetaan vektorifunktioien analyysin ja erityisesti Greenin lauseen tuntemusta. Iea lähestymistapaan on peräisin artikkelista [6][s. 1]. Pyritään siis etsimään sellainen funktio, joka antaa tuloksena sektorin pintaalan, kun kuljetaan yksikköympyrän pisteestä (1, ) pisteeseen (x, y) R, missä x, y [, 1]. Lisäksi halutaan, että funktio on yhteyessä y-koorinaatin muutokseen, samaan tapaan kuin arcsin-funktio on. Olkoon nyt y < 1 ja 1 < p <. Olkoon γ : R R : γ = γ 1 γ γ 3, missä Kuva : Ympyrän kaarta approksimoiaan murtoviivalla. 3
31 γ 1 : [, 1] R, γ 1 (t) = (t, ), γ : [, y] R, γ (t) = ((1 t p ) 1/p, t)ja γ 3 : [, y] R, γ 3 (t) = ((y t) (1 yp ) 1/p, y t). y Polku γ on yksikköympyrän {(x, y) R, (x, y) p } = 1 pisteestä (1, ) pisteeseen (x, y); x, y [, 1[ ulottuvaa kaarta vastaavan sektorin reunan parametrisoiva polku. Havainnekuva polusta γ arvolla p = on esitetty kuvassa 3. Kuva 3: Eukliisen normin määräämän yksikköympyrän erään sektorin reuna on parametrisoitu polulla γ = γ 1 γ γ 3. Lasketaan tämän polun rajaaman alueen S y nojalla pinta-ala V (S y ). Greenin lauseen V (S y ) = 1 S y = 1 y x x y γ = 1 ( y, x) s, sillä γ on positiivisesti suunnistettu, paloittain sileä ja itseään leikkaamaton joukon S y reunan parametrisoiva polku. Nyt saatu käyräintegraali yli polun γ voiaan laskea kolmessa osassa, jolloin osoittautuu, että polkujen γ 1 ja γ 3 yli integroiessa integraalit häviävät, sillä γ ja 1 ( y, x) s = 1 γ 1 1 (, t) (1, ) = 31
32 1 ( y, x) s = 1 y ( (y t), (y t) (1 ) ( ) yp ) 1/p (1 y p ) 1/p, 1 γ 3 y y = 1 y ((y t) (1 yp ) 1/p + (t y) (1 ) yp ) 1/p y y Siten =. 1 x) s = + γ( y, 1 ( y, x) s + γ = 1 y ( t, (1 t p ) 1/p) ( ) t p 1 (1 t p ) 1 p 1, 1 = 1 y ) (t p (1 t p ) 1 p 1 + (1 t p ) 1/p = 1 y ( (t p + (1 t p ))(1 t p ) 1 1) p = 1 = 1 y y (1 t p ) 1 p 1 (1 t p ) p 1 p Huomataan, että kun p =, saatu integraali yhtyy arcsin-funktion määritelmään eli. y (1 t ) 1 = y 1 t ) = arcsin y. Lisäksi havaitaan, että Eukliisessa metriikassa on voimassa yksikköympyrän ympyräsektorin kaarenpituuen arcsin y sekä sitä vastaavan sektorin pinta-alan V (S y ) välinen yhteys V (S y ) = arcsin y, kun y [ 1, 1]. Eelleen sektorin pinta-alan funktiosta V (S y ) voiaan huomata, ettei se yhy funktion F p määritelmään, kun p. Saatu funktio V (S y ) on kuitenkin erään yleistetyn sinifunktion käänteisfunktio, johon Lunberg päätyi tutkiessaan ifferentiaaliyhtälöä y = (1 x yp ) m/p arvolla m = p 1. Tätä funktiota Lunberg merkitsi S p 1 (x). Vastaavasti kosinifunktion p käänteisfunktion vastinetta eli integraalin x = 1 1 y (1 t p ) p 1 p 3
33 käänteisfunktiota Lunberg merkitsi C p 1 (x). Tähän integraaliin pääytään, kun p lasketaan sektorin pinta-ala vastaavalla tavalla kuin aiemminkin kuitenkin niin, että nyt sektori vastaa kaarta pisteestä (x, y) pisteeseen (, 1). Lunberg johti näille funktioille muun muassa Pythagoraan trigonometrisen ientiteetin vastineen S p 1 p (x) p + C p 1 (x) p = 1. p Myöhemmin yleisempiä trigonometrisiä funktioita on tutkittu melko paljon osittain siksi, että ne ovat tunnettujen ifferentiaaliongelmien ratkaisuja. Erityisesti näistä seuraavaksi tarkastellaan Dirichtlet:n ongelmaa mukaillen Peter Linqvistin tutkielmaa [1]: ) ( u p u = λ u p u välillä ], π p [, x u() =, u(π p ) =, missä luvut λ R ovat vakiomuotoisia ominaisarvoja.voiaan osoittaa, että ominaisfunktiot sin ˆ p (x), voiaan määritellä välillä [, ˆπp [ kaavalla missä x = ˆ sin p(x), (7) (1 tp )1/p p 1 ˆπ p = lim x (p 1) 1/p x (1. tp p 1 )1/p Yllä alkuperäiseen lähteeseen verrattuna määrittelyväli on muutettu suljetusta puoliavoimeksi ja ˆπ p :n määritelmä raja-arvoksi, jotta integraalit ovat hyvin määriteltyjä tässä kirjoitelmassa käytettyjen määritelmien valossa. Huomattakoon, että myös Lunberg tutki integraalin (7) tyyppistä funktiota. Integraalia (7) voiaan vielä yksinkertaistaa sijoituksella t(τ) = (p 1) 1/p τ, jolloin x = ˆ sin p(x) (1 tp p 1 )1/p (p 1) 1/psin ˆ p(x) = (p 1) 1/p τ (1 τ p ). 1/p Havaitaan, että käsitellyn Dirichtlet n ongelman kaikki ratkaisufunktiot voiaan esittää sin p -funktion avulla. Dirichtlet n ongelma on esitetty artikkelissa [3] p-laplaceoperaattorin avulla. Tämä yhteys on merkittävä, sillä tutkimus p-laplace-operaattoriin liittyen on laajaa. Eelleen Dirictlet n reunaehto-ongelmat ovat merkittävässä roolissa fysiikan tutkimuksessa, joista esimerkiksi sini- ja kosinifunktiot ovat ratkaisu kvanttimekaanisen äärettömän yksiulotteisen potentiaalikuopan tilanteeseen [11][s. 5-9]. 33
Äärettömät raja-arvot
Äärettömät raja-arvot Määritelmä Funktion f oikeanpuoleinen raja-arvo pisteessä x 0 on + mikäli kaikilla R > 0 löytyy sellainen δ > 0 että f (x) > R aina kun x 0 < x < x 0 + δ. Funktion f oikeanpuoleinen
LisätiedotKaikkia alla olevia kohtia ei käsitellä luennoilla kokonaan, koska osa on ennestään lukiosta tuttua.
6 Alkeisfunktiot Kaikkia alla olevia kohtia ei käsitellä luennoilla kokonaan, koska osa on ennestään lukiosta tuttua. 6. Funktion määrittely Funktio f : A B on sääntö, joka liittää jokaiseen joukon A alkioon
LisätiedotSekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä
Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 005, sivu 1 / 13 Tehtäviä Tehtävä 1. Johda toiseen asteen yhtälön ax + bx + c = 0, a 0 ratkaisukaava. Tehtävä. Määrittele joukon A R pienin yläraja sup A ja suurin alaraja
LisätiedotFunktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.
Funktiot Tässä luvussa käsitellään reaaliakselin osajoukoissa määriteltyjä funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina. Avoin väli: ]a, b[ tai ]a, [ tai ],
LisätiedotMS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus
MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus Pekka Alestalo, Jarmo Malinen Aalto-yliopisto, Matematiikan ja systeemianalyysin laitos 19.9.2016 Pekka Alestalo, Jarmo
LisätiedotMatematiikan tukikurssi: kurssikerta 12
Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 2 Tenttiin valmentavia harjoituksia Huomio. Tähän tulee lisää ratkaisuja sitä mukaan kun ehin niitä kirjoittaa. Kurssilla käyään läpi tehtävistä niin monta kuin mahollista.
LisätiedotMatematiikan tukikurssi
Matematiikan tukikurssi Kurssikerta 7 Differentiaalikehitelmä Funktion f erivaatta pisteessä x 0 eli f (x 0 ) on erotusosamäärän rajaarvo: f (x) f (x 0 ). x x 0 x x 0 Tämä voiaan esittää hieman eri muoossa
LisätiedotJohdatus reaalifunktioihin P, 5op
Johdatus reaalifunktioihin 802161P, 5op Osa 2 Pekka Salmi 1. lokakuuta 2015 Pekka Salmi FUNK 1. lokakuuta 2015 1 / 55 Jatkuvuus ja raja-arvo Tavoitteet: ymmärtää raja-arvon ja jatkuvuuden määritelmät intuitiivisesti
LisätiedotMatemaattisen analyysin tukikurssi
Matemaattisen analyysin tukikurssi 12. Kurssikerta Petrus Mikkola 5.12.2016 Tämän kerran asiat Sini-ja kosifunktio Yksikköympyrä Tangentti- ja kotangenttifunktio Trigonometristen funktioiden ominaisuuksia
LisätiedotSinin jatkuvuus. Lemma. Seuraus. Seuraus. Kaikilla x, y R, sin x sin y x y. Sini on jatkuva funktio.
Sinin jatkuvuus Lemma Kaikilla x, y R, sin x sin y x y. Seuraus Sini on jatkuva funktio. Seuraus Kosini, tangentti ja kotangentti ovat jatkuvia funktioita. Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 22 / 53 Yhdistetyn
LisätiedotSinin ja kosinin erilaiset määrittelytavat
Sinin ja kosinin erilaiset määrittelytavat Anu Pääkkö Matematiikan pro gradu Jyväskylän yliopisto Matematiikan ja tilastotieteen laitos Syksy 01 Tiivistelmä: Pääkkö, A. 01, Sinin ja kosinin erilaiset määrittelytavat,
LisätiedotMatematiikan tukikurssi
Matematiikan tukikurssi Kertausta 2. välikokeeseen Toisessa välikokeessa on syytä osata ainakin seuraavat asiat: 1. Potenssisarjojen suppenemissäe, suppenemisväli ja suppenemisjoukko. 2. Derivaatan laskeminen
LisätiedotDerivaattaluvut ja Dini derivaatat
Derivaattaluvut Dini derivaatat LuK-tutkielma Helmi Glumo 2434483 Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto Syksy 2016 Sisältö Johdanto 2 1 Taustaa 2 2 Määritelmät 4 3 Esimerkkejä lauseita 7 Lähdeluettelo
LisätiedotFunktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot
3. Funktion raja-arvo ja jatkuvuus 3.1. Reaali- ja kompleksifunktiot 43. Olkoon f monotoninen ja rajoitettu välillä ]a,b[. Todista, että raja-arvot lim + f (x) ja lim x b f (x) ovat olemassa. Todista myös,
LisätiedotDIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1. Ritva Hurri-Syrjänen/Syksy 1999/Luennot 6. FUNKTION JATKUVUUS
DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1 Ritva Hurri-Syrjänen/Syksy 1999/Luennot 6. FUNKTION JATKUVUUS Huomautus. Analyysin yksi keskeisimmistä käsitteistä on jatkuvuus! Olkoon A R mielivaltainen joukko
LisätiedotInjektio (1/3) Funktio f on injektio, joss. f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f )
Injektio (1/3) Määritelmä Funktio f on injektio, joss f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f ) Seurauksia: Jatkuva injektio on siis aina joko aidosti kasvava tai aidosti vähenevä Injektiolla on enintään
LisätiedotMatematiikan tukikurssi
Matematiikan tukikurssi Kurssikerta 12 1 Eksponenttifuntio Palautetaan mieliin, että Neperin luvulle e pätee: e ) n n n ) n n n n n ) n. Tästä määritelmästä seuraa, että eksponenttifunktio e x voidaan
LisätiedotTäydellisyysaksiooman kertaus
Täydellisyysaksiooman kertaus Luku M R on joukon A R yläraja, jos a M kaikille a A. Luku M R on joukon A R alaraja, jos a M kaikille a A. A on ylhäältä (vast. alhaalta) rajoitettu, jos sillä on jokin yläraja
LisätiedotSini- ja kosinifunktio
Sini- ja kosinifunktio Trigonometriset funktio voidaan määritellä muun muassa potenssisarjana tai yksikköympyrän avulla. Yksikköympyrään pohjautuvassa määritelmässä sini- ja kosinifunktion muuttujana pidetään
LisätiedotOlkoon funktion f määrittelyjoukkona reaalilukuväli (erityistapauksena R). Jos kaikilla määrittelyjoukon luvuilla x 1 ja x 2 on voimassa ehto:
4 Reaalifunktiot 4. Funktion monotonisuus Olkoon funktion f määrittelyjoukkona reaalilukuväli (erityistapauksena R). Jos kaikilla määrittelyjoukon luvuilla x ja x on voimassa ehto: "jos x < x, niin f (x
LisätiedotAnalyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.
Analyysi Harjoituksia lukuihin 3 / Syksy 204. Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko { 2x A = x ]4, [. x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu. 2. Anna jokin ylä- ja alaraja joukoille { x( x) A = x ], [,
LisätiedotPolkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä Olkoot γ : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon
Polkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä 4.1.3. Olkoot : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon P = {a = t 1 < < t k = b} ja joukko D R m sellainen, että ([a, b])
Lisätiedotf (t) + t 2 f(t) = 0 f (t) f(t) = t2 d dt ln f(t) = t2, josta viimeisestä yhtälöstä saadaan integroimalla puolittain
Matematiikan ja tilastotieteen osasto/hy Differentiaaliyhtälöt I Laskuharjoituksen mallit Kevät 09 Tehtävän ratkaisu a) Analyysin peruslauseen mukaan missä c, c R y () = 3 sin() y () = 3 sin() = 3 cos()
Lisätiedot2.2 Jatkuva funktio Funktio f(x) jatkuva pisteessä x 0, jos f on määritelty. Esim. sin x. = lim. lim. (1 x 2 /6 + O(x 4 )) = 1.
2 Raja-arvo ja erivaatta 2 Raja-arvon määritelmä Funktiolla f() on raja-arvo f 0 pisteessä 0 jos f() lähestyy arvoa f 0 kun lähestyy arvoa 0 Merkitään f() f 0 kun 0 (2) tai Raja-arvo matemaattisemmin:
LisätiedotMatematiikan tukikurssi
Matematiikan tukikurssi Kurssikerta Eksponenttifuntio Palautetaan mieliin, että Neperin luvulle e pätee: e ) n n n ) n n n n n ) n. Tästä määritelmästä seuraa, että eksponenttifunktio e x voidaan määrittää
LisätiedotMapu I Laskuharjoitus 2, tehtävä 1. Derivoidaan molemmat puolet, aloitetaan vasemmasta puolesta. Muistetaan että:
Mapu I Laskuharjoitus 2, tehtävä 1 1. Eräs trigonometrinen ientiteetti on sin2x = 2sinxcosx Derivoimalla yhtälön molemmat puolet x:n suhteen, joha lauseke cos 2x:lle. Ratkaisu: Derivoiaan molemmat puolet,
LisätiedotFysiikan matematiikka P
Fysiikan matematiikka 763101P Luennoija: Kari Rummukainen, Fysikaalisten tieteiden laitos Tavoite: tarjota opiskelijalle nopeasti fysikaalisten tieteiden tarvitsemia matematiikan perustietoja ja taitoja.
LisätiedotDifferentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 3. viikolle /
MS-A008 Differentiaali- ja integraalilaskenta, V/07 Differentiaali- ja integraalilaskenta Ratkaisut 3. viikolle / 5. 7.4. Taylorin Polynomit, Taylorin sarjat, potenssisarjat, Newtonin menetelmä Tehtävä
LisätiedotOletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on
Derivaatta Erilaisia lähestymistapoja: geometrinen (käyrän tangentti sekanttien raja-asentona) fysikaalinen (ajasta riippuvan funktion hetkellinen muutosnopeus) 1 / 19 Derivaatan määritelmä Määritelmä
LisätiedotLuku 2. Jatkuvien funktioiden ominaisuuksia.
1 MAT-1343 Laaja matematiikka 3 TTY 21 Risto Silvennoinen Luku 2. Jatkuvien funktioiden ominaisuuksia. Jatkossa väli I tarkoittaa jotakin seuraavista reaalilukuväleistä: ( ab, ) = { x a< x< b} = { x a
Lisätiedotπx) luvuille n N. Valitaan lisäksi x = m,
Lisäyksiä Muutamia lisäyksiä laskuharjoitusten 9 tehtävien ratkaisuihin. Sarjan n n cos4 n π termeittäin erivoituvuus Sarjan n n cos4 n πtermeittäinerivoitavuusonhiukkasenhankalaasia tutkia. Olkoon a n
LisätiedotMatematiikan tukikurssi
Matematiikan tukikurssi Kurssikerta 10 1 Sarjakehitelmiä Palautetaan mieliin, että potenssisarja on sarja joka on muotoa a n (x x 0 ) n = a 0 + a 1 (x x 0 ) + a 2 (x x 0 ) 2 + a 3 (x x 0 ) 3 +. n=0 Kyseinen
Lisätiedoty = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2
Matematiikan ja tilastotieteen osasto/hy Differentiaaliyhtälöt I Laskuharjoitus 2 mallit Kevät 219 Tehtävä 1. Laske osittaisderivaatat f x = f/x ja f y = f/, kun f = f(x, y) on funktio a) x 2 y 3 + y sin(2x),
Lisätiedot1 Määrittelyjä ja aputuloksia
1 Määrittelyjä ja aputuloksia 1.1 Supremum ja infimum Aluksi kerrataan pienimmän ylärajan (supremum) ja suurimman alarajan (infimum) perusominaisuuksia ja esitetään muutamia myöhemmissä todistuksissa tarvittavia
LisätiedotDerivointiesimerkkejä 2
Derivointiesimerkkejä 2 (2.10.2008 versio 2.0) Parametrimuotoisen funktion erivointi Esimerkki 1 Kappale kulkee pitkin rataa { x(t) = sin 2 t y(t) = cos t. Määritetään raan suuntakulma positiiviseen x-akseliin
LisätiedotCantorin joukon suoristuvuus tasossa
Cantorin joukon suoristuvuus tasossa LuK-tutkielma Miika Savolainen 2380207 Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto Syksy 2016 Sisältö Johdanto 2 1 Cantorin joukon esittely 2 2 Suoristuvuus ja
Lisätiedot2 Funktion derivaatta
ANALYYSI B, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT 2019 2 Funktion derivaatta 2.1 Määritelmiä ja perusominaisuuksia 1. Määritä suoraan derivaatan määritelmää käyttäen f (0), kun (a) + 1, (b) (2 + ) sin(3). 2. Olkoon
LisätiedotSarjoja ja analyyttisiä funktioita
3B Sarjoja ja analyyttisiä funktioita 3B a Etsi funktiolle z z 5 potenssisarjaesitys kiekossa B0, 5. b Etsi funktiolle z z potenssisarjaesitys kiekossa, jonka keskipiste on z 0 4. Mikä on tämän potenssisarjan
Lisätiedot5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia. 1. Tarkastellaan väitettä
ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT 2019 5 Funktion jatkuvuus 5.1 Määritelmä ja perustuloksia 1. Tarkastellaan väitettä a > 0: b > 0: c > 0: d U c (a): f(d) / U b (f(a)), missä a, b, c, d R. Mitä funktion
Lisätiedot1 Supremum ja infimum
Pekka Alestalo, 2018 Tämä moniste täydentää reaalilukuja ja jatkuvia reaalifunktioita koskevaa kalvosarjaa lähinnä perustelujen ja todistusten osalta. Suurin osa määritelmistä jms. on esitetty jo kalvoissa,
Lisätiedot0. Kertausta. Luvut, lukujoukot (tavalliset) Osajoukot: Yhtälöt ja niiden ratkaisu: N, luonnolliset luvut (1,2,3,... ) Z, kokonaisluvut
0. Kertausta Luvut, lukujoukot (tavalliset) N, luonnolliset luvut (1,2,3,... ) Z, kokonaisluvut Rationaaliluvut n/m, missä n,m Z Reaaliluvut R muodostavat jatkumon fysiikan lukujoukko Kompleksiluvut C:z
Lisätiedot1 sup- ja inf-esimerkkejä
Alla olevat kohdat (erityisesti todistukset) ovat lähinnä oheislukemista reaaliluvuista, mutta joihinkin niistä palataan myöhemmin kurssilla. 1 sup- ja inf-esimerkkejä Nollakohdan olemassaolo. Kaikki tuntevat
Lisätiedotsaadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?
ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT 208 4 Funktion raja-arvo 4 Määritelmä Funktion raja-arvon määritelmän ehdosta ε > 0: δ > 0: fx) A < ε aina, kun 0 < x a < δ, saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla
LisätiedotOrtogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle
Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle Olkoon X sisätuloavaruus ja Y X äärellisulotteinen aliavaruus. Tällöin on olemassa lineaarisesti riippumattomat vektorit y 1, y 2,..., yn, jotka
LisätiedotLuku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.
1 MAT-1343 Laaja matematiikka 3 TTY 1 Risto Silvennoinen Luku 4 Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia Derivaatan olemassaolosta seuraa funktioille eräitä säännöllisyyksiä Näistä on jo edellisessä luvussa
Lisätiedot5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia
ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT 2018 5 Funktion jatkuvuus 5.1 Määritelmä ja perustuloksia 1. Tarkastellaan väitettä a > 0: b > 0: c > 0: d U c (a): f(d) / U b (f(a)), missä a, b, c, d R. Mitä funktion
LisätiedotSelvästi. F (a) F (y) < r x d aina, kun a y < δ. Kolmioepäyhtälön nojalla x F (y) x F (a) + F (a) F (y) < d + r x d = r x
Seuraavaksi tarkastellaan C 1 -sileiden pintojen eräitä ominaisuuksia. Lemma 2.7.1. Olkoon S R m sellainen C 1 -sileä pinta, että S on C 1 -funktion F : R m R eräs tasa-arvojoukko. Tällöin S on avaruuden
LisätiedotMatematiikan peruskurssi 2
Matematiikan peruskurssi Demonstraatiot III, 4.5..06. Mikä on funktion f suurin mahdollinen määrittelyjoukko, kun f(x) x? Mikä on silloin f:n arvojoukko? Etsi f:n käänteisfunktio f ja tarkista, että löytämäsi
LisätiedotFunktion määrittely (1/2)
Funktion määrittely (1/2) Funktio f : A B on sääntö, joka liittää jokaiseen joukon A alkioon a täsmälleen yhden B:n alkion b. Merkitään b = f (a). Tässä A = M f on f :n määrittelyjoukko, B on f :n maalijoukko.
LisätiedotKonvergenssilauseita
LUKU 4 Konvergenssilauseita Lause 4.1 (Monotonisen konvergenssin lause). Olkoon (f n ) kasvava jono Lebesgueintegroituvia funktioita. Asetetaan f(x) := f n (x). Jos f n
LisätiedotVektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on
13 Pistetulo Avaruuksissa R 2 ja R 3 on totuttu puhumaan vektorien pituuksista ja vektoreiden välisistä kulmista. Kuten tavallista, näiden käsitteiden yleistäminen korkeampiulotteisiin avaruuksiin ei onnistu
LisätiedotIV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n
IV. TASAINEN SUPPENEMINEN IV.. Funktiojonon tasainen suppeneminen Olkoon A R joukko ja f n : A R funktio, n =, 2, 3,..., jolloin jokaisella x A muodostuu lukujono f x, f 2 x,.... Jos tämä jono suppenee
Lisätiedotx > y : y < x x y : x < y tai x = y x y : x > y tai x = y.
ANALYYSIN TEORIA A Kaikki lauseet eivät ole muotoiltu samalla tavalla kuin luennolla. Ilmoita virheistä yms osoitteeseen mikko.kangasmaki@uta. (jos et ole varma, onko kyseessä virhe, niin ilmoita mieluummin).
LisätiedotMatematiikan tukikurssi: kurssikerta 10
Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 10 1 Newtonin menetelmä Oletetaan, että haluamme löytää funktion f(x) nollakohan. Usein tämä tehtävä on mahoton suorittaa täyellisellä tarkkuuella, koska tiettyjen
LisätiedotMS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1
MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Riikka Korte (Pekka Alestalon kalvojen pohjalta) Aalto-yliopisto 15.11.2016 Sisältö Alkeisfunktiot 1.1 Funktio I Funktio f : A! B on sääntö, joka liittää
LisätiedotRadiaanit. Kun kulman α suuruus nyt mitataan tämän kaaren pituutena, saadaan kulmaan arvo radiaaneissa.
Radiaanit Kulmia mitataan matematiikassa paitsi asteissa, myös radiaaneissa. Radiaanien taustaideana on, että kun kulmaa α asetetaan yksikköympyrään, kulmien kylkien välille muodostuu ympyrän kehälle kaari
LisätiedotMS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 4: Derivaatta
MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 4: Derivaatta Pekka Alestalo, Jarmo Malinen Aalto-yliopisto, Matematiikan ja systeemianalyysin laitos 21.9.2016 Pekka Alestalo, Jarmo
Lisätiedot8 Potenssisarjoista. 8.1 Määritelmä. Olkoot a 0, a 1, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.1. Muotoa
8 Potenssisarjoista 8. Määritelmä Olkoot a 0, a, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.. Muotoa a 0 + a (x c) + a 2 (x c) 2 + olevaa sarjaa sanotaan c-keskiseksi potenssisarjaksi. Selvästi jokainen
LisätiedotJATKUVUUS. Funktio on jatkuva jos sen kuvaaja voidaan piirtää nostamatta kynää paperista.
JATKUVAT FUNKTIOT JATKUVUUS Jatkuva funktio Epäjatkuva funktio Funktio on jatkuva jos sen kuvaaja voidaan piirtää nostamatta kynää paperista., suomennos Matti Pauna JATKUVUUS Jatkuva funktio Epäjatkuva
LisätiedotMATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai
MATP15 Approbatur 1B Ohjaus Keskiviikko 4.11. torstai 5.11.015 1. (Opiskeluteht. 6 s. 0.) Määritä sellainen vakio a, että polynomilla x + (a 1)x 4x a on juurena luku x = 1. Mitkä ovat tällöin muut juuret?.
LisätiedotDerivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)
Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.) Tehtävät: 1. Tutki derivaatan avulla funktion f kulkua. a) f(x) = x 4x b) f(x) = x + 6x + 11 c) f(x) = x4 4 x3 + 4 d) f(x) = x 3 6x + 1x + 3. Määritä rationaalifunktion
LisätiedotKOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012
KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012 RITVA HURRI-SYRJÄNEN 8. Integraalilauseiden sovelluksia 1. Analyyttisen funktion sarjaesitys. (eli jokainen analyyttinen funktio on lokaalisti suppenevan potenssisarjan
LisätiedotReaaliarvoisen yhden muuttujan funktion raja arvo LaMa 1U syksyllä 2011
Neljännen viikon luennot Reaaliarvoisen yhden muuttujan funktion raja arvo LaMa 1U syksyllä 2011 Perustuu Trench in verkkokirjan lukuun 2.1. Esko Turunen esko.turunen@tut.fi Funktion y = f (x) on intuitiivisesti
LisätiedotKuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2
HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Vektorianalyysi I, syksy 018 Harjoitus Ratkaisuehdotukset Tehtävä 1. Olkoon f : R R f(x 1, x ) = x 1 + x Olkoon C R. Määritä tasa-arvojoukko Sf(C) = {(x 1, x
LisätiedotJohdatus reaalifunktioihin P, 5op
Johdatus reaalifunktioihin 802161P, 5op Osa 1 Pekka Salmi 18. syyskuuta 2015 Pekka Salmi FUNK 18. syyskuuta 2015 1 / 65 Yleistä Luennot: ma 1214, pe 1012 Luennoitsija: Pekka Salmi, M229 (kahden viikon
LisätiedotMATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)
MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus 7. 2. 2009 alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M) Luennoilla on nyt menossa vaihe, missä Hurri-Syrjäsen monistetta käyttäen tutustutaan
LisätiedotMaksimit ja minimit 1/5 Sisältö ESITIEDOT: reaalifunktiot, derivaatta
Maksimit ja minimit 1/5 Sisältö Funktion kasvavuus ja vähenevyys; paikalliset ääriarvot Jos derivoituvan reaalifunktion f derivaatta tietyssä pisteessä on positiivinen, f (x 0 ) > 0, niin funktion tangentti
LisätiedotTodennäköisyyslaskenta IIa, syys lokakuu 2019 / Hytönen 3. laskuharjoitus, ratkaisuehdotukset
Todennäköisyyslaskenta IIa, syys lokakuu 2019 / Hytönen 3. laskuharjoitus, ratkaisuehdotukset 1. Olkoon X satunnaismuuttuja, ja olkoot a R \ {0}, b R ja Y = ax + b. (a) Olkoon X diskreetti ja f sen pistetodennäköisyysfunktio.
LisätiedotMS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 6: Alkeisfunktioista
MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 6: Alkeisfunktioista Pekka Alestalo, Jarmo Malinen Aalto-yliopisto, Matematiikan ja systeemianalyysin laitos 28.9.2016 Pekka Alestalo,
LisätiedotKOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012
KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 212 RITVA HURRI-SYRJÄNEN 6.1. Poluista. 6. Kompleksinen integrointi Olkoon [α, β] suljettu reaaliakselin väli, α < β, ja olkoon A kompleksitason avoin joukko. Polku on
Lisätiedotr > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r
HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Vektorianalyysi I, syksy 018 Harjoitus Ratkaisuehdotukset Tehtävä 1. Osoita, että avoin kuula on avoin joukko ja suljettu kuula on suljettu joukko. Ratkaisu.
LisätiedotJuuri 7 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty c) sin 50 = sin ( ) = sin 130 = 0,77
Juuri 7 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty.5.07 Kertaus K. a) sin 0 = 0,77 b) cos ( 0 ) = cos 0 = 0,6 c) sin 50 = sin (80 50 ) = sin 0 = 0,77 d) tan 0 = tan (0 80 ) = tan 0 =,9 e)
LisätiedotMatematiikan tukikurssi
Matematiikan tukikurssi Kertausluento 2. välikokeeseen Toisessa välikokeessa on syytä osata ainakin seuraavat asiat:. Potenssisarjojen suppenemissäde, suppenemisväli ja suppenemisjoukko. 2. Derivaatan
LisätiedotMS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1
MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Riikka Korte (Pekka Alestalon kalvojen pohjalta) Aalto-yliopisto 24.10.2016 Sisältö Derivaatta 1.1 Derivaatta Erilaisia lähestymistapoja: I geometrinen
LisätiedotMatemaattisen analyysin tukikurssi
Matemaattisen analyysin tukikurssi 10. Kurssikerta Petrus Mikkola 22.11.2016 Tämän kerran asiat Globaali ääriarvo Konveksisuus Käännepiste L Hôpitalin sääntö Newtonin menetelmä Derivaatta ja monotonisuus
LisätiedotReaalifunktiot 1/5 Sisältö ESITIEDOT: funktiokäsite
Reaalifunktiot 1/5 Sisältö ESITIEDOT: funktiokäsite Hakemisto KATSO MYÖS: potenssi, juuret, polnomit, rationaalifunktiot, eksponenttifunktio, logaritmifunktio, trigonometriset funktiot, arcusfunktiot,
LisätiedotMATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai
. (Teht. s. 93.) Määrää raja-arvo MATP53 Approbatur B Harjoitus 6 Maanantai 7..5 cos x x. Ratkaisu. Suora sijoitus antaa epämääräisen muodon (ei auta). Laventamalla päädytään muotoon ja päästään käyttämään
LisätiedotAnalyysi 1. Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy Tutki funktion f(x) = x 2 + x 2 jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.
Analyysi 1 Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy 014 1. Tutki funktion x + x jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.. Määritä vakiot a ja b siten, että funktio a x cos x + b x + b sin x, kun x 0, x 4, kun x
LisätiedotKompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57
Kompleksiluvut, 15. kesäkuuta 2017 1/57 Miksi kompleksilukuja? Reaaliluvut lukusuoran pisteet: Tiedetään, että 7 1 0 x 2 = 0 x = 0 1 7 x 2 = 1 x = 1 x = 1 x 2 = 7 x = 7 x = 7 x 2 = 1 ei ratkaisua reaalilukujen
Lisätiedotsaadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?
ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT 209 4 Funktion raja-arvo 4. Määritelmä. Funktion raja-arvon määritelmän ehdosta ε > 0: δ > 0: f) A < ε aina, kun 0 < a < δ, saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla
LisätiedotJohdatus reaalifunktioihin P, 5op
Johdatus reaalifunktioihin 802161P, 5op Pekka Salmi 17. lokakuuta 2016 Pekka Salmi FUNK 17. lokakuuta 2016 1 / 205 Yleistä Luennot: ma 1214, pe 1012 Luennoitsija: Pekka Salmi, MA327 Laskupäivä: ke 1014,
LisätiedotEpäyhtälöt 1/7 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt
Epäyhtälöt 1/7 Sisältö Epäyhtälö Epäyhtälöllä tarkoitetaan ehtoa, missä kahdesta lausekkeesta toinen on suurempi tai mahdollisesti yhtä suuri kuin toinen: f(x) < g(x), f(x) g(x).merkit voidaan luonnollisesti
LisätiedotMS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus
MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus Antti Rasila Aalto-yliopisto Syksy 2015 Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0202 Syksy 2015 1 / 18
LisätiedotRatkaise tehtävä 1 ilman teknisiä apuvälineitä! 1. a) Yhdistä oikea funktio oikeaan kuvaajaan. (2p)
Matematiikan TESTI 3, Maa7 Trigonometriset funktiot RATKAISUT Sievin lukio II jakso/07 VASTAA JOKAISEEN TEHTÄVÄÄN! MAOL/LIITE/taulukot.com JA LASKIN ON SALLITTU ELLEI TOISIN MAINITTU! TARKISTA TEHTÄVÄT
LisätiedotMatematiikan peruskurssi 2
Matematiikan peruskurssi Tentti, 9..06 Tentin kesto: h. Sallitut apuvälineet: kaavakokoelma ja laskin, joka ei kykene graaseen/symboliseen laskentaan Vastaa seuraavista viidestä tehtävästä neljään. Saat
Lisätiedot2 Funktion derivaatta
ANALYYSI B, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT 2018 2 Funktion derivaatta 1. Määritä derivaatan määritelmää käyttäen f (), kun (a), (b) 1 ( > 0). 2. Tutki, onko funktio sin(2) sin 1, kun 0, 2 0, kun = 0, derivoituva
LisätiedotKarteesinen tulo. Olkoot A = {1, 2, 3, 5} ja B = {a, b, c}. Näiden karteesista tuloa A B voidaan havainnollistaa kuvalla 1 / 21
säilyy Olkoot A = {1, 2, 3, 5} ja B = {a, b, c}. Näiden karteesista tuloa A B voidaan havainnollistaa kuvalla c b a 1 2 3 5 1 / 21 säilyy Esimerkkirelaatio R = {(1, b), (3, a), (5, a), (5, c)} c b a 1
LisätiedotTehtävä 1. Miksi seuraavat esimerkit eivät ole funktioita? 1. f : R Z, f(x) = x 2. 2 kun x on parillinen,
Funktiotehtävät, 10. syyskuuta 005, sivu 1 / 4 Perustehtävät Tehtävä 1. Miksi seuraavat esimerkit eivät ole funktioita? 1. f : R Z, f(x) = x. kun x on parillinen, f : N {0, 1, }, f(x) = 1 kun x on alkuluku,
LisätiedotDifferentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /
MS-A8 Differentiaali- ja integraalilaskenta, V/7 Differentiaali- ja integraalilaskenta Ratkaisut 5. viikolle / 9..5. Integroimismenetelmät Tehtävä : Laske osittaisintegroinnin avulla a) π x sin(x) dx,
LisätiedotCantorin joukko LUKU 8
LUKU 8 Cantorin joukko 8.. Cantorin 3 -joukko Merkitään J = J 0, = [0, ]. Poistetaan välin J keskeltä avoin väli I,, jonka pituus on /3; siis I, = (, 2). Olkoot jäljelle jäävät suljetut välit J 3 3, ja
Lisätiedotx = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) + 1 3 1 + 4 2 + 5 2 = 21 21 = 21 tosi
Mallivastaukset - Harjoituskoe F F1 a) (a + b) 2 (a b) 2 a 2 + 2ab + b 2 (a 2 2ab + b 2 ) a 2 + 2ab + b 2 a 2 + 2ab b 2 4ab b) tan x 3 x π 3 + nπ, n Z c) f(x) x2 x + 1 f (x) 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 2x2
LisätiedotMatematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)
Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus 4 9.4.-23.4.200 Malliratkaisut (Sauli Lindberg). Näytä, että Lusinin lauseessa voidaan luopua oletuksesta m(a)
LisätiedotDiplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)
Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 017 Insinöörivalinnan matematiikan koe 30..017, Ratkaisut (Sarja A) 1. a) Lukujen 9, 0, 3 ja x keskiarvo on. Määritä x. (1 p.) b) Mitkä reaaliluvut
Lisätiedot1 sup- ja inf-esimerkkejä
Alla olevat kohdat (erityisesti todistukset) ovat lähinnä oheislukemista reaaliluvuista, mutta joihinkin niistä palataan myöhemmin kurssilla. 1 sup- ja inf-esimerkkejä Kaarenpituus. Olkoon r: [a, b] R
Lisätiedot4.3 Moniulotteinen Riemannin integraali
4.3 Moniulotteinen Riemannin integraali Tässä luvussa opitaan miten integroidaan usean muuttujan reaaliarvoista tai vektoriarvoista funktiota, millaisten joukkojen yli jatkuvaa funktiota voi integroida,
LisätiedotTAMPEREEN YLIOPISTO Luonnontieteiden kandidaatin tutkielma. Mika Kähkönen. L'Hospitalin sääntö
TAMPEREEN YLIOPISTO Luonnontieteiden kandidaatin tutkielma Mika Kähkönen L'Hospitalin sääntö Matematiikan, tilastotieteen ja losoan laitos Matematiikka Lokakuu 007 Sisältö 1 Johdanto 3 1.1 Tutkielman sisältö........................
LisätiedotKompleksianalyysi, viikko 6
Kompleksianalyysi, viikko 6 Jukka Kemppainen Mathematics Division Funktion erikoispisteet Määr. 1 Jos f on analyyttinen pisteen z 0 aidossa ympäristössä 0 < z z 0 < r jollakin r > 0, niin sanotaan, että
LisätiedotDifferentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /
MS-A008 Differentiaali- ja integraalilaskenta, V/207 Differentiaali- ja integraalilaskenta Ratkaisut 2. viikolle / 8. 2.4. Jatkuvuus ja raja-arvo Tehtävä : Määritä raja-arvot a) 3 + x, x Vihje: c)-kohdassa
LisätiedotRollen lause polynomeille
Rollen lause polynomeille LuK-tutkielma Anna-Helena Hietamäki 7193766 Matemaattisten tieteiden tutkinto-ohjelma Oulun yliopisto Kevät 015 Sisältö 1 Johdanto 1.1 Rollen lause analyysissä.......................
LisätiedotKOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY exp z., k = 1, 2,... Eksponenttifunktion z exp(z) Laurent-sarjan avulla
KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012 RITVA HURRI-SYRJÄNEN 11. Integrointi erillisen erikoispisteen ympäri Olkoot f analyyttinen punkteeratussa kiekossa D(z 0.r\{z 0 }. Funktiolla f on erikoispiste z 0.
Lisätiedot