Kaikkia alla olevia kohtia ei käsitellä luennoilla kokonaan, koska osa on ennestään lukiosta tuttua.



Samankaltaiset tiedostot
Funktion määrittely (1/2)

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 6: Alkeisfunktioista

Fysiikan matematiikka P

TRIGONOMETRISET JA HYPERBOLISET FUNKTIOT

Äärettömät raja-arvot

Olkoon funktion f määrittelyjoukkona reaalilukuväli (erityistapauksena R). Jos kaikilla määrittelyjoukon luvuilla x 1 ja x 2 on voimassa ehto:

0. Kertausta. Luvut, lukujoukot (tavalliset) Osajoukot: Yhtälöt ja niiden ratkaisu: N, luonnolliset luvut (1,2,3,... ) Z, kokonaisluvut

Sini- ja kosinifunktio

2 Funktion derivaatta

Matemaattisen analyysin tukikurssi

6 Eksponentti- ja logaritmifunktio

Matematiikan tukikurssi

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

MS-A010X Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

MS-A010X Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Matematiikan peruskurssi 2

MS-A010X Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

MS-A010X Di erentiaali- ja integraalilaskenta 1

Reaaliluvuista. Yleistä funktio-oppia. Trigonometriset funktiot. Eksponentti- ja logaritmifunktiot. LaMa 1U syksyllä 2011

1. Viikko. K. Tuominen MApu II 1/17 17

Matematiikan tukikurssi

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

MAT Laaja Matematiikka 1U. Hyviä tenttikysymyksiä T3 Matemaattinen induktio

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

Talousmatematiikan perusteet: Luento 5. Käänteisfunktio Yhdistetty funktio Raja-arvot ja jatkuvuus

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

Tehtävä 1. Miksi seuraavat esimerkit eivät ole funktioita? 1. f : R Z, f(x) = x 2. 2 kun x on parillinen,

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

Ratkaise tehtävä 1 ilman teknisiä apuvälineitä! 1. a) Yhdistä oikea funktio oikeaan kuvaajaan. (2p)

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

A = (a 2x) 2. f (x) = 12x 2 8ax + a 2 = 0 x = 8a ± 64a 2 48a x = a 6 tai x = a 2.

3 Derivoituvan funktion ominaisuuksia

k-kantaisen eksponenttifunktion ominaisuuksia

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 3. viikolle /

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Juuri 7 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty c) sin 50 = sin ( ) = sin 130 = 0,77

Johdatus matematiikkaan

Todista, että jokaisella parittoman asteen reaalikertoimisella polynomilla on ainakin yksi reaalinen nollakohta. VASTAUS: ...

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

Talousmatematiikan perusteet: Luento 5. Käänteisfunktio Yhdistetty funktio Raja-arvot ja jatkuvuus

x = 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) = = 21 tosi

Matematiikan peruskurssi 2

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

1. Osoita juuren määritelmän ja potenssin (eksponenttina kokonaisluku) laskusääntöjen. xm = ( n x) m ;

Lineaarialgebra MATH.1040 / trigonometriaa

1.1. YHDISTETTY FUNKTIO

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

b) Määritä/Laske (ei tarvitse tehdä määritelmän kautta). (2p)

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 4: Derivaatta

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

plot(f(x), x=-5..5, y= )

5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia. 1. Tarkastellaan väitettä

a) Mikä on integraalifunktio ja miten derivaatta liittyy siihen? Anna esimerkki = 16 3 =

1. Murtoluvut, murtolausekkeet, murtopotenssit ja itseisarvo

1 Kompleksiluvut. Kompleksiluvut 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 7

Funktiot, L4. Funktio ja funktion kuvaaja. Funktio ja kuvaus. Yhdistetty funktio. eksponenttifunktio. Logaritmi-funktio. Logaritmikaavat.

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy Tutki funktion f(x) = x 2 + x 2 jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.

VII. KOMPLEKSILUVUT. VII.1. Laskutoimitukset

MS-A0103 / Syksy 2015 Harjoitus 2 / viikko 38 / Ennakot

Sisältö. Funktiot 12. syyskuuta 2005 sivu 1 / 25

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Trigonometriset funktiot

d Todista: dx xn = nx n 1 kaikilla x R, n N Derivaatta Derivaatta ja differentiaali

Sinin ja kosinin erilaiset määrittelytavat

Opiskelijan pikaopas STACK-tehtäviin. Lassi Korhonen, Oulun yliopisto

Trigonometriset funk/ot

Funktio 1. a) Mikä on funktion f (x) = x lähtöjoukko eli määrittelyjoukko, kun 0 x 5?

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 10: Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälö

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

Radiaanit. Kun kulman α suuruus nyt mitataan tämän kaaren pituutena, saadaan kulmaan arvo radiaaneissa.

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

3. Reaalifunktioiden määräämätön integraali

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 1

f(x) f(y) x y f f(x) f(y) (x) = lim

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

LASKIN ON SALLITTU ELLEI TOISIN MAINITTU! TARKISTA TEHTÄVÄT KOKEEN JÄLKEEN JA ANNA PISTEESI RUUTUUN!

Matriisilaskenta Luento 10: Polaarimuoto ja kompleksilukujen geometriaa

Rautaisannos. Simo K. Kivelä

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

Todennäköisyyslaskenta IIa, syys lokakuu 2019 / Hytönen 3. laskuharjoitus, ratkaisuehdotukset

Trigonometriset funk/ot

1 Määritelmä ja perusominaisuuksia. 2 Laskutoimitukset kompleksiluvuilla. 3 Reaaliluvut ja kompleksiluvut. 4 Kompleksilukujen algebraa

Positiivitermisten sarjojen suppeneminen

Mapusta. Viikon aiheet

4 Korkeamman kertaluvun differentiaaliyhtälöt

HARJOITUKSIA, SYKSY x

Pyramidi 9 Trigonometriset funktiot ja lukujonot HK1-1. Dsin3 x. 3cos3x. Dsinx. u( x) sinx ja u ( x) cosx. Dsin. Dsin

Diskreetti derivaatta

Transkriptio:

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 a täsmälleen yhden B:n alkion b. Merkitään b = f(a). Tässä A = M f on f:n määrittelyjoukko ja B on f:n maalijoukko. Funktion f arvojoukko (eli kuvajoukko) on B:n osajoukko f[a] = {f(a) a A}. Esimerkiksi funktion f : R R, f(x) = x 2, maalijoukko on R, mutta sen arvojoukko on [0, [. Edellisen esimerkin funktio voidaan toki määritellä suoraan muodossa f : R [0, [, f(x) = x 2, jolloin arvojoukko on sama kuin maalijoukko. Näin voidaan periaatteessa menetellä kaikkien funktioiden kohdalla, mutta se ei yleensä ole käytännöllistä. Esimerkki: Yritä tehdä sama funktiolle f : R R, f(x) = x 6 + x 2 + x, x R. Jos funktion määrittelyjoukko A R, niin kyseessä on yhden muuttujan funktio, joita tällä kurssilla käsitellään. Jos A R n, n 2, niin kyseessä on usean muuttujan funktio, joita käsitellään kursseilla Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 3. 6.2 Käänteisfunktio Funktio f : A B on injektio, jos eri pisteissä saadaan eri arvot, ts. x x 2 f(x ) f(x 2 ), ts. f(x ) = f(x 2 ) x = x 2. surjektio, jos arvojoukko on sama kuin maalijoukko, ts. fa = B. bijektio, jos se on sekä injektio että surjektio. Huom: Funktiosta tulee surjektio, kun maalijoukko kutistetaan mahdollisimman pieneksi, eli jätetään pois kaikki ne pisteet, jotka eivät ole funktion arvoja. Toinen tapa määritellä nämä käsitteet perustuu yhtälön ratkaisujen lukumäärän tutkimiseen: Jos y B on kiinteä, niin yhtälöllä y = f(x) on

korkeintaan yksi ratkaisu x A, jos f on injektio ainakin yksi ratkaisu, jos f on surjektio täsmälleen yksi ratkaisu, jos f on bijektio. Jos f : A B on bijektio, niin sillä on käänteisfunktio f : B A, joka määräytyy ehdosta y = f(x) x = f (y). Käänteisfunktiolle pätee f (f(a)) = a kaikilla a A ja f(f (b)) = b kaikilla b B. Käänteisfunktion kuvaaja on alkuperäisen kuvaajan peilikuva suoran y = x suhteen. Perustelu: piste (a, b) on funktion f kuvaajalla b = f(a) a = f (b) piste (b, a) on funktion f kuvaajalla. Lisäksi operaation (a, b) (b, a) geometrinen tulkinta on peilaus suoran y = x suhteen. Jos A R ja f : A R on aidosti monotoninen, niin funktiolla f : A f[a] on käänteisfunktio. Jos yllä A on väli ja f on jatkuva, niin myös f on jatkuva joukossa f[a]. Käänteisfunktion derivaatta: f : ]a, b[ ]c, d[ aidosti monotoninen surjektio, jolloin f:llä on käänteisfunktio f : ]c, d[ ]a, b[. Tällöin kuvaajat y = f(x) ja y = f (x) ovat toistensa peilikuvia suoran y = x suhteen ja ( f ) (x) = f (f (x)), jos f (f (x)) 0. Huom: f (f (x)) = funktion f derivaatta laskettuna pisteessä f (x). 6.3 Trigonometriset funktiot Kulman yksikkö radiaani = rad: kulmaa vastaavan yksikköympyrän osan kaarenpituus. π rad = 80 astetta, ts. rad = 80/π 57,3 astetta Funktiot sin x, cos x määritellään yksikköympyrän avulla niin, että (cos x, sin x), x [0, 2π], on yksikköympyrän parametrisointi kaarenpituuden x avulla. Jaksollisuus: tan x = sin x cos cot x = cos x sin x (x π/2 + nπ), (x nπ) sin(x + 2π) = sin x, cos(x + 2π) = cos x, tan(x + π) = tan x 2

Ominaisuuksia: sin 0 = 0, sin(π/2) =, cos 0 =, cos(π/2) = 0, sin( x) = sin x, cos( x) = cos x, tan( x) = tan x, sin 2 x + cos 2 x =, Yhteenlaskukaavat: sin(x + y) = sin x cos y + cos x sin y, cos(x + y) = cos x cos y sin x sin y Derivaatat: D(sin x) = cos x, D(cos x) = sin x Edellisestä seuraa, että molemmat funktiot y(t) = sin ωt ja y(t) = cos ωt toteuttavat differentiaaliyhtälön y (t) + ω 2 y(t) = 0, joka kuvaa ns. harmonista värähtelyä. Tässä muuttuja t on aika ja vakio ω > 0 on värähtelyn kulmataajuus. Kuten myöhemmin nähdään, differentiaaliyhtälön kaikki ratkaisut ovat muotoa y(t) = A cos ωt + B sin ωt, jossa A, B ovat vakioita. Ne määräytyvät yksikäsitteisesti, jos tunnetaan esimerkiksi alkutila y(0) ja alkunopeus y (0). Kaikki ratkaisut ovat jaksollisia ja niiden jaksonaika on T = 2π/ω. 6.4 arcus-funktiot Trigonometrisilla funktioilla on käänteisfunktio, jos funktioiden määrittelyja maalijoukkoja rajoitetaan sopivalla tavalla. Sini-funktio sin: [ π/2, π/2] [, ] on aidosti kasvava bijektio. Kosini-funktio cos: [0, π] [, ] on aidosti vähenevä bijektio. Tangentti-funktio tan: ] π/2, π/2[ R on aidosti kasvava bijektio. 3

Käänteisfunktiot: Siis: arctan x ] π/2, π/2[, kun x R, arcsin x [ π/2, π/2], kun x [, ], arccos x [0, π], kun x [, ] x = tan α α = arctan x, kun α ] π/2, π/2[ x = sin α α = arcsin x, kun α [ π/2, π/2] x = cos α α = arccos x, kun α [0, π] Huom: arc annetaan radiaaneissa, ellei kyseessä ole geometrinen sovellus. Käänteisfunktioiden derivaatat D arctan x = D arcsin x = D arccos x = + x, x R 2, < x < x 2 x 2, < x < 6.5 Eksponentti- ja logaritmi Neperin luku e = ( lim + ) n = + + n n 2! + 3! + 4! +... 2,7828828459... Eksponenttifunktio exp: exp (x) = n=0 x n ( n! = lim + x n = e n n) x. Määritelmä (sarjakehitelmä) perustuu ominaisuuteen exp (x) = exp (x), jonka vuoksi eksponenttifunktio on tärkeä differentiaaliyhtälöiden ratkaisemisessa. Yhteys erilaisten määritelmien välillä on suoraviivainen, mutta pitkähkö lasku, joka pääosin sivuutetaan tällä kurssilla. Päättely etenee esimerkiksi seuraavalla tavalla: 4

Määritellään exp: R R, exp (x) = k=0 x k k!. Osoitetaan: exp on derivoituva ja toteuttaa exp (x) = exp (x) kaikilla x R. Se toteuttaa myös ominaisuudet exp (0) =, exp ( x) = /exp (x) ja exp (x + y) = exp (x) exp (y) kaikilla x, y R. Edellisistä seuraa, että exp (p/q) = (exp ()) p/q kaikille rationaaliluvuille p/q Q. Jatkuvuuden perusteella exp (x) = (exp ()) x kaikilla x R. Koska exp () = ( k=0 = lim k! n + n n) = e, niin eksponenttifunktiolle saadaan muoto e x. Lisäksi edellisistä seuraa, että exp: R ]0, [ on aidosti kasvava bijektio, jolle lim exp (x) =, lim x exp (x) = 0, lim x x Jatkossa kirjoitetaan e x = exp (x). Ominaisuuksia: x n exp (x) e 0 =, e x > 0 kaikilla x, D(e x ) = e x, e x = /e x, (e x ) y = e xy, e x e y = e x+y Logaritmifunktio = eksponenttifunktion käänteisfunktio: Ominaisuuksia ln x, x > 0 e ln x = x, ln(e x ) = x, ln = 0, ln e =, = 0 kaikilla n N. ln(a b ) = b ln a, ln(ab) = ln a + ln b, D ln x = /x, x 0 Eksponenttifunktion avulla voidaan ratkaista täydellisesti differentiaaliyhtälö y = ky, kun k on vakio: Kaikki funktiot y = y(x), joille on voimassa y (x) = ky(x) kaikilla x R, ovat muotoa y(x) = Ce kx, jossa C on vakio. Vakio C kiinnittyy, jos funktion y arvo tunnetaan jossakin pisteessä x 0. Tällöin differentiaaliyhtälön ratkaisu on yksikäsitteinen. 5

6.6 Eulerin kaava Imaginaariyksikkö i: luku, joka toteuttaa i 2 =. Kompleksiluvut muotoa z = x + iy, jossa x, y R. Katso tarkemmin erillistä monistetta kompleksiluvuista. Kun ensponenttifunktion sarjakehitelmään sijoitetaan muuttujan paikalle ix ja ryhmitellään termit sopivalla tavalla, niin saadaan Eulerin kaava e ix = cos x + i sin x. Seurauksena on kaava e iπ + = 0, jota jotkut pitävät matematiikan hienoimpana kaavana. Se sitoo toisiinsa tärkeimmät luvut 0,, i, e ja π sekä kolme laskutoimitusta. 6.7 Hyperboliset funktiot Hyperbolinen sini sinus hyperbolicus sinh, hyperbolinen kosini cosinus hyperbolicus cosh ja hyperbolinen tangentti tanh: sinh x = 2 (ex e x ) cosh x = 2 (ex + e x ) tanh x = sinh x cosh x Ominaisuuksia: cosh 2 x sinh 2 x = ; kaikilla trigonometrisilla kaavoilla on hyperbolinen vastine, joka seuraa yhteyksistä sinh(ix) = i sin x, cosh(ix) = cos x. Kaavoissa sin 2 -termien merkki vaihtuu, muut pysyvät samoina. Derivaatat: D sinh x = cosh x, D cosh x = sinh x. Käänteisfunktiot; lyhenne ar viittaa sanaan area, sillä käänteisfunktioilla on geometrinen tulkinta eräänä hyperbeliin liittyvänä pinta-alana: sinh x = ar sinh x = ln(x + + x 2 ), x R cosh x = ar cosh x = ln(x + x 2 ), x 6