Differentiaali- ja integraalilaskenta

Transkriptio

1 Differentiaali- ja integraalilaskenta Opiskelijan nimi: DIFFERENTIAALILASKENTA 1. Raja-arvon käsite, derivaatta raja-arvona 1.1 Raja-arvo pisteessä 1.2 Derivaatan määritelmä 1.3 Derivaatta raja-arvona 2. Derivoimiskaavat 2.1 Perusfunktioiden derivaatat 2.2 Tulon ja osamäärän derivaatat 2.3 Yhdistetyn funktion derivaatta 2.4 Osittaisderivaatat 3. Derivaatan sovelluksia 3.1 Yhden muuttujan funktion absoluuttinen virhe 3.2 Kokonaisdifferentiaali virheen arvioinnissa 3.3 Suhteellisen virheen menetelmä virheen arvioinnissa 3.4 Funktion suurin ja pienin arvo 3.5 Newtonin menetelmä yhtälön ratkaisemisessa INTEGRAALILASKENTA 4. Integraalifunktio 4.1 Integraalifunktion määritelmä 4.2 Integrointia integroimiskaavoilla 5. Määrätty integraali 5.1 Määrätyn integraalin laskeminen manuaalisesti 5.2 Määrätyn integraalin sovelluksia, mm. a. pinta-alat b. pyörähdyskappaleen tilavuus c. tasoalueen painopiste d. pyörähdyskappaleen painopiste e. kaaren pituus f. pyörähdyspinnan ala g. integrointi numeerisesta datasta

2 1 RAJA-ARVON KÄSITE, DERIVAATAN MÄÄRITELMÄ 1.1 Raja-arvo annetussa pisteessä, jossa varsinaista funktion arvoa ei voida laskea Laske seuraavat murtolausekkeiden raja-arvot käyttäen supistamista ennen rajaarvokohdan sijoitusta. 1. lim x 0 2 x 3x x 2. lim h 0 2 h 2hx h 3. lim x 2 x 2 2 x Raja-arvon määrittämistä kokeellisesti laskimella Määritä seuraavat murtolausekkeiden raja-arvot käyttäen laskinta (sijoittamalla muuttujalle arvoja hyvin läheltä raja-arvokohtaa). Täydennä laskemasi arvot taulukkoon ja anna arviosi raja-arvosta. 4. sin( x) ( laskin oltava radiaani moodissa ) x lim x 0 x sin(x)/x Arvioni raja-arvoksi =. 5. lim x 1 2 x x 2 2 x 4x 3 x lauseke Arvioni raja-arvoksi =.

3 1.3 Funktion derivaatan määrittäminen raja-arvona (kokeilemalla) 6. Määritä funktion y = x derivaatan likiarvo kohdassa x = 2 perustuen seuraavaan taulukkoon funktion arvoista x y = x Seuraavassa on erään auton nopeuksia 0,5 sekunnin välein. Määritä niiden perusteella auton kiihtyvyys ajanhetkellä t = 3.0 s. Auton kiihtyvyys määritellään auton nopeuden derivaattana tarkasteltavana ajanhetkenä. aika t (s) nopeus v (m/s)

4 2 DERIVOIMISKAAVAT 2.1 Perusfunktioiden derivaatat Suorita seuraavat derivoinnit 8. D(-7x x 2 2x + 11) 9. D (2x 2016 ) 10. D( x x23 ) 11. D (- 3 x 3 ) 12. D (2 x) 13. D( 1 3 x 2 ) 14. D (3 sin(x) 5 cos(x)) 15. D (x 2 5 ln(x)) 16. D (2 e x 5 tan(x)) 2.2 Tulon ja osamäärän derivoimiskaavat 17. D (x sin(x)) 18. D (x 2 e x ) 19. D (x ln(x)) 20. D ((2x 2 +1) cos(x))

5 21. D 2x 1 x D sin (x) x 23. D ex x Yhdistetyn funktion derivaatta 24. D sin(4x) 25. D cos(2x + 1) 26. D (4 sin(3x) 3 cos(5x) ) 27. D e 2x 28. D e -x 29. D 3 e x D ln(4x + 7) 2.4 Osittaisderivaatat Huom. Merkintätapa D(x 2 y + 3x, x) tarkoittaa lausekkeen x 2 y + 3x osittaisderivaattaa x:n suhteen (muita parametreja pidetään vakioina). Ko. osittaisderivaatta on 2xy + 3. Samaa merkintätapaa käytetään matematiikkaohjelmissa ja laskimissa. Kirjallisuudessa merkitä on monimutkaisempi: (x 2 y+3x) x 31. D (a 2 b + 2a b, a) 32. D ( ½ CU 2, U) 33. D ( a b, b) 34. D ( U2 R, U)

6 35. D ( U2 R, R) 36. D ( π 4 d2 h, d) 37. D ( π 4 d2 h, h) 3. DERIVAATAN SOVELLUKSIA 3.1 Yhden muuttujan funktion absoluuttinen virhe 38. Kuution tilavuutta varten mitattiin kuution särmäksi a = 2.00 cm. Mittauksessa absoluuttinen virhe oli 0.05 cm. Määritä kuution tilavuus virherajoineen. 39. Pallon tilavuuden kaava on V = π 6 d3, missä d on pallon halkaisija. Jalkapallon halkaisija on 22.0 cm, missä virhemariginaali on 0.3 cm. Määritä pallon tilavuus virherajoineen. Ilmoita tulos kuutiosenteissä ja litroina.

7 3.2 Kokonaisdifferentiaali virheen arvioinnissa 40. Sylinterin tilavuus lasketaan kaavalla V = π 4 d2 h, missä d on sylinterin pohjan halkaisija ja h on sylinterin korkeus. Erään sylinterin muotoisen öljysäiliön pohjan halkaisija d = 500 cm ± 5 cm ja korkeus h = 280 ± 4 cm. Määritä säiliön tilavuus virherajoineen. Syötä lähtöarvot metreinä, jolloin tulos tulee kuutiometreinä. 41. Metallikuulan tiheys ρ määritettiin mittaamalla kuulan halkaisija ja punnitsemalla kuula vaa alla. Mittaustulokset ja mittaamiseen liittyvät epätarkkuudet olivat seuraavat: kuulan halkaisija d = 2.00 cm ± 0.05 cm kuulan massa m = g ± 0.05 g Laske metallikuulan tiheys kaavalla ρ = m V = m π 6 d3 ja määritä tiheyden absoluuttinen virhe laskemalla osavirheet, jotka aiheutuvat kummastakin mittauksesta. Tulosten yksikkö on g/cm 3.

8 42. Kolmion muotoisen maa-alueen kaksi sivua ovat a = 184 m ± 1 m ja b = 215 m ± 1 m. Sivujen välinen kulma γ = 34.7 ± 0.1. Laske alueen pinta-ala virherajoineen. 3.3 Suhteellisen virheen menetelmä virheen arvioinnissa 43. Laske tehtävä 39 käyttäen suhteellisen virheen menetelmää. 44. Laske tehtävä 40 käyttäen suhteellisen virheen menetelmää.

9 45. Laske tehtävä 41 käyttäen suhteellisen virheen menetelmää. 46. Voiko suhteellisen virheen menetelmää käyttää tehtävässä 42? 3.4 Funktion suurin ja pienin arvo 47. Suorakaiteen muotoinen rantatontti aidataan maarajoiltaan yht. 600 m pituisella aidalla. Määritä sellaiset tontin sivut x ja y, että tontin ala on maksimissaan.

10 48. Sataman sylinterin muotoisen öljysäiliön tilavuus on 250 m 3. Määritä sen mitat: pohjan halkaisija d ja korkeus h siten, että öljysäiliön valmistukseen käytetyn teräksen määrä on minimissään. Oletetaan, että säiliö on kauttaaltaan tehty tasavahvuisesta teräslevystä. Sähkökaapeli vedetään Kemijoen poikki muuntajalta A muuntajalle B kuvan mukaisesti. Kaapelin hinta on maalla 10 /m 2 ja joen pohjalla 20 /m 2. Määritä kaapelin rantautumiskohta C siten, että kaapelin kokonaiskustannukset olisivat mahdollisimman pienet. 49. Neliöpohjaisen kannettoman laatikon tilavuus on 20 dm 3. Määritä laatikon särmien pituudet x ja y, kun laatikko on valmistettu siten, että pahvin kulutus on minimoitu.

11 3.5 Newtonin menetelmä yhtälön ratkaisemisessa 50. Määritä Newtonin iteraatiomenetelmällä yhtälön x 3 + 3x 1 = 0 ainoa reaalijuuri kahden desimaalin tarkkuudella. 51. Ratkaise Newtonin menetelmällä toisen asteen yhtälö 1.5 x x 5.0 = 0 (molemmat juuret). Esim. alkuarvolla 5 iteraatio johtaa vasemmanpuolimmaiseen juureen, alkuarvo 5 johtaa oikeanpuolimmaiseen. 52. Määritä Newtonin menetelmällä yhtälön x x + 1 = 0 ainoan juuren likiarvo 2. desimaalin tarkkuudella. Differentiaalilaskennan osuus päättyy tähän

12 Merkitse alla olevaan taulukkoon differentiaalilaskennan osiosta laskemasi laskut Vastauksia 1) 2) 3) 4) 5) 3 2x -¼ ) 7) 8) 9) 10) m/s 2-21x 2 +6x x ¼+ 46/3x 22 11) 12) 13) 14) 15) 9/x 4 1/ x 1/6x -2/3 3cos(x)+5sin(x) 2x-5/x 16) 17) 18) 19) 20) 2e x -5/cos(x) 2 sin(x)+x* cos(x) (2x+x 2 )e x ln(x) + 1 4x cos(x)- (2x 2 +1)sin(x) 21) 22) 23) 24) 25 3 x cos(x) sin (x) e x (x + 1) 4 cos(4x) -2 sin(2x+1) (x + 1) 2 x 2 (x + 2) 2 26) 27) 28) 29) 30) 12cos(3x)+ 2e 2x -x e -x 6xe x sin(5x) 4x ) 32) 33) 34) 35) 2ab + 2 CU -a/b 2 2U/R -U/R 2 36) 37) 38) 39) 40) π 2 dh π ( ) 4 d2 cm3 ( ) ltr (55 2) m 3 41) 42) 43) 44) 45) ( ) g/cm 3 ( ) m 2 ( ) ltr (55 2) m 3 ( ) g/cm 3 46) 47) 48) 49) 50) ei voi 150mx300m d=6.83 m h = 6.83 m x=800 m x=3.42 dm y=1.71 dm 51) 52) 53) x = tai x = 3.44 x =