Outoja funktioita. 0 < x x 0 < δ ε f(x) a < ε.



Samankaltaiset tiedostot
Matemaattisen analyysin tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 5

3 Lukujonon raja-arvo

Esimerkki kaikkialla jatkuvasta muttei missään derivoituvasta funktiosta

Kuinka määritellään 2 3?

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

3 Lukujonon raja-arvo

Sisältö. Sarjat 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 17

1 Reaaliset lukujonot

8 Potenssisarjoista. 8.1 Määritelmä. Olkoot a 0, a 1, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.1. Muotoa

Reaaliluvut. tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku 1 / 13

Sarjojen suppenemisesta

Todista raja-arvon määritelmään perustuen seuraava lause: Jos lukujonolle a n pätee lima n = a ja lima n = b, niin a = b.

Tenttiin valmentavia harjoituksia

x > y : y < x x y : x < y tai x = y x y : x > y tai x = y.

Lukujoukot. Luonnollisten lukujen joukko N = {1, 2, 3,... }.

5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Sarja. Lukujonosta (a k ) k N voi muodostaa sen osasummien jonon (s n ): s 1 = a 1, s 2 = a 1 + a 2, s 3 = a 1 + a 2 + a 3,...,

Funktiojonon tasainen suppeneminen

Matematiikan tukikurssi

nyky-ymmärryksemme mukaan hajaantuvaan sarjaan luvun 1 2 kun n > N Huom! Määritelmä on aivan sama C:ssä ja R:ssä. (Kuva vain on erilainen.

Jonot. Lukujonolla tarkoitetaan ääretöntä jonoa reaalilukuja a n R, kun indeksi n N. Merkitään. (a n ) n N = (a n ) n=1 = (a 1, a 2, a 3,... ).

Vastausehdotukset analyysin sivuainekurssin syksyn välikokeeseen

reaalifunktioiden ominaisuutta, joiden perusteleminen on muita perustuloksia hankalampaa. Kalvoja täydentää erillinen moniste,

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

Konvergenssilauseita

Alkulukujen harmoninen sarja

Äärettömistä joukoista

Funktiojonot ja funktiotermiset sarjat Funktiojono ja funktioterminen sarja Pisteittäinen ja tasainen suppeneminen

(iv) Ratkaisu 1. Sovelletaan Eukleideen algoritmia osoittajaan ja nimittäjään. (i) 7 = , 7 6 = = =

Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 11 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma

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

Kompleksianalyysi, viikko 5

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

Täydellisyysaksiooman kertaus

Positiivitermisten sarjojen suppeneminen

Weierstrassin funktiosta

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Reaalilukujonoista ja niiden merkityksestä kouluopetuksessa

Vastauksia. Topologia Syksy 2010 Harjoitus 1

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

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Matematiikan tukikurssi

Matemaattisten työvälineiden täydentäviä muistiinpanoja

1 Määrittelyjä ja aputuloksia

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Funktiot ja raja-arvo. Pekka Salmi

Matematiikan tukikurssi

Riemannin sarjateoreema

Matematiikan tukikurssi

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

1 Supremum ja infimum

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

3 Raja-arvo ja jatkuvuus

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 1. viikolle /

3.1 Väliarvolause. Funktion kasvaminen ja väheneminen

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1. Ritva Hurri-Syrjänen/Syksy 1999/Luennot 6. FUNKTION JATKUVUUS

MS-C1540 Euklidiset avaruudet

Calkinin-Wiln jono 1/2 2/2 3/2 4/2 5/2 6/2... 1/3 2/3 3/3 4/3 5/3 6/3... 1/4 2/4 3/4 4/4 5/4 6/4... 1/5 2/5 3/5 4/5 5/5 6/5...

1 sup- ja inf-esimerkkejä

7. Tasaisen rajoituksen periaate

saadaan kvanttorien järjestystä vaihtamalla ehto Tarkoittaako tämä ehto mitään järkevää ja jos, niin mitä?

Raja-arvot ja jatkuvuus

Induktiota käyttäen voidaan todistaa luonnollisia lukuja koskevia väitteitä, jotka ovat muotoa. väite P(n) on totta kaikille n = 0,1,2,...

2 Funktion derivaatta

Funktion derivoituvuus pisteessä

DIFFERENTIAALI- JA INTEGRAALILASKENTA I.1 1. ALUKSI. Joukko-oppia

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

Matematiikan tukikurssi

ANALYYSI 2. Camilla Hollanti. Tampereen yliopisto x 3. a x 1. x 4 x 11. x 2

Vastaus: 10. Kertausharjoituksia. 1. Lukujonot lim = lim n + = = n n. Vastaus: suppenee raja-arvona Vastaus:

Topologia Syksy 2010 Harjoitus 4. (1) Keksi funktio f ja suljetut välit A i R 1, i = 1, 2,... siten, että f : R 1 R 1, f Ai on jatkuva jokaisella i N,

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

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

Talousmatematiikan perusteet: Luento 2. Sarjat Sovelluksia korkolaskentaan

=p(x) + p(y), joten ehto (N1) on voimassa. Jos lisäksi λ on skalaari, niin

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II kevät 2018 Ratkaisut 1. välikokeen preppaustehtäviin. 1. a) Muodostetaan osasummien jono. S n =

Tehtävä 3. Määrää seuraavien jonojen raja-arvot 1.

VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Johdantoa INTEGRAALILASKENTA, MAA9

1 Peruslaskuvalmiudet

Matematiikan tukikurssi

Matemaattinen Analyysi

Matematiikan taito 9, RATKAISUT. , jolloin. . Vast. ]0,2] arvot.

a) Mitkä seuraavista ovat samassa ekvivalenssiluokassa kuin (3, 8), eli kuuluvat joukkoon

Analyysi 1. Pertti Koivisto

Sarjoja ja analyyttisiä funktioita

Reaaliluvut 1/7 Sisältö ESITIEDOT:

Matematiikan tukikurssi

Funktion approksimointi

Transkriptio:

Outoja funktioita Differentiaalilaskentaa harjoitettiin miltei 200 vuotta ennen kuin sen perustana olevat reaaliluvut sekä funktio ja sen raja-arvo määriteltiin täsmällisesti turvautumatta geometriseen havaintoon ja rajattoman lähestymisen kaltaisiin kuvaileviin ilmaisuihin. Tämä tapahtui 800-luvulla, ja samalla selkiytyivät funktion jatkuvuuteen ja derivoituvuuteen liittyneet ongelmat. Sitä ennen oli jopa yritetty todistaa, että funktion jatkuvuudesta seuraisi derivoituvuus joitakin yksittäisiä kohtia lukuunottamatta. Käsitteiden selkiytymisen myötä keksittiin kuitenkin funktioita, jotka ovat kaikkialla jatkuvia, mutta joilla ei ole derivaattaa yhdessäkään kohdassa. Tällaisten ja muidenkin vastaavien funktioiden olemuksen ymmärtäminen edellyttää siis analyysin peruskäsitteiden tarkkaa tuntemista. Teemme tarvittavat määrittelyt puuttumatta kuitenkaan itse reaalilukuihin. Riittää, että voimme samastaa ne suoran pisteisiin, jolloin on luontevaa puhua niiden välisistä etäisyyksistä. Määrittelyjä Olkoon funktio f määritelty kohdan x 0 eräässä ympäristössä tätä kohtaa mahdollisesti lukuunottamatta. Se, että luku f(x) lähestyy lukua a, kun x lähestyy lukua x 0, tarkoittaa sitä, että jos ε on mikä tahansa positiivinen reaaliluku, niin lukujen f(x) ja a välinen etäisyys on mahdollista tehdä pienemmäksi kuin tuo ε valitsemalla x riittävän läheltä x 0 :aa. Siis funktiolla f on kohdassa x 0 raja-arvo a, jos jokaista positiivista lukua ε vastaa sellainen positiivinen δ ε, että 0 < x x 0 < δ ε f(x) a < ε. Funktio on jatkuva kohdassa x 0 jos funktion raja-arvo kohdassa x 0 on sama kuin funktion arvo tässä kohdassa. Siis funktio f on jatkuva kohdassa x 0, jos jokaista positiivista lukua ε vastaa sellainen positiivinen δ ε, että 0 < x x 0 < δ ε f(x) f(x 0 ) < ε. /5 (200208 )

Jos funktio ei ole jatkuva kohdassa x 0, niin se on epäjatkuva tässä kohdassa. Lukujonolla (a n ) on raja-arvo a, jos lukujen a ja a n välinen etäisyys voidaan tehdä pienemmäksi kuin mikä tahansa positiivinen luku valitsemalla n riittävän suureksi, siis jos jokaista positiivista lukua ε vastaa positiivinen kokonaisluku n ε siten, että n > n ε a a n < ε. Jos jonolla on raja-arvo, niin jono suppenee. Muussa tapauksessa jono hajaantuu. Jos jono on kasvava ja ylhäältä rajoitettu, tai vastaavasti vähenevä ja alhaalta rajoitettu, niin jono on suppeneva. Tämä monotonisen jonon suppenemislause on reaalilukujen täydellisyysaksiooman eräs muoto, joten sitä ei tarvitse todistaa, ks. []. Pidämme myös selvänä, että jos x on mikä tahansa reaaliluku, niin on olemassa pelkistä rationaaliluvuista sekä pelkistä irrationaaliluvuista koostuva jono, jonka raja-arvo on x. Funktion raja-arvo voidaan määritellä myös suppenevien jonojen avulla. Funktiolla f on kohdassa x 0 raja-arvo a, jos jokaiselle kohti x 0 :aa suppenevalle jonolle (x n ), jonka termeille f(x n ) on olemassa, jonon (f(x n )) raja-arvo on a. Jos erityisesti löytyy yksikin kohti lukua x 0 suppeneva jono, jota vastaava funktion arvoista muodostuva jono hajaantuu, niin funktiolla ei ole rajaarvoa kohdassa x 0. Jos taas löytyy kaksi eri jonoa, jotka suppenevat kohti lukua x 0, mutta joita vastaavilla funktion arvoista muodostuvilla jonoilla on eri raja-arvot, niin silloinkaan funktiolla ei ole raja-arvoa kohdassa x 0. Jätämme lukijan todistettavaksi, että tässä annettu raja-arvon määritelmä on yhtäpitävä alkuperäisen (ε,δ)-määritelmän kanssa. Outoja funktioita Esittelemme aluksi harjoitustehtävinä kolme jatkuvuuden käsitettä havainnollistavaa funktiota.. Osoita, että funktio { 0, kun x Q,, kun x R \ Q, on jaksollinen ja epäjatkuva kaikkialla. Määritä funktion jaksot. Saksalainen matemaatikko Johann Peter Gustav Lejeune Dirichlet (805 859) laati tämän esimerkin ilmeisesti osoittaakseen, että on olemassa muitakin kuin lausekkeiden avulla määriteltyjä funktioita. 2/5 (200208 )

2. Osoita, että funktio { x 2, kun x Q, 0, kun x R \ Q, on jatkuva ja derivoituva ainoastaan yhdessä kohdassa. 3. Funktio f on määritelty siten, että 0, kun x R \ Q, ja jos x p/q, missä p Z, q Z + ja syt(p,q), niin /q. Osoita, että tämä funktio on jatkuva jokaisessa irrationaalisessa kohdassa ja epäjatkuva muulloin. Onko f derivoituva irrationaalisissa kohdissa? Kuten alussa totesimme, on olemassa funktioita, jotka ovat kaikkialla jatkuvia mutta eivät missään derivoituvia. Ensimmäiset esimerkit sellaisista keksittiin 800-luvulla, mutta ne ovat hyvin vaikeita. Ehkä yksinkertaisimman mahdollisen esimerkin julkaisi hollantilainen matemaatikko Bartel Leendert van der Waerden (903 996) vuonna 930, ks. [2]. Tutkimme sitä pienen esivalmistelun jälkeen. Olkoon {x} luvun x etäisyys lähimmästä kokonaisluvusta. Funktio x {x} on jatkuva ja jaksollinen. Sen perusjakso on ja 0 {x} kaikilla x:n 2 arvoilla. Esimerkkifunktiomme on 0 k. Näytämme aluksi, että se on määritelty kaikilla x:n arvoilla. Osasummien f n (x) 0 k jono (f n ) on kasvava ja ylhäältä rajoitettu, sillä yhteenlaskettavat ovat einegatiivisia, ja f n (x) 0 k 2 0 k < 2 0 k 5 9 kaikilla x R. Monotonisen jonon suppenemislauseen perusteella jono (f n ) suppenee kaikilla x:n arvoilla, joten f on kaikkialla määritelty. Osasummat 3/5 (200208 )

ovat myös jatkuvia, sillä ne ovat jatkuvien funktioiden äärellisiä summia. Tutkimme tarkemmin jonon (f n ) suppenemista. Erotus f(x) f n (x) kn+ 0 k 2 kn+ 0 k 8 0 n < 0 n, ja 0 n voidaan tehdä pienemmäksi kuin mikä tahansa ennalta valittu positiivinen luku valitsemalla n riittävän suureksi. Jos siis ε > 0 on mielivaltaisesti valittu, niin on olemassa luvusta x riippumaton kokonaisluku n ε siten, että jos n > n ε, niin f(x) f n (x) < ε. Koska suppeneminen ei riipu x:stä, sanomme, että jono (f n ) suppenee tasaisesti. Todistamme, että sen raja-arvona oleva funktio f on jatkuva. Olkoon siis x 0 R ja ε R + mielivaltaisesti valittuja. Jonon (f n ) tasaisen suppenemisen takia on mahdollista valita niin suuri n Z +, että f(x) f n (x) < ε 3 ja f(x 0 ) f n (x 0 ) < ε 3. Koska f n on jatkuva, on olemassa δ ε R + niin, että 0 < x x 0 < δ ε f n (x) f n (x 0 ) < ε 3. Siis valittua ε:ia kohti on olemassa δ ε siten, että jos 0 < x x 0 < δ ε, niin f(x) f(x 0 ) f(x) f n (x) + f n (x) f n (x 0 ) + f n (x 0 ) f(x 0 ) f(x) f n (x) + f n (x) f n (x 0 ) + f n (x 0 ) f(x 0 ) < ε 3 + ε 3 + ε 3 ε. Täten funktio f on kaikkialla jatkuva. Osoitamme, että f ei ole derivoituva. Voimme rajoittua välille [0, [, sillä f on jaksollinen ja sen perusjakso on. Olkoon siis x 0,a a 2 a 3... väliltä [0, [ mielivaltaisesti valittu luku. Sovimme, että jos sen desimaalikehitelmä on tyyppiä 0,2999..., niin muutamme sen muotoon 0,3000... Jos 0,a k+ a k+2... 2, niin {0k x} 0,a k+ a k+2... ja muussa tapauksessa 0,a k+ a k+2... Muodostamme kohti nollaa suppenevan jonon (h m ) siten, että erotusosamääristä d m f(x + h m) f(x) h m 4/5 (200208 )

muodostuva jono (d m ) hajaantuu. Olkoon h m 0 m, jos a m 4 tai a m 9, ja h m 0 m muulloin. Jos k m, niin lukujen 0 k (x+h m ) ja 0 k x desimaaliosat ovat samat, jolloin 0. Tästä seuraa, että d m f(x + h m) f(x) h m m 0 k h m 0 k h m. Lukujen h m valintatavasta johtuen tässä summassa yhteenlaskettavien osoittajissa olevat luvut {0 k (x + h m )} ja ovat molemmat joko tyyppiä 0,a k+ a k+2..., jolloin ±0k m, 0 k h m ±0k m tai tyyppiä 0,a k+ a k+2..., jolloin Siis summassa 0k m. 0 k h m ±0k m d m m 0 k h m jokainen yhteenlaskettava on joko tai. Niinpä kaikilla m:n arvoilla joten jono (d m ) hajaantuu. d m+ d m + tai d m+ d m, Lähteet [ ] Merikoski, Halmetoja, Tossavainen: Johdatus matemaattisen analyysin teoriaan, WSOY 2004, [2 ] Riesz, Sz.-Nagy: Functional Analysis, New York, 990. 5/5 (200208 )