Analyysi I (mat & til) Demonstraatio IX

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

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

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

JATKUVUUS. Funktio on jatkuva jos sen kuvaaja voidaan piirtää nostamatta kynää paperista.

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

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

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

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

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

Toispuoleiset raja-arvot

3 Lukujonon raja-arvo

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

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

3 Lukujonon raja-arvo

Topologia I Harjoitus 6, kevät 2010 Ratkaisuehdotus

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Analyysin peruslause

1 Supremum ja infimum

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

1. Olkoon f :, Ratkaisu. Funktion f kuvaaja välillä [ 1, 3]. (b) Olkoonε>0. Valitaanδ=ε. Kun x 1 <δ, niin. = x+3 2 = x+1, 1< x<1+δ

Täydellisyysaksiooman kertaus

2 Funktion derivaatta

1 Määrittelyjä ja aputuloksia

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Kuinka määritellään 2 3?

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

Luku 2. Jatkuvien funktioiden ominaisuuksia.

Tällöin on olemassa reaalilukuja c, jotka kuuluvat jokaiselle välille I n = [a n, b n ]. Toisin sanoen a n c b n kaikilla n.

Algebra I, harjoitus 5,

Algebra 1, harjoitus 9, h = xkx 1 xhx 1. a) Käytetään molemmissa tapauksissa isomorfialausetta. Tarkastellaan kuvauksia

Ratkaisuehdotus 2. kurssikokeeseen

Injektio (1/3) Funktio f on injektio, joss. f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f )

sin(x2 + y 2 ) x 2 + y 2

Vastausehdotukset analyysin sivuainekurssin syksyn välikokeeseen

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Surjektion käsitteen avulla kuvauksia voidaan luokitella sen mukaan, kuvautuuko kaikille maalin alkioille jokin alkio vai ei.

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

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

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

Algebra I, Harjoitus 6, , Ratkaisut

Onko kuvaukset injektioita? Ovatko ne surjektioita? Bijektioita?

2 Funktion derivaatta

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 4 Maanantai

Matematiikan peruskurssi 2

Johdatus matemaattisen analyysin teoriaan

Kaikki kurssin laskuharjoitukset pidetään Exactumin salissa C123. Malliratkaisut tulevat nettiin kurssisivulle.

Ratkaisuehdotus 2. kurssikoe

Esimerkki kaikkialla jatkuvasta muttei missään derivoituvasta funktiosta

Mikäli funktio on koko ajan kasvava/vähenevä jollain välillä, on se tällä välillä monotoninen.

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

5.6 Yhdistetty kuvaus

HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 2017 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotuksia

Analyysi I. Visa Latvala. 26. lokakuuta 2004

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Algebra I - Kesä 2009 Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 -Tehtävät sivua Heikki Koivupalo ja Rami Luisto

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

Tehtäväsarja I Tehtävät 1-5 perustuvat monisteen kappaleisiin ja tehtävä 6 kappaleeseen 2.8.

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

5 Riemann-integraali ANALYYSI B, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Ala- ja yläintegraali

Funktiojonon tasainen suppeneminen

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

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

Johdatus diskreettiin matematiikkaan (syksy 2009) Harjoitus 3, ratkaisuja Janne Korhonen

k S P[ X µ kσ] 1 k 2.

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

Tarkastelemme ensin konkreettista esimerkkiä ja johdamme sitten yleisen säännön, joilla voidaan tietyissä tapauksissa todeta kielen ei-säännöllisyys.

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 1 / vko 8

(a) Kyllä. Jokainen lähtöjoukon alkio kuvautuu täsmälleen yhteen maalijoukon alkioon.

Matematiikan peruskurssi 2

Raja-arvon määritelmä ja sovelluksia

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

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

a k+1 = 2a k + 1 = 2(2 k 1) + 1 = 2 k+1 1. xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx

Konvergenssilauseita

Vektorianalyysi I MAT Luennoitsija: Ritva Hurri-Syrjänen Luentoajat: ti: 14:15-16:00, to: 12:15-14:00 Helsingin yliopisto 21.

1. Määritä funktion f : [ 1, 3], f (x)= x 3 3x, suurin ja pienin arvo.

Topologia IA, kesä 2017 Harjoitus 1

3.4 Käänteiskuvauslause ja implisiittifunktiolause

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

Cantorin joukon suoristuvuus tasossa

Matematiikan perusteet taloustieteilij oille I

-Matematiikka on aksiomaattinen järjestelmä. -uusi tieto voidaan perustella edellisten tietojen avulla, tätä kutsutaan todistamiseksi

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

MATA172 Sami Yrjänheikki Harjoitus Totta vai Tarua? Lyhyt perustelu tai vastaesimerkki!

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

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

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

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

7. Tasaisen rajoituksen periaate

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

VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

1. Esitä rekursiivinen määritelmä lukujonolle

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

Ratkaisut vuosien tehtäviin

Transkriptio:

Analyysi I (mat & til) Demonstraatio IX 16.11. 2018 II välikoe 19.11. klo 9 salissa IX. Ilmoittaudu NettiOpsussa 12.11. mennessä. Koealue: Funktion raja-arvo, jatkuvuus ja Bolzanon lause, ts. kirjan luku 3 ja luvun 4 kappaleet 4.1 ja 4.2, + demoissa ja Ex tempore -demoissa käsitellyt asiat. Tehtävä 1. Olkoon f : R R, f(x) = x 77 +x 33 +22. Osoita suoraan Bolzanon lauseesta, että funktio f saa kaikki arvot [22, 24]. (Tämä tehtävä on olennaisesti se miten Bolzanon lauseesta saadaa Bolzanon korollaari. Älä siis käytä korollaaria vaan käytä Bolzanon lausetta, jossa funktio saa välin päätepisteissä erimerkkiset arvot.) Ratkaisu. Koska f(0) = 22 ja f(1) = 24, niin keskitytään väliin [0,1]. Olkoon 22 < y < 24. Määritellään apufunktio g : [0,1] R asettamalla g(x) = f(x) y. Polynomifunktiona g on jatkuva. Koska g(0) = 22 y < 0 ja g(1) = 24 y > 0, niin Bolzanon lauseen nojalla on olemassa c (0,1), jolle g(c) = 0 eli f(c) = y. Koskatämäpäättely pätee kaikille y jalisäksi f(0) = 22 jaf(1) = 24, niinsaamme että funktio f saa kaikki arvot väliltä [22, 24]. Tehtävä 2. Tutustu Bolzanon lauseen todistukseen 1. Mitä tietoja (lauseita, lemmoja, määriteltyjä käsitteitä) todistuksessa tarvitaan? Kerää keskeisimmät tulokset ja määritelmät sekä piirrä niistä (käsite)kartta. Ratkaisu. supremum ja infimum lukujonon raja-arvo Lause 1.2.8 jatkuvuus Lause 4.1.7 Bolzanon lause funktion raja-arvo Lause 3.1.10 Kuva 1. Bolzanon lause. Tehtävä 3. Olkoon f : R R funktio, joka on jatkuva origossa. Osoita, että jos f(x+y) = f(x)+f(y) kaikilla x,y R, niin funktio f on jatkuva. Ratkaisu.Osoitetaan ensin,ettäf(0) = 0. Koskaf(0) = f(0+0) = f(0)+f(0), niin saamme f(0) = 0. Saamme lim f(y) = lim f(x+h) = lim (f(x)+f(h)) y x h 0 h 0 = lim f(x)+ lim f(h) = f(x)+0 = f(x), h 0 h 0 missä funktion jatkuvuutta origossa käytettiin 4. yhtälössä.

Tehtävä 4. Bolzanon lauseen todistuksessa 1 todistettiin f(s) 0 lukujonojen avulla (tässä s = sup{x [a,b]: f(x) < 0}). Osoita, että f(s) 0 epäsuorasti käyttämällä vastaoletusta f(s) > 0, demojen VII tehtävää 6 ja lausetta 1.2.8. Ratkaisu. Tehdään vastaoletus: f(s) > 0. Koska funktio f on jatkuva(pisteessä s) ja f(s) > 0 niin (demo VII teht 6) on olemassa sellainen r > 0, että f(x) > 0 kaikilla x (s r,s+r). Tällöin s ei voi olla joukon E = {x [a,b] : f(x) < 0} supremum, jos ε = 1 2r, niin ei ole olemassa alkiota x E, jolle s ǫ < x s. Ristiriita. Tehtävä 5. Olkoon f : [a,d] R jatkuva ja luvut b,c [a,d], a < b < c < d. Oletetaan, että f(a) < f(c) ja f(b) > f(d). Osoita, että on olemassa x,y [a,d], x y, joille f(x) = f(y). Ratkaisu. Jokin seuraavista vaihtoehdoista pätee: f(b) = f(c), f(b) < f(c) tai f(b) > f(c). Jos f(b) = f(c), niin b ja c ovat halutut luvut. Oletaan, että f(b) < f(c). Tällöin pätee f(d) < f(b) < f(c), joten Bolzanon korollaarin nojallaon olemassa x (c,d), jolle f(x) = f(b). Nyt b jaxovat halutut luvut. Oletaan, että f(b) > f(c). Tällöin pätee f(a) < f(c) < f(b), joten Bolzanon korollaarin nojallaon olemassa x (a,b), jolle f(x) = f(c). Nyt x jacovat halutut luvut. Tehtävä 6. (a) (Funktion hajaantumisehto) Olkoon f: A R funktio, ja on olemassa r > 0, jolle (x 0 r,x 0 ) (x 0,x 0 +r) A. Tiedetään, että on olemassa jonot (x n ) ja (y n ), missä jäsenet x i ja y i kuuluvat joukkoon A ja x i x 0 ja y i x 0 kaikilla i N 1, joille lim n (x n ) = x 0 = lim n (y n ) ja lim f(x n) lim f(y n). Osoita, että funktiolla f ei ole raja-arvoa pisteessä x 0. (b) Osoita (a)-kohdan avulla että funktio f: R R, jolle f(x) = sin(1/x), kun x 0, ei voi olla jatkuva pisteessä x = 0. Ratkaisu. (a) Vastaoletus, oletetaan lim x x0 f(x) = a R. Nyt lauseen 3.1.8 mukaan kaikille jonoille (z n ), joille z n x 0 kaikilla n N 1, jos (z n ) n x 0, niin f(z n ) n a. Nyt siis lim f(x n) = a = lim f(y n), mikä on ristiriita. Siis raja-arvoa lim x x0 f(x) ei ole olemassa. (b) f on jatkuva pisteessä x = 0 joss lim x x0 f(x) = f(0). Osoitetaan edellisen kohdan avulla, että raja-arvoa lim x x0 f(x) ei ole olemassa, jolloin funktio ei voi olla jatkuva millään annetulla arvolla f(0). 1 Muodostetaan kaksi jonoa, (x n ) ja (y n ), x n = π/2+2nπ ja z n = 1 2nπ kaikilla n N 1. Selvästi Nyt lim x n = 0 = lim y n. lim n f(x n) = lim n sin(π/2+2nπ) = 1 0 = lim n sin(2nπ) = lim n f(y n). Siis (a)-kohdan mukaan funktiolla ei ole raja-arvoa pisteessä x = 0 eikä funktio siis voi olla jatkuva tässä pisteessä.

Tehtävä 7. Olkoon f: [0,1] [0,1] kasvava funktio. Tiedetään, että f(0) > 0 ja f(1) < 1. Osoita, että funktiolla f on kiintopiste välillä [0,1] eli on olemassa c [0,1] jolle f(c) = c. Vihje: Funktio f ei siis välttämättä ole jatkuva, ainoastaan kasvava. Tarkastele funktionf käyttäytymistäsuorany = xsuhteen.olkoons = sup{x [0,1]: f(x) > x} ja osoita, että f(s) = s. Ratkaisu. C = {x [0,1]: f(x) > x}. Selvästi 1 on joukon C yläraja joten s = supc = sup{x [0,1]: f(x) > x} on reaalinen ja kuuluu välille [0,1]. Huomaa, että C on epätyhjä, koska 0 C. Osoitetaan, että s / C. Tehdään vastaoletus: s C, joten f(s) > s. On siis olemassa ε > 0, jolle f(s) = s + ε. Nyt s < s + ε 2 < 1, joten s + ε 2 / C ja f(s + ε 2 ) s + ε 2. Nyt f(s) = s + ε > s + ε 2 f(s + ε 2 ), mikä on ristiriidassa funktion f kasvavuuden kanssa. Siis s / C, joten f(s) s. Olkoon x C. Silloin f(x) > x ja s > x. Jälkimmäisestäseuraakasvavuudenperusteella, että f(s) f(x), jotenf(s) f(x) > x. Siis myös f(s) on joukon C yläraja. Koska s on pienin yläraja, on s = supc f(s). Siis välttämättä f(s) = s.

Analyysi I (mat & til) Ex tempore VIII ma 12.11. 2018 klo 14 Analyysi I (mat & til) Välikoe II 20.11. 2017 Tämän välikokeen kesto on 3 tuntia. Kokeessa saa käyttää laitoksen kaavakokoelmaa ja funktiolaskinta. Tehtävä 1. (a) Anna esimerkki funktiosta f: R R, jolle lim f(x) = 2. x 1 Perustele esimerkkifunktiosi raja-arvo pisteessä 1 suoraan raja-arvon määritelmästä. (b) Olkoon f : R R funktio, joka on määritelty siten, että 3x 2, kun x > 1, f(x) = 2, kun x = 1, x 2, kun x < 1. Osoita suoraan määritelmistä, että funktiolla f on raja-arvo pisteessä 1. Ratkaisu. (a) Esimerkiksi f(x) = 2x käy. Olkoon ε > 0. Valitsemme, että δ = ε 2. Saadaan f(x) 2 = 2x 2 = 2 x 1 < 2 ε 2 = ε, kun 0 < x 1 < δ. (b) Tarkastellaan toispuoleisia raja-arvoja pisteessä 1. Osoitetaan, lim x 1 + f(x) = 1 = lim x 1 f(x), mikä todistaa väitteen. Olkoon ε > 0, ja δ = ε 3, nyt f(x) 1 = 3x 2 1 = 3x 3 = 3 x 1 < ε, kaikilla x, 1 < x < 1+δ. Siis lim x 1 +f(x) = 1. Olkoon ε > 0, ja δ = min{1, ε 2 }. Nyt f(x) 1 = x 2 1 = x 1 x+1 = 2 x 1 < ε, kaikilla x, 1 δ < x < 1. Siis lim x 1 f(x) = 1. Tehtävä 2. (a) Olkoon f : R R, f(x) = 1 2 x2 1. Osoita suoraan määritelmästä, että f on jatkuva pisteessä -1. (b) Olkoon f : R R jatkuva pisteessä x 0 R ja f(x 0 ) > 0. Osoita, että tällöin on olemassa sellainen r > 0, että f(x) > 0 kaikilla x (x 0 r,x 0 +r).

Ratkaisu. (a) Olkoon ε > 0, ja δ = min{1, 2 3ε}. Nyt f(x) f( 1) = 1 2 x2 1 ( 1 2 ) = 1 2 x2 1 = 1 2 x 1 x+1 = 1 2 x 1 x ( 1) < 3 x ( 1) < ε, 2 kaikilla x: x ( 1) = x+1 < δ. Tällöin erityisesti x 1 < 3. (b) Valitaan, että ε = 1 2 f(x 0) > 0. Koska f on jatkuva pisteessä x 0, niin on olemassa sellainen δ > 0, että f(x) f(x 0 ) < ε kun x x 0 < δ. Tällöin 1 2 f(x 0) < f(x) f(x 0 ) < 1 2 f(x 0) joten 0 < 1 2 f(x 0) < f(x) kaikilla x (x 0 δ,x 0 +δ). Voidaan siis valita r = δ. Tehtävä 3. (a)olkootf: A Rjag: A Rfunktioita,joillelim x x0 f(x) = ajalim x x0 g(x) = b.osoita,ettäfunktiollaf+g: A Ronraja-arvopisteessäx 0 jaettälim x x0 (f(x)+ g(x)) = a+b. (b) Olkoon f: R R jatkuva funktio. Tiedetään, että f(0) < 0 ja f(2) > 4. Osoita, että on olemassa luku c R, jolle f(c) = c 2. Ratkaisu. (a) Olkoon ε > 0. Funktioiden f jag raja-arvojen perusteella, δ 1,δ 2 > 0, joille f(x) a < ε 2 kaikilla x: 0 < x x 0 < δ 1, ja g(x) b < ε 2 kaikilla x: 0 < x x 0 < δ 2. Olkoon δ = min{δ 1,δ 2 }. Nyt f(x)+g(x) (a+b) = f(x) a+g(x) b f(x) a + g(x) b ε 2 + ε 2 = ε, kaikilla x: 0 < x x 0 < δ. (b) Tarkastellaan funktiota h(x) = f(x) x 2. Koska f ja x 2 ovat jatkuvia, niin myös h on jatkuva funktio. Nyt h(0) = f(0) 0 = f(0) < 0 ja h(2) = f(2) 4 > 0, ja Bolzanon lauseen mukaan välillä [0,2] on piste c, jolle h(c) = 0. Nyt h(c) = f(c) c 2 = 0, joten f(c) = c 2.