Derivaatta Maarit Järvenpää Puhtaaksikirjoitus Markus Harju



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

(x 0 ) = lim. Derivoimissääntöjä. Oletetaan, että funktiot f ja g ovat derivoituvia ja c R on vakio. 1. Dc = 0 (vakiofunktion derivaatta) 2.

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

Derivaatta, interpolointi, L6

Johdatus yliopistomatematiikkaan, 2. viikko (2 op)

MAA10 HARJOITUSTEHTÄVIÄ

Derivaatta: Johdanto. Jatkuvan funktion arvojen muuttumisnopeutta voidaan mitata tangentin kulmakertoimella eli derivaatan arvolla (jos olemassa).

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

Funktion raja-arvo 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaalifunktiot

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 10

5 Differentiaalilaskentaa

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Matematiikan tukikurssi

Sinin jatkuvuus. Lemma. Seuraus. Seuraus. Kaikilla x, y R, sin x sin y x y. Sini on jatkuva funktio.

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

Funktion määrittely (1/2)

Derivaatta. Joukko A C on avoin, jos jokaista z 0 A kohti on olemassa ǫ > 0: jos z z 0 < ǫ, niin z A. f : A C on yksiarvoinen.

Funktion derivaatta. Derivaatan määritelmä. Johdanto derivaatan määritelmään

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

Differentiaalilaskenta 1.

Mapu I Laskuharjoitus 2, tehtävä 1. Derivoidaan molemmat puolet, aloitetaan vasemmasta puolesta. Muistetaan että:

Matematiikan tukikurssi

2 Funktion derivaatta

Esimerkkejä derivoinnin ketjusäännöstä

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

2.1 Erotusosamäärä. Derivaatan määritelmä

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

2.7 Neliöjuuriyhtälö ja -epäyhtälö

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

Hyvä uusi opiskelija!

2.4 Rollen lause. Funktion suurin ja pienin arvo suljetulla välillä

1. Murtoluvut, murtolausekkeet, murtopotenssit ja itseisarvo

Mapusta. Viikon aiheet

monissa laskimissa luvun x käänteisluku saadaan näyttöön painamalla x - näppäintä.

1 2 x2 + 1 dx. (2p) x + 2dx. Kummankin integraalin laskeminen oikein (vastaukset 12 ja 20 ) antaa erikseen (2p) (integraalifunktiot

( ) ( ) ( ) ( ( ) Pyramidi 4 Analyyttinen geometria tehtävien ratkaisut sivu 271 Päivitetty a) = keskipistemuoto.

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 3. viikolle /

Rollen lause polynomeille

2.2 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.

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

Maksimit ja minimit 1/5 Sisältö ESITIEDOT: reaalifunktiot, derivaatta

Matemaattisen analyysin tukikurssi

3 x 1 < 2. 2 b) b) x 3 < x 2x. f (x) 0 c) f (x) x + 4 x Etsi käänteisfunktio (määrittely- ja arvojoukkoineen) kun.

2 Funktion derivaatta

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Matematiikan tukikurssi

Selvästi. 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

= 9 = 3 2 = 2( ) = = 2

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

3.1 Väliarvolause. Funktion kasvaminen ja väheneminen

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

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

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

Numeeriset menetelmät

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

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

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

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

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

Matematiikan peruskurssi 2

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

Testaa taitosi Piirrä yksikköympyrään kaksi erisuurta kulmaa, joiden a) sini on 0,75 b) kosini on

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

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

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdoituksia Rami Luisto Sivuja: 5

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

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

Epäyhtälön molemmille puolille voidaan lisätä sama luku: kaikilla reaaliluvuilla a, b ja c on voimassa a < b a + c < b + c ja a b a + c b + c.

Matematiikan tukikurssi

TAMPEREEN YLIOPISTO Pro gradu-tutkielma. Moradi Mohammad Ali. Derivaatta

f (t) + t 2 f(t) = 0 f (t) f(t) = t2 d dt ln f(t) = t2, josta viimeisestä yhtälöstä saadaan integroimalla puolittain

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

6 Eksponentti- ja logaritmifunktio

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

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Matematiikan tukikurssi

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

VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Matematiikan tukikurssi

jakokulmassa x 4 x 8 x 3x

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

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 7 to

Matematiikan tukikurssi 3.4.

Äärettömät raja-arvot

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

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

Matematiikan tukikurssi

Funktion derivoituvuus pisteessä

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

Luonnollisten lukujen laskutoimitusten määrittely Peanon aksioomien pohjalta

Transkriptio:

Derivaatta Maarit Järvenpää Putaaksikirjoitus Markus Harju Sisältö Derivaatan määritelmä 2 Derivoimissääntöjä 7 3 Dierentiaalilaskennan peruslauseita 3 4 Funktion ääriarvot 20 Derivaatan määritelmä Olkoon I R avoin väli, f : I R kuvaus ja x 0 I. Kuinka funktiota f voisi arvioia pisteen x 0 läellä? Ensimmäinen arvaus: arvioiaan funktiota f vakiokuvauksella x f(x 0 ). Jos f on jatkuva, niin tämä on yvä arvio läellä pistettä x 0. Entä seuraava parempi arvio? Arvioiaan funktiota f suoralla. Mikä on paras suora? Jos f on siis- f(x 0 ) ti, niin suurennetussa kuvassa funktion f kuvaaja näyttää suoralta läellä pistettä (x 0, f(x 0 )). Paras arvio on funktion f kuvaajan tangenttisuora. Kuinka se löyetään? x 0 Tangenttisuoran ytälö on y = (tan x 0 )x + b. Kuinka b löyetään? Tangentti kulkee pisteen (x 0, f(x 0 )) kautta, joten f(x 0 ) = (tan x 0 )x 0 + b eli b = f(x 0 ) (tan x 0 )x 0. Siis y = (tan x 0 )x + f(x 0 ) (tan x 0 )x 0 = (tan x 0 )(x x 0 ) + f(x 0 ). Määritetään kuvauksen f graan tangentti pisteessä P 0 = (x 0, f(x 0 )). Tangentti voiaan määrittää suoran (sekantin) L avulla, joka kulkee pisteien P 0 ja P = (x 0 +, f(x 0 + )) kautta. Kun pistettä x 0 + vieään läemmäksi pistettä x 0 (ts. kun 0), piste P läestyy pistettä P 0 ja suora L läestyy tangenttisuoraa L 0, joka kulkee pisteen P 0 kautta. Olkoon α 0 kulma, jonka L 0 muoostaa positiivisen x-akselin kanssa ja olkoon α suoran L ja positiivisen x- P L akselin välinen kulma. Tällöin f(x 0 + ) tan α = f(x 0 + ) f(x 0 ), joten kulman α 0 tangentti saaaan rajaarvona f(x 0 ) P 0 α x 0 f(x 0 + ) f(x 0 ) tan α 0 =, x 0 + 0 mikäli tämä raja-arvo on olemassa. Tangentin kulmakerrointa tan α 0 sanotaan funktion f erivaataksi pisteessä x 0. α 0 L 0

Määritelmä.. Olkoon I R avoin väli ja olkoon x 0 I. Kuvaus f : I R on erivoituva pisteessä x 0, jos raja-arvo f(x 0 + ) f(x 0 ) 0 on olemassa (ja reaaliluku). Tätä raja-arvoa sanotaan kuvauksen f erivaataksi pisteessä x 0 ja merkitään f f(x 0 + ) f(x 0 ) (x 0 ) = 0 Lauseketta f(x 0 + ) f(x 0 ), 0 kutsutaan kuvauksen f erotusosamääräksi pisteessä x 0. Funktio f on erivoituva välillä I, jos se on erivoituva jokaisessa välin I pisteessä. Tällöin erivaatta f on kuvaus f : I R. Huomatus.2. (a) Merkinnän f (x) lisäksi erivaatalle käytetään merkintöjä f ja Df(x). x (b) Derivaattaa ei voia laskea sijoittamalla = 0 erotusosamäärään, sillä se jotaa merkityksettömään tulokseen 0. 0 (c) Derivaatta f (x 0 ) voiaan määritellä myös raja-arvona (sijoita x = x 0 + ). Esimerkki.3. f(x) f(x 0 ) x x 0 x x 0 (a) Olkoot a, b R. Laske kuvauksen f : R R, f(x) = ax + b erivaatta. Ratkaisu: Olkoon 0. Tällöin f(x + ) f(x) = a(x + ) b (ax + b) = a = a, joten f on erivoituva ja f (x) = a. Funktion f erivaatta on siis vakio. Erityisesti, jos f on vakiokuvaus, ts. f(x) = b, niin f (x) = 0. (b) Osoita, että kuvaus f : R R, f(x) = x 2 on erivoituva. Ratkaisu: Koska f(x + ) f(x) = (x + )2 x 2 on kuvaus f erivoituva ja f (x) = 2x. = 2x + 2 = 2x + 2x, 0 (c) Onko kuvaus f : R R, f(x) = x erivoituva pisteessä 0? Ratkaisu: Koska f() f(0) = = =, 0+ ja f() f(0) = = =, 0 niin erotusosamäärällä ei ole raja-arvoa pistessä 0, kun 0. Näin ollen kuvauksella f ei ole erivaattaa pisteessä 0. () Olkoon n N. Osoita, että kuvaus f : R R, f(x) = x n on erivoituva. Ratkaisu: Inuktiopäättelyä käyttäen voiaan osoittaa, että x n x n 0 x x 0 = x n + x n 2 x 0 + + xx n 2 0 + x n 0, 2

joten x n x n 0 x x 0 kun x x 0. Näin ollen f (x 0 ) = nx n 0. x n 0 + x0 n 2 x 0 + + x 0 x n 2 0 + x n 0 = nx n 0 (e) Osoita, että sin x = cos x kaikilla x R. Ratkaisu: Lätökota x joka seuraa epäytälöstä cos x < sin x x sin x x 0 x =, <, x ] π/2, 0[ ]0, π/2[ suppiloperiaatteen ja kosinin jatkuvuuen avulla. Sievennetään erotusosamäärää kaavaa käyttäen. Saaaan sin(x + y) = sin x cos y + cos x sin y (sin(x + ) sin x) = (sin x cos + cos x sin sin x) = cos xsin + sin xcos missä 0 sin Kun 0 saaaan =. Lasketaan 0 cos. cos = cos2 (cos + ) = sin2 (cos + ) = sin sin cos +. cos Siis 0 = 0 2 = 0. Näin ollen sin x = cos x. x (f) Vastaavasti kuten koassa (e) näään, että (HT). (g) Osoita, että kuvaus f : R \ {, } R, cos x = sin x x f(x) = + x x, ei ole erivoituva pistessä 0. Ratkaisu: Lasketaan erotusosamäärän toispuoleiset rajaarvot. Kun 0 < <, saaaan (f(0 + ) f(0)) = ( ) + = ( ) + ( ) = 2 3

joten 0+ (f(0 + ) f(0)) = 2. Toisaalta, kun < < 0, saaaan ( ) + = ( ) ( + ) + (f(0 + ) f(0)) = = 2 + joten 0 (f(0 + ) f(0)) = 2. Koska toispuoleiset raja-arvot ovat erisuuret, ei raja-arvoa ole olemassa. Kuvaus f ei siis ole erivoituva pistessä 0. () Laske kuvauksen x 2 sin f(x) = x + x 2, x 0 0, x = 0. erivaatta pisteessä 0. Ratkaisu: Kun 0, niin (f(0 + ) f(0)) = (2 sin + /2) = sin + /2 Siis f (0) = (f(0 + ) f(0)) = 0 ( sin + /2) = /2, 0 sillä sin(/) 0. (i) Oletetaan, että kuvaus f on erivoituva pisteessä x. Osoita, että Ratkaisu: 0 (f(x) f(x 2)) = 2f (x). + ( 2)) f(x) (f(x) f(x 2)) = 2f(x 2 kun t 0 eli 0. f(x + t) f(x) = 2 t 2f (x) (j) Oletetaan, että f : R R on sellainen kuvaus, että f(x) x 2 kaikilla x R. Laske f (0). Ratkaisu: Koska 0 f(0) 0 2 = 0, niin f(0) = 0. Nyt (f(0 + ) f(0)) = f() 2 = joten (f(0 + ) f(0)). Suppiloperiaatteen nojalla f (0) = (f(0 + ) f(0)) = 0. 0 (k) Oletetaan, että kuvaus f : R R on erivoituva ja pariton, ts. f( x) = f(x). Osoita, että f on parillinen, ts. f ( x) = f (x). Ratkaisu: f ( x) = 0 = 0 (f( x + ) f( x)) = 0 ( f(x ) + f(x)) = 0 (f( (x )) f( x)) (f(x ) f(x)) = f (x). Määritelmä.4. Oletetaan, että kuvaus f on erivoituva pisteessä x 0. Kuvauksen f graan y = f(x) tangentti pisteessä (x 0, f(x 0 )) on pisteen (x 0, f(x 0 )) kautta kulkeva suora, jonka kulmakerroin on f (x 0 ). Tangentin ytälö on y = f(x 0 ) + f (x 0 )(x x 0 ). 4

Esimerkki.5. Määritä käyrän y = sin x tangentit pisteissä (0, 0) ja (π/2, ). Ratkaisu: Tangentin ytälö pisteessä (0, 0) on y = 0 + cos 0 (x 0) = x. Pisteessä (π/2, ) se on y = + cos π 2 (x π/2) =. Määritelmä.6 (Korkeammat erivaatat). Jos f on erivoituva avoimella välillä I, on sen erivaatta kuvaus f : I R. Jos f : I R on erivoituva, on sen erivaatta f kuvauksen f toinen erivaatta, f (x) = (f ) (x) = 0 (f (x + ) f (x)). Jos funktion f n:s erivaatta f (n) on erivoituva, on sen erivaatta f (n+) funktion f n + erivaatta, f (n+) (x) = 0 (f (n) (x + ) f (n) (x)). Derivaatalle f (n) käytetään myös merkintöjä n x n f ja Dn f. (a) Kun f(x) = x n, niin f (x) = nx n, f (x) = n(n )x n 2,... ja f (k) (x) = n(n ) (n (k ))x n k. Erityisesti f (n) (x) = n(n ) = n! ja f (k) (x) = 0, kun k n +. Esimerkki.7. (b) Kun f(x) = sin x, niin f (x) = cos x, f (x) = sin x, f (3) (x) = cos x ja f (4) (x) = sin x = f(x). Siten cos x, s = 4n + f (s) sin x, s = 4n + 2 (x) = cos x, s = 4n + 3 sin x, s = 4n. (c) Määritä kuvauksen f(x) = erivaatat f (k), k =, 2,... pisteessä. Ratkaisu: Koska ja 0+ { 3x 2 + 2, x 6x, x <. (f( + ) f()) = 0+ (3( + )2 + 2 5) = (6 + 3) = 6 0+ 0 niin f () = 6. (f( + ) f()) = 0 (6( + ) 5) = 6 = 6 0 Toisen erivaatan f laskemiseksi on tunnettava f (x) kaikilla x R. Lasketaan f (x) kun x >. Olkoon x >. Kun > 0, niin (f(x + ) f(x)) = (3(x + )2 + 2 (3x 2 + 2)) = 6x + 3 6x, 0. 5

Näin ollen f (x) = 6x kun x >. Vastaavasti näään, että f (x) = 6, kun x <. Siis { f 6x, x > (x) = 6, x. Koska ja 0+ (f ( + ) f ()) = (6( + ) 6) = 6 0+ 0 (f ( + ) f ()) = (6 6) = 0, 0 niin funktiolla f ei ole toista eikä sitä korkeampia erivaattoja pisteessä. Lause.8. Jos kuvaus f : I R on erivoituva pisteessä x 0 I, niin f on jatkuva pisteessä x 0. Toistus. Koska kaikilla 0 pätee f(x 0 + ) f(x 0 ) = (f(x 0 + ) f(x 0 )), niin Näin ollen f(x f(x 0 + ) f(x 0 ) 0 + ) f(x 0 ) = 0 0 = f (x 0 ) 0 = 0. 0 x x 0 f(x) = 0 (f(x 0 + ) f(x 0 ) + f(x 0 )) = 0 (f(x 0 + ) f(x 0 )) + 0 f(x 0 ) = f(x 0 ), joten kuvaus on jatkuva pisteessä x 0. (a) Lauseen.8 käänteinen väite ei ole totta. Jatkuva funktio ei välttämättä ole erivoituva. Esimerkiksi kuvaus x x on jatkuva, mutta se ei ole erivoituva pisteessä 0, kts. Esimerkki.3(c). Esimerkki.9. (b) Kuvaus f : R R, f(x) = x /3 = 3 x on jatkuva, mutta se ei ole erivoituva pisteessä 0, koska 3 (f(0 + ) f(0)) = 0+ 0+ = 0+ 2/3 = eli erotusosamäärän raja-arvo ei ole reaaliluku. 2 Derivoimissääntöjä Lause 2.. Oletetaan, että funktiot f ja g ovat erivoituvia pisteessä x. Tällöin (a) (f + g) (x) = f (x) + g (x) (b) (cf) (x) = cf (x), missä c on reaalinen vakio (c) (fg) (x) = f (x)g(x) + g (x)f(x) ( ) f () (x) = g g(x) (f (x)g(x) g (x)f(x)), missä g(x) 0. 2 6

Toistus. (b) HT. (a) Koska f ja g ovat erivoituvia pisteessä x, niin ((f + g)(x + ) (f + g)(x)) kun 0. Siis (f + g) (x) = f (x) + g (x). (c) HT. = (f(x + ) f(x)) + (g(x + ) g(x)) f (x) + g (x) () Riittää osoittaa, että ( ) (x) = g (x) (*) g g(x) 2 Tällöin koan (c) perusteella ( ) ( f (x) = f ) (x) = f (x) g g g(x) g (x) g(x) f(x) = 2 g(x) (f (x)g(x) g (x)f(x)). 2 Osoitetaan, että (*) pätee. Koska g(x) 0 ja g on jatkuva Lauseen.8 perusteella, niin g 0 jollakin avoimella välillä I, joka sisältää pisteen x (ks. Jatkuvuus ja raja-arvo). Näin ollen /g on määritelty välillä I. Koska ( g (x + ) g (x) ) = ( g(x + ) g(x) = (g(x + ) g(x)) g(x + )g(x) ) = ja 0 g(x + ) = g(x) jatkuvuuen nojalla, niin ( ) ( (x) = g 0 g (x + ) ) g (x) ( ) g(x) g(x + ) g(x + )g(x) = g (x) g(x) 2. Esimerkki 2.2. (a) Laske ( ) 2 cos x. x x sin x Ratkaisu: Osamäärän erivoimissäännön nojalla saaaan x ( ) 2 cos x = x sin x = (2 cos x)(x sin x) x x (x sin x) 2 sin x(x sin x) ( cos x)(2 cos x) (x sin x) 2 = sin x ( cos x)(2 cos x). x sin x (x sin x) 2 (x sin x)(2 cos x) (b) Osoita inuktiopäättelyä käyttäen, että x xn = nx n kaikilla n =, 2,.... Ratkaisu: Selvästi x =. Oletetaan, että x x xn = nx n. Tällöin x xn+ = ( ) x (xn x) = x xn x + x n x x = nxn x + x n = (n + )x n. 7

(c) Laske x x n, kun n =, 2,.... Ratkaisu: Esimerkin (b) nojalla x x n = x () Laske tan x ja cot x. Ratkaisu: x x x = nxn = nx n. n (x n ) 2 ja x tan x = x sin x cos x = cos x cos x sin x( sin x) cos 2 x = + tan 2 x = cos 2 x x cot x = cos x x sin x = sin x sin x cos x(cos x) sin 2 x Lemma 2.3. Funktio f on erivoituva pisteessä x jos ja vain jos = ( + cot 2 x) = sin 2 x. f(x + ) f(x) = a + g() (*) kun on riittävän läellä 0:aa. Tässä a = f (x) ja g on pisteen 0 sisältävällä avoimella välillä määritelty funktio ja 0 g() = 0. Toistus. Oletetaan, että f on erivoituva pisteessä x. Kuvaus f(x + ) f(x) f g() = (x), 0 riittävän läellä nollaa 0, = 0 toteuttaa Lemman eot (HT). Olkoon a = f (x). Tällöin a + g() = f (x) + f(x + ) f(x) f (x) = f(x + ) f(x) ja 0 g() = 0 f(x+) f(x) f (x) = 0. Kääntäen, ytälöstä (*) saaaan erotusosamäärälle lauseke (f(x + ) f(x)) = a + g(). Koska 0 g() = 0, niin 0 (f(x+) f(x)) = a. Näin ollen f on erivoituva pisteessä x ja f (x) = a. Lause 2.4 (Ketjusääntö eli yistetyn kuvauksen erivoimissääntö). Oletetaan, että kuvaus f on määritelty välillä ]x 0, x 0 + [, > 0 ja kuvaus g on määritelty välillä ]f(x 0 ) k, f(x 0 ) + k[, k > 0. Oletetaan lisäksi, että f on erivoituva pisteessä x 0 ja g on erivoituva pisteessä f(x 0 ). Tällöin yistetty kuvaus g f on erivoituva pisteessä x 0 ja (g f) (x 0 ) = g (f(x 0 ))f (x 0 ). Toistus. Koska f on erivoituva pisteessä x 0 on se siinä jatkuva. Näin ollen f(x) ]f(x 0 ) k, f(x 0 ) + k[ kun x on riittävän läellä pistettä x 0. Siten yistetty kuvaus g f on määritelty pisteissä x, jotka ovat riittävän läellä pistettä x 0. Koska g on erivoituva pisteessä y 0 = f(x 0 ) saaaan Lemmasta 2.3 g(y) g(y 0 ) = g (y 0 )(y y 0 ) + (y y 0 )u(y y 0 ), (*) 8

missä t 0 u(t) = 0. Merkitään y = f(x). Tällöin (*) perusteella joten (g f)(x) (g f)(x 0 ) = g(f(x)) g(f(x 0 )) = g(y) g(y 0 ) = g (y 0 )(y y 0 ) + (y y 0 )u(y y 0 ), (g f)(x) (g f)(x 0 ) x x 0 = g (y 0 ) y y 0 x x 0 + y y 0 x x 0 u(y y 0 ) = g (f(x 0 )) f(x) f(x 0) x x 0 + f(x) f(x 0) x x 0 u(y y 0 ). Kun x x 0, niin y y 0 = f(x) f(x 0 ) 0, sillä f on jatkuva. Näin ollen myös u(y y 0 ) 0, kun x x 0. Siten (g f) (x 0 ) = x x0 (g f)(x) (g f)(x 0 ) x x 0 = g (f(x 0 ))f (x 0 ). (a) Laske sin(cos x). Ratkaisu: Koska sin(cos x) = (g f)(x), missä g(x) = x sin x ja f(x) = cos x saaaan ketjusäännöstä Esimerkki 2.5. x sin(cos x) = g (f(x))f (x) = cos(cos x)( sin x) = sin x cos(cos x). (b) Oletetaan, että kuvaus f on erivoituva pisteessä x. Osoita, että x (f(x))n = nf(x) n f (x) kaikilla n N. Ratkaisu: Koska f(x) n = (g f)(x), missä g(x) = x n saaaan ketjusäännöstä x (f(x))n = g (f(x))f (x) = nf(x) n f (x). (c) Oletetaan, että kuvaus f on erivoituva pisteessä x ja että kuvauksella f on käänteisfunktio g : R R, joka on erivoituva pisteessä y = f(x). Osoita, että Ratkaisu: Koska (g f)(x) = x, niin f (x)g (y) =. Ketjusäännön perusteella (g f)(x) = x x x =. Näin ollen f (x)g (y) =. x (g f)(x) = g (f(x))f (x) = g (y)f (x). Seuraavan lauseen perusteella Esimerkissä 2.5(c) ei tarvitse olettaa, että käänteisfunktio on erivoituva. Käänteisfunktion f erivoituvuus seuraa funktion f erivoituvuuesta. 9

Lause 2.6 (Käänteisfunktion erivoimissääntö). Oletetaan, että kuvaus f :]a, b[ R on aiosti monotoninen ja jatkuva. Oletetaan lisäksi, että kuvaus f on erivoituva pisteessä x ]a, b[ ja f (x) 0, Tällöin kuvauksen f käänteisfunktio f : f(]a, b[) ]a, b[ on erivoituva pisteessä y = f(x) ja y f (y) = f (x). Toistus. Koska kuvaus f on aiosti monotoninen ja jatkuva, on käänteiskuvaus f olemassa ja jatkuva (ks. Alkeisfunktiot sekä Jatkuvuus ja raja-arvo). Nyt f (x) = x x f( x) f(x) x x = x x f( x) f(x) f (f( x)) f (f(x)) = ỹ y ỹ y f (ỹ) f (y) kun y = f(x) ja ỹ = f( x). Huomaa, että x x jos ja vain jos ỹ y, sillä f ja f ovat jatkuvia. Näin ollen raja-arvo (f ) (y) = ỹ y f (ỹ) f (y) ỹ y = ỹ y ỹ y f (ỹ) f (y) = f (x) on olemassa ja väite seuraa. Esimerkki 2.7. (a) Laske kuvauksen f :]0, [ ]/2, [, f(x) = käänteisfunktion erivaatta pisteessä 2/3. Ratkaisu: Kuvaus f on aiosti väenevä ja jatkuva. Lisäksi f (x) x+ = (x+) 2 0 kaikilla x ]0, [. Käänteisfunktion erivoimissäännön perusteella missä y = f(x) = x+ joten (f ) (2/3) = 9/4. y f (y) = f (x) = (x + )2, eli x + = /y. Siis y f (y) = y 2, (b) Olkoon n N. Laske x n, kun x > 0. Ratkaisu: Funktion f :]0, [ ]0, [, f(x) = x n x käänteisfunktio on f :]0, [ ]0, [, f (x) = x n. Kuvaus f on aiosti monotoninen ja jatkuva ja f (x) = nx n 0. Käänteisfunktion erivoimissäännön nojalla f on erivoituva ja kun y = x n saaaan Siis y f (y) = f (x) = nx n = n(y /n ) n = n y n. x x n = n x n. (c) Trigonometristen funktioien käänteisfunktiot eli arkusfunktiot (ks. Alkeisfunktiot) ovat arcsin : [, ] [ π/2, π/2] (aiosti kasvava), arccos : [, ] [0, π] (aiosti väenevä), arctan : R ] π/2, π/2[ (aiosti kasvava), arccot : R ]0, π[ (aiosti väenevä). 0

Ne voiaan erivoia käänteisfunktion erivoimissääntöä käyttäen. Kun y = sin x saaaan y arcsin y = sin x = cos x = x ± sin 2 x =. y 2 Tässä laskussa valitaan +-merkki neliöjuurilausekkeen eteen, sillä cos x 0, kun x [ π/2, π/2]. Siis x arcsin x =. x 2 Vastaavasti näään, että ja x arccos x = x 2, x arctan x = + x, 2 x arccot x = + x. 2 () Laske log x, x > 0 ja x x ex, kun tieetään, että e = n ( + /n) n = x 0 ( + x) /x (raja-arvon olemassaolon toistus sivuutetaan). Ratkaisu: Koska x log x on jatkuva kuvaus, saaaan (log(x + ) log x) = log x + x = x x log( + x ) = x log( + x ) x x log e = x kun 0. Siis x log x = x. Kun y = log x eli x = e y, käänteisfunktion erivoimissäännöstä saaaan Siis y ey = log x = x x x ex = e x. = x = e y. (e) Olkoon α R. Laske x xα, kun x > 0. Ratkaisu: Koska x α = (e log x ) α = e α log x = (g f)(x), missä f(x) = α log x ja g(x) = e x, saaaan ketjusäännöstä ja koasta () x xα = x (g f)(x) = g (f(x))f (x) = e α log x α x = α x xα = αx α. (f) Olkoon a > 0. Laske x ax. Ratkaisu: Koska a x = (e log a ) x = e x log a = (g f)(x), missä f(x) = x log a ja g(x) = e x, saaaan ketjusääntöä ja kotaa () käyttäen x ax = e x log a log a = log a a x.

(g) Laske x xx, kun x > 0. Ratkaisu: Koska x x = (e log x ) x = e x log x = (g f)(x), missä f(x) = x log x ja g(x) = e x saaaan ketjusäännöstä ja koasta () x xx = x (g f)(x) = ex log x (log x + x x) = xx (log x + ). () Laske x x + x, kun x > 0. Ratkaisu: Koska x + x = (g f)(x), missä f(x) = x + x ja g(x) = x saaaan ketjusäännön ja koan (e) perusteella x + x = g (f(x))f (x) = ( + ) = ( + ). x 2 f(x) 2 x 2 x + x 2 x (i) Hyperbolisten funktioien sin : R R, sin(x) = 2 (ex e x ), cos : R [, [, cos(x) = 2 (ex + e x ), tan : R ], [, tan(x) = sin x cos x = ex e x e x + e x, cot : R \ {0} {y R : y > }, cot(x) = cos x sin x = ex + e x e x e x erivaatat ovat sin x = cos x, x x tan x = cos 2 x = tan2 x, cos x = sin x, x x cot x = sin 2 x = cot2 x. Hyperbolisten funktioien käänteisfunktioien eli areafunktioien käänteisfunktioilla on seuraavat esitykset logaritmifunktion avulla arsin x = log(x + x 2 + ), arcos x = ± log(x + x 2 ) (kaksi aaraa), artan x = 2 log + x x, arcot x = 2 log x + x. Näistä saaaan x arsin x = x2 +, x arcos x = ± x2, x artan x = x 2, 3 Dierentiaalilaskennan peruslauseita Derivaatta kertoo kuvauksen lokaalista käyttäytymisestä. x arcot x = x 2. Lemma 3.. Oletetaan, että kuvaus f on erivoituva pisteessä x 0. 2

(a) Jos f (x 0 ) > 0, niin on olemassa sellainen δ > 0, että f(x) > f(x 0 ), kun x 0 < x < x 0 + δ ja f(x) < f(x 0 ), kun x 0 δ < x < x 0. (b) Jos f (x 0 ) < 0, niin on olemassa sellainen δ > 0, että f(x) < f(x 0 ), kun x 0 < x < x 0 + δ ja f(x) > f(x 0 ), kun x 0 δ < x < x 0. Toistus. (a) Valitaan ε = f (x 2 0 ) > 0. Raja-arvon ja erivaatan määritelmien perusteella löyetään sellainen δ > 0, että f(x) f(x 0 ) f (x 0 ) x x 0 < ε kun 0 < x x 0 < δ. Näin ollen f(x) f(x 0 ) x x 0 > f (x 0 ) ε = f (x 0 ) 2 f (x 0 ) = 2 f (x 0 ) > 0 kun 0 < x x 0 < δ. Jos 0 < x x 0 < δ eli x 0 < x < x 0 + δ, niin f(x) f(x 0 ) > 0 eli f(x) > f(x 0 ). Jos δ < x x 0 < 0 eli x 0 δ < x < x 0, niin f(x) f(x 0 ) < 0 eli f(x) < f(x 0 ). (b) Seuraa koasta (a) soveltamalla sitä funktioon f. Huomatus 3.2. Lemmassa 3.(a) funktio f ei välttämättä ole kasvava läellä pistettä x 0 (vast. koassa (b) f ei välttämättä ole väenevä). Esimerkiksi kuvaus x 2 sin f(x) = x + x 2, x 0 0, x = 0 ei ole kasvava pisteen 0 läellä, vaikka f (0) > 0. Alla on funktion f kuvaajia eri suurennoksilla. 3

Lause 3.3. Oletetaan, että f on erivoituva pisteessä x 0. Jos on olemassa sellainen avoin väli I, että x 0 I ja f(x 0 ) f(x) kaikilla x I, niin f (x 0 ) = 0. Vastaavasti, jos on olemassa sellainen avoin väli J, että x 0 J ja f(x 0 ) f(x) kaikilla x J, niin f (x 0 ) = 0. Toistus. Väite voiaan toistaa erivaatan määritelmää käyttäen. Toistetaan se nyt kuitenkin Lemman 3. avulla. Antiteesi: f (x 0 ) > 0 tai f (x 0 ) < 0. Jos f (x 0 ) > 0, niin valitaan δ > 0 kuten Lemmassa 3.(a). Valitaan sellainen x, että x 0 < x < x 0 + δ. Tällöin Lemman 3.(a) perusteella f(x) > f(x 0 ), mikä on ristiriita. Jos f (x 0 ) < 0, niin valitaan δ > 0 kuten Lemmassa 3.(b). Valitaan sellainen x, että x 0 δ < x < x 0. Tällöin Lemman 3.(b) perusteella f(x) > f(x 0 ), mikä on ristiriita. Antiteesi ei siis ole totta, joten f (x 0 ) = 0. Toinen väite toistetaan vastaavasti (HT). Huomatus 3.4. Lauseen 3.3 käänteinen väite ei ole totta. Kuvaus f :], [ R, f(x) = x 3 on erivoituva pisteessä 0 ja f (0) = 0. Kuitenkin f(0) = 0 f(x), kun x ]0, [ ja f(0) = 0 f(x), kun x ], 0[. Lause 3.5 (Rollen lause). Oletetaan, että kuvaus f on jatkuva suljetulla välillä [a, b] ja erivoituva avoimella välillä ]a, b[. Jos f(a) = f(b), niin on olemassa sellainen ξ ]a, b[, että f (ξ) = 0. f(a) = f(b) a ξ Geometrinen tulkinta: oletuksista seuraa, että funktion f kuvaajalla on ainakin yksi vaakasuora tangentti (kulmakerroin on nolla). Toistus. Oletetaan ensin, että f(x) = f(a) = f(b) kaikilla x [a, b]. Tällöin f (x) = 0 kaikilla x [a, b], joten mikä taansa välin ]a, b[ piste voiaan valita pisteeksi ξ. Oletetaan seuraavaksi, että f(x 0 ) > f(a) = f(b) jollakin x 0 [a, b]. Weierstrassin minimimaksimi-lauseen (ks. Jatkuvuus ja raja-arvo) perusteella löyetään sellainen ξ [a, b], että f(x) f(ξ) kaikilla x [a, b]. Koska f(ξ) f(x 0 ) > f(a) = f(b), niin ξ ]a, b[. Lauseen 3.3 perusteella f (ξ) = 0. Oletetaan lopuksi, että f(x 0 ) < f(a) = f(b) jollakin x 0 [a, b]. Vastaavasti kuten eellä löyetään sellainen ξ [a, b], että f(x) f(ξ) kaikilla x [a, b]. Kuten eellä näään, että f (ξ) = 0. Lause 3.6 (Dierentiaalilaskennan väliarvolause, DVAL). Oletetaan, että kuvaus f on jatkuva suljetulla välillä [a, b] ja erivoituva avoimella välillä ]a, b[. Tällöin on olemassa sellainen ξ ]a, b[, että f f(b) f(a) (ξ) =. b a b 4

L a ξ b Geometrinen tulkinta: oletuksista seuraa, että funktion f kuvaajalla on ainakin yksi tangentti, joka on kuvaajan päätepisteet yistävän suoran L suuntainen. Huomaa, että suoran L kulmakerroin on f(b) f(a). b a Toistus. Sovelletaan Rollen lausetta kuvaukseen [ ] f(b) f(a) g(x) = f(x) f(a) + (x a). b a Geometrinen tulkinta: pisteien (a, f(a)) ja (b, f(b)) kautta kulkevan sekantin ytälö on y = L(x) = f(a) + f(b) f(a) (x a), b a joten g(x) on funktion f kuvaajan pisteen P = (x, f(x)) ja sekantin pisteen P 2 = (x, L(x)) y-koorinaattien erotus. P 2 g(x) P a b Kuvaus g on jatkuva välillä [a, b] ja erivoituva välillä ]a, b[. Lisäksi g (x) = f (x) f(b) f(a). b a Koska g(a) = 0 = g(b), niin Rollen lauseen perusteella on olemassa sellainen ξ ]a, b[, että eli f (ξ) = f(b) f(a). b a 0 = g (ξ) = f (ξ) f(b) f(a) b a Esimerkki 3.7. (a) Oletetaan, että f on jatkuva välillä [0, 4] ja erivoituva välillä ]0, 4[. Oletetaan lisäksi, että f(0) = 2 ja f (x) 3 kaikilla x ]0, 4[. Minkä rajojen väliin saaaan näien etojen perusteella f(4)? Ratkaisu: DVAL:een perusteella löyetään sellainen ξ ]0, 4[, että f(4) f(0) 4 = f (ξ) 3. Siten f(4) 2 2 eli 2 f(4) 2 2 eli 0 f(4) 4. 5

(b) Osoita, että polynomilla P (x) = 7x 5 + 6x ei ole muita nollakotia kuin x = 0. Ratkaisu: Antiteesi: on olemassa sellainen x 0 0, että P (x 0 ) = 0. Oletetaan, että x 0 > 0. Koska P on jatkuva välillä [0, x 0 ] ja erivoituva välillä ]0, x 0 [, niin Rollen lauseen nojalla löyetään sellainen ξ ]0, x 0 [, että 0 = P (ξ) = 35x 4 + 6 6, mikä on ristiriita. Vastaavasti näään, että oletus x 0 < 0 jotaa ristiriitaan. Siis antiteesi on väärä ja väite totta. (c) Osoita, että Ratkaisu: On osoitettava, että 0 < 83 9 < 9. 0 < 83 8 < 9. Kuvaus f(x) = x on jatkuva välillä [8, 83] ja erivoituva välillä ]8, 83[. DVAL:en perusteella on olemassa sellainen ξ ]8, 83[, että 83 8 = f (ξ) = 83 8 2 ξ eli 83 8 = ξ. Koska 8 < ξ < 83 < 00, niin Näin ollen 0 < < < 83 ξ 9. 0 < 83 9 < 9. () Kuinka suuri vire teään saasosan tarkkuuella, kun luvulle 2 käytetään likiarvoa,4? Ratkaisu: arvioiaan lauseketta 2, 4 = 2, 4 2. Kuvaus f(x) = x on jatkuva välillä [, 4 2, 2] ja erivoituva välillä ], 4 2, 2[, joten DVAL:tta käyttäen löyetään sellainen ξ ], 4 2, 2[, että 2, 4 = f(2) f(, 42 ) = f (ξ) = 0, 04 2, 4 2 2 ξ < 2, 4. Siis 2, 4 < 0.04 2,4 = 70 < 0, 02. Vire on siis korkeintaan 0,02. (e) Osoita, että sin x < x kaikilla x > 0. Ratkaisu: Olkoon x > 0. Kuvaus f(t) = t sin t on jatkuva välillä [0, x] ja erivoituva välillä ]0, x[, joten DVAL:en perusteella on olemassa sellainen ξ ]0, x[, että x sin x x = f(x) f(0) x 0 = f (ξ) = cos ξ, joten x sin x = x( cos ξ) 0. On osoitettava vielä, että kuvauksella f ei ole nollakotia välillä ]0, [. Jos 0 < x π, niin 0 < ξ < x π, joten cos ξ > 0. Siis f(x) > 0, kun 0 < x π. Jos f(x 0 ) = 0 jollakin x 0 > π, niin DVAL:en nojalla cos ξ = f ( ξ) = f(x 0) f(π) x 0 π = π x 0 π < 0 jollekin ξ ]π, x 0 [. Tästä saaaan ristiriita cos ξ >. Näin ollen f(x) > 0, kun π < x. 6

DVAL:en seurauksena saaaan Lause 3.8. Oletetaan, että kuvaus f on jatkuva suljetulla välillä [a, b] ja erivoituva avoimella välillä ]a, b[. Kuvaus f on (a) kasvava välillä [a, b] jos ja vain jos f (x) 0 kaikilla x ]a, b[; (b) väenevä välillä [a, b] jos ja vain jos f (x) 0 kaikilla x ]a, b[. Toistus. (a) Olkoot x, x 2 [a, b] sellaisia, että x < x 2. DVAL:tta käyttäen löyetään sellainen ξ ]x, x 2 [, että f (ξ) = f(x 2) f(x ) x 2 x eli f(x 2 ) f(x ) = f (ξ)(x 2 x ) 0. Siis f(x 2 ) f(x ), joten f on kasvava. Olkoon x ]a, b[. Koska f on erivoituva pisteessä x, niin mikäli f on kasvava. f f(x + ) f(x) (x) = 0+ 0 (b) HT. Seuraus 3.9. Oletetaan, että kuvaus f on jatkuva suljetulla välillä [a, b] ja erivoituva avoimella välillä ]a, b[. Jos f (x) = 0 kaikilla x ]a, b[, niin f on vakio välillä [a, b], ts. on olemassa sellainen c R, että f(x) = c kaikilla x [a, b]. Toistus. Olkoot x, x 2 [a, b] sellaisia, että x < x 2. Lauseen 3.8 perusteella kuvaus f on sekä kasvava että väenevä, joten f(x ) f(x 2 ) f(x ). Siis f(x ) = f(x 2 ) eli f on vakio välillä [a, b]. Seuraus 3.0. Oletetaan, että kuvaukset f ja g ovat jatkuvia suljetulla välillä [a, b] ja erivoituvia avoimella välillä ]a, b[. Tällöin f (x) = g (x) kaikilla x ]a, b[ jos ja vain jos on olemassa sellainen vakio c R, että f(x) = g(x) + c kaikilla x [a, b]. Toistus. HT. Lause 3.. Oletetaan, että kuvaus f on jatkuva suljetulla välillä [a, b] ja erivoituva avoimella välillä ]a, b[. Kuvaus f on (a) aiosti kasvava välillä [a, b] jos ja vain jos f (x) 0 kaikilla x ]a, b[ ja ei ole olemassa sellaista avointa väliä ]a, b[, että f (x) = 0 kaikilla x. (b) aiosti väenevä välillä [a, b] jos ja vain jos f (x) 0 kaikilla x ]a, b[ ja ei ole olemassa sellaista avointa väliä ]a, b[, että f (x) = 0 kaikilla x. Toistus. (a) Olkoot x, x 2 [a, b] sellaisia, että x < x 2. Osoitetaan, että f(x ) < f(x 2 ). Lauseen 3.8(a) nojalla f on kasvava, joten f(x ) f(x 2 ). Jos f(x ) = f(x 2 ), niin funktion f kasvavuuen perusteella f(x ) f(x) f(x 2 ) = f(x ) kaikilla x ]x, x 2 [, joten f on vakio välillä ]x, x 2 [. Siten f (x) = 0 kaikilla x ]x, x 2 [, mikä on ristiriita oletuksen kanssa. On siis oltava f(x ) < f(x 2 ). Oletetaan, että f on aiosti kasvava. Lauseen 3.8(a) nojalla f (x) 0 kaikilla x ]a, b[. Jos on olemassa sellainen avoin väli ]a, b[, että f (x) = 0 kaikilla x, niin Seurauksen 3.9 perusteella f on vakio välillä. Tämä on maotonta, sillä f on aiosti kasvava. 7

(b) HT. (a) Kuvaus f(x) = x 3 on aiosti kasvava Lauseen 3.(a) perusteella, sillä f (x) = 3x 3 0 ja f (x) = 0 täsmälleen silloin kun x = 0. Esimerkki 3.2. (b) Tutki kuvauksen f :]0, ] R, f(x) = x log x monotonisuutta. Ratkaisu: Koska f (x) = x 0, kun 0 < x ja f (x) = 0 täsmälleen silloin kun x =, on kuvaus f aiosti väenevä Lauseen 3.(b) nojalla. (c) Osoita, että arcsin x+arccos x = π, kun x. Ratkaisu: Määritellään f : [, ] 2 R, f(x) = arcsin x + arccos x. Kuvaus f on jatkuva välillä [, ] ja erivoituva välillä ], [. Esimerkin 2.7(c) perusteella f (x) = x 2 x 2 = 0. Seurauksen 3.9 perusteella on olemassa sellainen c R, että f(x) = c kaikilla x [, ]. Nyt c = f(0) = arcsin 0 + arccos 0 = 0 + π 2 = π 2. Siis f(x) = π 2 eli arcsin x + arccos x = π 2, kun x. Lause 3.3 (Yleistetty ierentiaalilaskennan väliarvolause, YDVAL). Oletetaan, että kuvaukset f ja g ovat jatkuvia suljetulla välillä [a, b] ja erivoituvia avoimella välillä ]a, b[. Tällöin on olemassa sellainen ξ ]a, b[, että (f(b) f(a))g (ξ) = (g(b) g(a))f (ξ). Toistus. Määritellään kuvaus : [a, b] R asettamalla (x) = (f(b) f(a))g(x) (g(b) g(a))f(x). Kuvaus on jatkuva välillä [a, b] ja erivoituva välillä ]a, b[. Lisäksi ja (x) = (f(b) f(a))g (x) (g(b) g(a))f (x) (b) = (f(b) f(a))g(b) (g(b) g(a))f(b) = g(a)f(b) f(a)g(b) = (b). Rollen lauseen perusteella löyetään sellainen ξ ]a, b[, että (ξ) = 0 eli (f(b) f(a))g (ξ) = (g(b) g(a))f (ξ). YDVAL:tta käyttäen toistetaan l'hospitalin sääntö, joka elpottaa muotoa 0 olevien rajaarvojen 0 laskemista. Lause 3.4 (l'hospitalin sääntö). Oletetaan, että kuvaukset f ja g ovat erivoituvia avoimella välillä ]a, b[ ja että g(x) 0 g (x) kaikilla x ]a, b[. Jos f(x) = 0 = g(x) x a+ x a+ ja f (x) x a+ g (x) = L R niin f(x) x a+ g(x) = L. Vastaava tulos pätee vasemmanpuoleiselle raja-arvolle ja varsinaiselle raja-arvolle. 8

Toistus. Olkoon ε > 0. Raja-arvon määritelmän perusteella löyetään sellainen δ > 0, että f (x) g (x) L < ε kun a < x < a + δ. Olkoon 0 < x < a + δ. Määrittelemällä f(a) = 0 = g(a) funktiot f ja g ovat jatkuvia välillä [a, x]. YDVAL:n perusteella löyetään sellainen ξ ]a, x[, että (f(x) f(a))g (ξ) = (g(x) g(a))f (ξ). (*) Rollen lauseen nojalla g(x) g(a). Jos nimittäin g(x) = g(a), niin Rollen lauseen perusteella välillä ]x, a[ on funktion g erivaatan nollakota. Tämä on maotonta oletuksen perusteella. Nyt ytälöstä (*) saaaan f(x) f(a) g(x) g(a) = f (ξ) g (ξ), joten f(x) g(x) L = f(x) f(a) g(x) g(a) L = f (ξ) g (ξ) L < ε. Näin ollen Loput väitteet toistetaan vastaavasti. f(x) x a+ g(x) = L. Huomatus 3.5. (a) l'hospitalin sääntöä vastaava tulos pätee myös muotoa oleville rajaarvoille. Oletetaan, että f ja g ovat erivoituvia välillä ]a, b[ ja että g (x) 0 kaikilla x ]a, b[. Jos f(x) = = g(x) x a+ x a+ ja f (x) x a+ g (x) = L niin f(x) x a+ g(x) = L. (b) l'hospitalin sääntöä vastaavat tulokset pätevät myös kun L =, L =, x tai x. Esimerkki 3.6. Laske e 2x e sin x x 0 sin(e x ). Ratkaisu: Kuvaukset f(x) = e 2x e sin x ja g(x) = sin(e x ) ovat erivoituvia ja x 0 f(x) = 0 = x 0 g(x). Lisäksi g (x) = e x cos(e x ) 0 kun x on läellä pistettä 0 ja g(x) 0 kun x 0 ja x on läellä pistettä 0. l'hospitalin säännön perusteella e 2x e sin x x 0 sin(e x ) = 2e 2x cos xe sin x x 0 e x cos(e x ) = 2 =. 9

4 Funktion ääriarvot Määritelmä 4.. Kuvauksella f : I R on pisteessä x 0 I suurin arvo eli (globaali) maksimiarvo, jos f(x 0 ) f(x) kaikilla x I. Merkitään f(x 0 ) = max x I f(x) ja sanotaan, että x 0 on kuvauksen f maksimikota. Vastaavasti määritellään kuvauksen f pienin arvo eli (globaali) minimiarvo ja minimikota. Funktiolla f on pisteessä x 0 lokaali maksimi, jos on olemassa sellainen δ > 0, että f(x 0 ) f(x) kaikilla x ]x 0 δ, x 0 + δ[ I, ts. f(x 0 ) on kuvauksen f maksimi pisteen x 0 ympäristössä. Vastaavasti määritellään kuvauksen f lokaali minimi. Minimi- ja maksimiarvoja sanotaan ääriarvoiksi ja vastaavia pisteitä sanotaan ääriarvokoiksi. Jos eo. epäytälöt ovat aitoja, niin kyseessä ovat aito maksimi ja aito minimi. Lause 4.2. Jos x 0 on funktion f lokaali ääriarvokota ja f on erivoituva pisteessä x 0, niin f (x 0 ) = 0. Toistus. Seuraa suoraan Lauseesta 3.3. Derivaatan nollakota ei välttämättä ole lokaali ääriarvokota. Esimerkiksi kuvaus f(x) = x 5 on aiosti kasvava, mutta f (0) = 0. Jos erivaatta vaitaa merkkiään pisteessä x 0, on x 0 lokaali ääriarvokota. Lause 4.3 (ääriarvokoan f -testi). Oletetaan, että kuvaus f on jatkuva avoimella välillä I ja erivoituva kaikilla x I \ {x 0 }. Jos f (x ) 0 ja f (x 2 ) 0 kaikilla x < x 0 < x 2, niin kuvauksella f on maksimi pisteessä x 0. Jos f (x ) 0 ja f (x 2 ) 0 kaikilla x < x 0 < x 2, niin kuvauksella f on minimi pisteessä x 0. Jos eo. epäytälöt ovat aitoja, on vastaava ääriarvo aito. Toistus. Seuraa Lauseesta 3.8. Esimerkki 4.4. Mitkä ovat funktion f : R R, f(x) = x(x ) 3 lokaalit ääriarvokoat? Ratkaisu: Funktio f on erivoituva ja f (x) = (x ) 3 + 3x(x ) 2 = (x ) 2 (4x ) = 0 jos ja vain jos x = tai x = /4. Tutkitaan erivaatan merkkiä oeisen merkkikaavion avulla. 4 (x ) 2 + + + 4x - + + f - + + f -testin perusteella x = /4 on aito lokaali minimi. Kota x = ei ole ääriarvokota. Ääriarvoja voiaan tutkia toisen erivaatan avulla. Lause 4.5 (ääriarvokoan f -testi). Oletetaan, että f on erivoituva avoimella välillä I. Oletetaan lisäksi, että toinen erivaatta f on olemassa pisteessä x 0 I ja että f (x 0 ) = 0. (a) Jos f (x 0 ) > 0, niin x 0 on funktion f aito lokaali minimikota. (b) Jos f (x 0 ) < 0, niin x 0 on funktion f aito lokaali maksimikota. Toistus. (a) Jos f (x 0 ) > 0, niin Lemman 3.(a) perusteella löyetään sellainen δ > 0, että f (x ) < f (x 0 ) = 0 < f (x 2 ) kun x 0 δ < x < x 0 < x 2 < x 0 + δ. Ääriarvokoan f -testin nojalla x 0 on funktion f aito lokaali minimikota. 20

(b) Vastaavasti. Yteenveto 4.6. Jatkuva kuvaus f saavuttaa suljetulla välillä [a, b] suurimman ja pienimmän arvonsa. Ääriarvokota on (a) välin päätepiste a tai b tai (b) piste, jossa f ei ole erivoituva tai (c) erivaatan nollakota. Nämä pisteet on tutkittava erikseen. Derivaatan merkin vaituminen ja toisen erivaatan merkki kertovat lokaalin ääriarvokoan tyypin. (a) Määritä kuvauksen f : R R, f(x) = x 3 3x suurin ja pienin arvo välillä [ 2, 2]. Ratkaisu: Koska f on jatkuva se saavuttaa välillä [ 2, 2] suurimman ja pienimmän arvonsa. Koska f on erivoituva, maollisia ääriarvokotia ovat välin päätepisteet 2 ja 2 sekä erivaatan nollakoat. Nyt f (x) = 3x 3 3 = 0 jos ja vain jos x = ±. Koska f( 2) = 3, f(2) =, f( ) = ja f() = 3, niin funktion f suurin arvo on ja pienin arvo on 3. Esimerkki 4.7. (b) Osoita, että kuvauksella f : R R, f(x) = x + x 2 on suurin ja pienin arvo. Ratkaisu: Kuvaus f on erivoituva ja f (x) = + x2 2x 2 ( + x 2 ) 2 = x2 ( + x 2 ) 2 = 0 jos ja vain jos x = ±. Lisäksi f() = /2 ja f( ) = /2. Koska f(x) = 0 = f(x) x x on olemassa sellainen M >, että f(x) < /0, kun x M. Koska f on suljetulla välillä [ M, M] erivoituva (ja siten jatkuva), se saavuttaa välillä [ M, M] suurimman ja pienimmän arvonsa pisteissä M, M, tai. Koska 0 < f( M) < 0, 0 < f(m) < 0, f( ) = 2, f() = 2 on funktion f suurin arvo välillä [ M, M] ja pienin arvo. Nämä ovat funktion f 2 2 suurin ja pienin arvo joukossa R, sillä välin [ M, M] ulkopuolella < f(x) <. 0 0 (c) Onko kuvauksilla f(x) = sin x x ja g(x) = e x x ääriarvot pisteessä 0? Ratkaisu: Kuvaus f on erivoituva ja f (x) = cos x < 0 kun x [ π/2, π/2]\{0}. Siten f on aiosti väenevä välillä [ π/2, π/2] Lauseen 3.(b) perusteella. Näin ollen funktiolla f ei ole ääriarvoa pisteessä 0. Kuvaus g on erivoituva ja g (x) = e x = 0 jos ja vain jos x = 0. Koska g (x) = e x > 0, niin f -testin perusteella 0 on funktion g aito lokaali minimikota. Lisäksi g (x) > 0, kun x > 0 ja g (x) < 0 kun x < 0. Siten g on aiosti kasvava välillä ]0, [ ja aiosti väenevä välillä ], 0[. Siis 0 on globaali minimikota. 2

() Määritä kuvauksen f : R R, f(x) = x( x + x ) ääriarvot. Ratkaisu: Kuvauksen f lauseke on x( x x + ) = x( 2x), x 0 f(x) = x(x x + ) = x, 0 < x < x(x + x ) = x(2x ), x Kuvaus f on jatkuva ja erivoituva väleillä ], 0[, ]0, [ ja ], [. Lisäksi 4x > 0, x < 0 f (x) =, 0 < x < 4x > 0, x > Derivaatalla ei siis ole nollakotia. Maollisia ääriarvokotia ovar pisteet 0 ja, joissa funktiolla f ei ole erivaattaa. Koska f on jatkuva ja f > 0 jokaisella välillä ], 0[, ]0, [ ja ], [, on f aiosti kasvava. Siis funktiolla f ei ole ääriarvokotia. 22