Matema&ikkaa kemisteille - kertaus

Samankaltaiset tiedostot
Matema,ikkaa kemisteille - kertaus

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

Luoki?elua: tavallinen vs osi?ais. Osa 11. Differen0aaliyhtälöt. Luoki?elua: kertaluku. Luoki?elua: lineaarisuus 4/13/13

30 + x ,5x = 2,5 + x 0,5x = 12,5 x = ,5a + 27,5b = 1,00 55 = 55. 2,5a + (30 2,5)b (27,5a + 27,5b) =

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

kolminkertaisesti tehtäviä tavallisiin harjoituksiin verrattuna, voi sen kokonaan tekemällä saada suunnilleen kolmen tavallisen harjoituksen edestä

Osa 11. Differen-aaliyhtälöt

Lisä,etopake3 2: ra,onaalifunk,on integroin,

Osi$aisintegroin, Palautetaan mieleen tulon derivoimissääntö: d

Osi*aisintegroin2. Osi*aisintegroin2: esimerkkejä. Osi*aisintegroin2tapauksia 1/29/13. f'(x)g(x)dx=f(x)g(x) f(x)g'(x)dx. f'(x)g(x)dx=f(x)g(x)

Osi$aisintegroin, Palautetaan mieleen tulon derivoimissääntö: d

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

PERUSASIOITA ALGEBRASTA

Esimerkkejä derivoinnin ketjusäännöstä

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

Matematiikkaa kemisteille, kevät 2012 Ylimääräinen laskuharjoitus Palautus 7.5. klo (suositellaan kuitenkin tekemään ennen välikoetta 30.4!

3. Differen*aalilaskenta

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.

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

Funktion määrittely (1/2)

4. Integraalilaskenta

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.

Johdatus yliopistomatematiikkaan, 2. viikko (2 op)

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

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

2.7 Neliöjuuriyhtälö ja -epäyhtälö

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

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

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

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

2.2 Täydellinen yhtälö. Ratkaisukaava

Tässä dokumentissa on ensimmäisten harjoitusten malliratkaisut MATLABskripteinä. Voit kokeilla itse niiden ajamista ja toimintaa MATLABissa.

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Trigonometriset funk4ot

2 Yhtälöitä ja epäyhtälöitä

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

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

Vektoreiden A = (A1, A 2, A 3 ) ja B = (B1, B 2, B 3 ) pistetulo on. Edellisestä seuraa

PRELIMINÄÄRIKOE. Pitkä Matematiikka

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Kompleksianalyysi, viikko 6

Matematiikan tukikurssi

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) MS-A0207 Hakula/Vuojamo Kurssitentti, 12.2, 2018, arvosteluperusteet

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Matematiikan tukikurssi

F {f(t)} ˆf(ω) = 1. F { f (n)} = (iω) n F {f}. (11) BM20A INTEGRAALIMUUNNOKSET Harjoitus 10, viikko 46/2015. Fourier-integraali:

Mat Matematiikan peruskurssi K2

Viivaintegraali: "Pac- Man" - tulkinta

3. Differen*aalilaskenta

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Matematiikan tukikurssi

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

Matematiikan tukikurssi

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

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Sähköstaattisen potentiaalin laskeminen

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

Muuttujan vaihto. Viikon aiheet. Muuttujan vaihto. Muuttujan vaihto. ) pitää muistaa lausua t:n avulla. Integroimisen työkalut: Kun integraali

Matemaattinen Analyysi

w + x + y + z =4, wx + wy + wz + xy + xz + yz =2, wxy + wxz + wyz + xyz = 4, wxyz = 1.

c) Määritä paraabelin yhtälö, kun tiedetään, että sen huippu on y-akselilla korkeudella 6 ja sen nollakohdat ovat x-akselin kohdissa x=-2 ja x=2.

Eksponenttifunktion Laplace muunnos Lasketaan hetkellä nolla alkavan eksponenttifunktion Laplace muunnos eli sijoitetaan muunnoskaavaan

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

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

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

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

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

f (28) L(28) = f (27) + f (27)(28 27) = = (28 27) 2 = 1 2 f (x) = x 2

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

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.

Reaalilukuvälit, leikkaus ja unioni (1/2)

Tyyppi metalli puu lasi työ I II III

Matematiikka B3 - Avoin yliopisto

Luento 2: Liikkeen kuvausta

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

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

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ (1 piste/kohta)

H5 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Luonnollisten lukujen laskutoimitusten määrittely Peanon aksioomien pohjalta

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

1 Di erentiaaliyhtälöt

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

Mustan kappaleen säteily

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

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

6.8 Erityisfunktioiden sovelluksia

f(x, y) = x 2 y 2 f(0, t) = t 2 < 0 < t 2 = f(t, 0) kaikilla t 0.

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

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

LAUSEKKEET JA NIIDEN MUUNTAMINEN

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

Kompleksiluvun logaritmi: Jos nyt z = re iθ = re iθ e in2π, missä n Z, niin saadaan. ja siihen vaikuttava

Transkriptio:

Matema&ikkaa kemisteille - kertaus Näiden kalvojen tarkoituksena on kerrata kurssin tärkeimmät sisällöt Joitakin asioita myös hieman syvennetään/ täsmennetään loppukurssilla opi<ujen työkalujen avulla. Lisäksi käydään läpi muutamia lisäesimerkkejä asioista joiden luentokäsi<ely jäi ohueksi. Kertauskalvoja voi käy<ää esimerkiksi ten@in valmistautuessa osaatko kaikki tässä luetellut asiat?

Perusteet Suureet, etulii<eet, SI- järjestelmä, merkinnät Laskujärjestys, laskusäännöt Pyöristys ja merkitsevät numerot Pyöristä aina lopputulos, älä pyöristä välituloksia! Pyöristys on tavallaan virheenarvoin&a; tulosta ilmoi<aessa ei pidä antaa väärää kuvaa virheiden suuruuksista. Helpoissa tapauksissa pyöristykseen löytyy nyrkkisääntöjä: Kerto- ja jakolaskussa pyöristä sen luvun mukaan jossa on vähiten merkitseviä numeroita; yhteenlaskussa sen mukaan, jossa on vähiten desimaalipilkun jälkeisiä numeroita Hankalammissa laskuissa virheen arvoin&in löytyy omat kaavansa, esim. maksimi- tai keskivirheen kaavat.

Alkeisfunk&ot Peruskäsi<eet funk&oista: arvojoukko, määri<elyjoukko, graafinen esitys Polynomifunk&ot Yhtälöryhmän ratkaiseminen 2. asteen yhtälön ratkaisukaavan käy<ö Algebran juuriteoreema Polynomiyhtälöt ph laskuissa Eksponen& ja logaritmit ja niiden laskusäännöt

Eksponen@en ja logaritmien a 0 = 1 a - m =1/a m (ab) r = a r b r (a/b) r = a r /b r a r a s = a r+s a r /a s = a r- s (a r ) s = a rs log a (xy) = log a (x) + log a (y) log a (x/y) = log a (x) - log a (y) log a (x n ) = n log a (x) laskusäännöt

Esimerkki: yhtälöryhmät spektroskopiassa Kemian sovelluksissa mitataan usein liuosten absorbansseja eri aallonpituusalueilla. Beerin lain mukaan aineen absorbanssi A aallonpituudella λ on: A(λ) = ε(λ)bc, missä ε(λ) on kyseessä olevasta aineesta riippuva absorbanssikerroin kyseisellä aallonpituudella, b on kyve&n leveys ja c aineen pitoisuus. Jos kyseessä on usean aineen seos, voidaan absorbanssi kirjoi<aa eri aineiden absorbanssien summana: A(λ) = ε 1 (λ)bc 1 +ε 2 (λ)bc 2 +..., missä aineen 1 absorbanssi on ε 1 (λ) ja konsentraa&o c 1 (jne).

Esimerkki: yhtälöryhmät spektroskopiassa Absorbanssimi<austen yhteydessä esiintyy monia erilaisia yhtälöryhmien ratkaisuongelmia. Esimerkiksi: Tapaus 1. Tunnetaan konsentraa,ot c 1, c 2... mu<a ei absorbanssikertoimia ε 1, ε 2... Tällöin voidaan mitata absorbanssi &etyllä aallonpituudella usealle eri seokselle (= eri konsentraa&olle) ja määri<ää tästä absorbanssikertoimet. Tapaus 2: Tunnetaan absorbanssit ε 1, ε 2... mu<a ei konsentraa&oita c 1, c 2... Konsentraa&ot voidaan selvi<ää mi<aamalla samalle seokselle absorbanssit eri aallonpituuksilla (ole<aen e<ä ε 1 (λ) ja ε 2 (λ) funk&ot ovat erilaisia). Kaikissa näissä tapauksissa tarvitaan lähtökohtaises& (vähintään) yhtä monta yhtälöä (= eri mi<austa) kuin selvite<ävää muu<ujaa.

Esimerkki. Olkoon aineen 1 absorbanssi: 3000 M - 1 cm - 1 aallonpituudella 280 nm, ja 9500 M - 1 cm - 1. aallonpituudella 350 nm. (M = mol/l) Olkoon aineen 2 absorbanssi: 5000 M - 1 cm - 1 aallonpituudella 280 nm ja 12000 M - 1 cm - 1 aallonpituudella 350 nm. Näytekyve&n leveyden (b) ollessa 10 cm mita@in molempia aineita sisältävästä seoksesta seuraavat absorbanssit: 0,846 aallonpituudella 280 nm, ja 2,104 aallonpituudella 350 nm. Laske aineiden pitoisuudet. Ratkaisu: ilmaistaan absorbanssi kullakin aallonpituudella Beerin lain avulla. A 280nm = ε 1,280nm bc 1 +ε 2,280nm bc 2 = 0,846 A 350nm = ε 1,350nm bc 1 +ε 2,350nm bc 2 = 2,104 Sijoitetaan seuraavaksi tunnetut arvot (ε kertoimet ja b)

3000M 1 cm 1 10cm c 1 + 5000M 1 cm 1 10cm c 2 = 0,846 9500M 1 cm 1 10cm c 1 +12000M 1 cm 1 10cm c 2 = 2,104 sievennetään hieman: 30000M 1 c 1 + 50000M 1 c 2 = 0,846 95000M 1 c 1 +120000M 1 c 2 = 2,104 Tämä on siis ratkaistava yhtälöryhmä. Voidaan käy<ää joko vähennyslaskumenetelmää (esim. kerrotaan yhtälö 1 tekijällä 95000/30000 ja vähennetään sen jälkeen toisistaan), tai sijoitusmenetelmää. Käytetään tässä jälkimmäistä, ja saadaan esim. yhtälöstä 1: 30000M -1 c 1 = 0,846 50000M -1 c 2 c 1 = 0.0000282M 1, 6667c 2

Sijoitetaan tämä yhtälöön 2: 95000M 1 (0, 0000282M 1, 6667c 2 )+120000M 1 c 2 = 2.104 2, 679 158333M 1 c 2 +120000M 1 c 2 = 2,104 38333M 1 c 2 = 0, 575 c 2 = 0, 000015 mol/l Ja c 1 saadaan esim. edellä lasketusta: c 1 = 0, 0000282M 1, 6667c 2 = 0, 0000032 mol/l

Trigonometriset funk&ot Määritelmät (suorakulmainen kolmio & yksikköympyrät) Jaksollisuus ja sen huomioiminen trigonometrisia yhtälöitä ratkaistaessa Yhtälöiden ratkaisu käänteisfunk&oita käy<äen Napakoordinaa@en määritelmät ja käy<ö Erilaisten trigonometristen muunnoskaavojen käy<ö ja soveltaminen (ei ulkoa ope<elu)

Derivaa<a Määritelmä, graafinen tulkinta Alkeisfunk&oiden derivaatat Yhdistetyn funk&on derivaa<a D x f(g(x)) = df(u) dg(x) du u=g(x) dx Tai toisella tavalla ilmaistuna ("ketjutussääntö"): Minimi- ja maksimikoh&en löytäminen df(g(x)) dx = df dg dg dx

Esimerkki: funk&on ääriarvot Löydä funk&on f(r) = (r 2 8r+15)e - r minimi- ja maksimikohdat kun 0 < r <. Ratkaisu: ääriarvot löytyvät derivaatan nollakohdista. Lasketaan derivaa<a ja asetetaan se nollaksi: f '(r) = D r (r 2 8r +15) e r + (r 2 8r +15) D r (e r ) = (2r 8) e r (r 2 8r +15) e r = ( r 2 +10r 23) e r = 0 Tulo on nolla, kun jokin sen tekijöistä on nolla. e - r on aina nollaa suurempi kun 0 < r <, joten nollakohta voi löytyä vain kohdista, joissa r 2 + 10r 23 = 0.

Toisen asteen yhtälön ratkaisukaavalla: r = -10 ± 102 4 1 23 = 5 8-2 2 = 5 2 r = 5 2,5 + 2 { } { } 3.59,6.41 Derivaatan nollakoh&en luonne selviää joko laskemalla toisen derivaatan arvo nollakohdissa (posi&ivinen arvo vastaa minimiä, nega&ivinen maksimia) tai tekemällä etumerkkitaulukko: f'(r) - + - r=3.59 r=6.41

Saadaan siis tulos: minimi kohdassa r = 5 2, maksimi kohdassa r = 5 + 2. Funk&on arvot minimi- ja maksimikohdissa ovat vastaavas& 0,0023 ja 0,0079 f(r)

Operaa<orit Operaa<orin käsite Ominaisarvoyhtälö Ominaisfunk&ot ja ominaisarvot; niiden laskeminen yksinkertaisissa tapauksissa Esim "onko cos(nx) operaa<orin k d 2 /dx 2 ominaisfunk&o? Jos on, mikä on ominaisarvo?"

Integraalilaskenta Määritelmä, graafinen tulkinta Määräämätön ja määrä<y integraali Ääretön integroimisrajana Alkeisfunk&oiden integraalit Integroin&"kikat": Yhdistetyn funk&on derivaatan sääntö "toisinpäin" Osi<aisintegroin& Muu<ujanvaihto Ra&onaalifunk&on integroin& Trigonometriset muunnoskaavat, Eulerin kaava

Tärkeitä integroin&sääntöjä f(x) n f'(x) dx = 1 n +1 f(x)n+1 + C f'(x)e f(x) dx = e f(x) + C f'(x) dx = ln f(x) + C f(x) f'(x)sin[ f(x) ]dx = cos f(x) [ ] + C f'(x)cos[ f(x) ]dx = sin f(x) [ ] + C

Esimerkki kine&ikasta 1. kertaluvun reak&o: A è tuo<eet Esim: monet kemialliset hajoamisreak&ot, radioak&ivinen hajoaminen... 1. kertaluvun reak&ota kuvaa differen&aaliyhtälö [ ] d A = k[ A] dt missä k on nopeuskerroin. Yhtälön ratkaisemiseksi tarvitaan lisäksi alkuarvo, tyypillises& muotoa "konsentraa&o ajanhetkellä t=0 on A 0 "

Differen&aaliyhtälö on separoituva, eli se voidaan ratkaista ryhmi<elemällä kaikki yhden muu<ujan termit yhdelle puolelle ja toisen muu<ujan termit toiselle puolelle, ja integroimalla molemmat puolet. Tämän yhtälön separoiminenon varsin helppoa: d[ A] dt d A = k[ A] [ ] [ A] = kdt [ ] [ ] d A A = kdt = k dt

Alkuarvo voidaan "syö<ää" tehtävään kahdella eri tavalla: 1)Ensin lasketaan molemmat integraalit määräämä<öminä, ja sen jälkeen ratkaistaan integroimisvakio C ase<amalla [A]=A 0 kun t=0. 2)Lasketaan integraalit määrä<yinä integraaleina, eli integroidaan [A] arvosta A 0 arvoon [A(t)] ja t arvosta 0 arvoon t. Tapa 1: d A k [ ] A [ ] dt = ln( A [ ]) (+C) = kt (+C) ln( A [ ])= kt+c

Ratkaistaan C ase<amalla [A] = A 0 ja t = 0 ln(a 0 ) = -k 0 + C C = ln(a 0 ) Saa&in siis ratkaisu: ln( [ A]) = -kt + ln(a 0 ) [ A] = [ A(t) ] = e kt+ln(a 0 ) = e kt e ln(a 0 ) = A 0 e kt

Tapa 2 (määrä<y integroin&): [ A(t) ] A 0 [ A(t) ] A 0 [ ] [ A] d A ln A(t) t = k dt 0 t ln[ A] = k 0 [ ] - ln(a 0 ) = k(t - 0) [ ] ln A(t) A 0 [ A(t) ] A 0 = kt = e kt [ A(t) ] = A 0 e kt t

Toinen esimerkki kine&ikasta 2. kertaluvun reak&o: A + B è tuo<eet Erikoistapaus: A + A è tuo<eet Erikoistapausta kuvaa differen&aaliyhtälö d A [ ] = 2k[ A] 2 dt missä k on nopeuskerroin (tekijä 2 tarvitaan jo<a kertoimien määri<elyt saadaan yhteismitallisiksi; reak?ossa katoaa 2 kappale<a A- molekyylejä aina kerralla). Alkuarvo kuten edellä; "konsentraa&o ajanhetkellä t = 0 on A 0 "

Ratkaistaan esimerkiksi tapaa 1 käy<äen: d[ A] dt d A = 2k[ A] 2 [ ] [ A] 2 = 2kdt d[ A] [ A] 2 = 2k dt 1 [ A] = 2kt + C

Ratkaistaan C ase<amalla [A] = A 0 ja t = 0 1 = 2k 0 + C A 0 C = 1 A 0 Saadaan siis: 1 [ A] = 2kt 1 A 0 1 [ A] = 2kt + 1 A 0 [ A] = [ A(t) ] = 1 2kt+ 1 A 0

Entä jos A B? Yleinen 2. kertaluvun reak&o: A + B è tuo<eet Reak&ota kuvaa differen&aaliyhtälö [ ] d A dt = k[ A] [ B] k on nopeuskerroin, alkuarvo on nyt muotoa "konsentraa&ot ajanhetkellä t=0 ovat A 0 ja B 0 " Voidaan ilmaista myös tuo<eiden avulla, esim jos reak&o on A + B è C, voidaan kirjoi<aa: [ ] d C dt = +k[ A] [ B] Jolloin tarvitaan myös alkuarvo [C]:lle.

Ratkaiseminen hankalampaa, koska muu<ujia periaa<eessa useampia; differen&aaliyhtälö osataan kuitenkin ratkaista vain 2 muu<ujan tapauksessa. Yksi tapa on kirjoi<aa kaikki konsentraa&ot yhden muu<ujan avulla, esim olkoon tuo<een C konsentraa&o ajanhetkellä t [C(t)] = x(t). Oletetaan alkuarvona e<ä x = 0 kun t = 0. Tällöin [A(t)] = A 0 x(t) ja [B(t)] = B 0 x(t). Nyt saadaan: d C [ ] dt = dx dt = k A [ ] B [ ] = k(a 0 x)(b 0 x) dx (A 0 x)(b 0 x) = kdt

Ennen integroimista täytyy suori<aa vasemmanpuoleiseen ra&onaalifunk&oon osamurtokehitelmä: 1 (A 0 x)(b 0 x) = a (A 0 x) + b (B 0 x) a:n ja b:n arvot ratkaistaan sieventämällä oikeanpuoleinen lauseke: a (A 0 x) + b (B 0 x) = a(b x) + b(a x) 0 0 (A 0 x)(b 0 x) = ab 0 +ba 0 x(a+b) (A 0 x)(b 0 x) 1 (A 0 x)(b 0 x)

ab 0 +ba 0 -x(a+b) (A 0 x)(b 0 x) 1 (A 0 x)(b 0 x) Saadaan yhtälöryhmä: ab 0 + ba 0 =1 a + b = 0 Näistä saadaan laske<ua a- ja b- kertoimet. Sen jälkeen integroin& onkin helppoa, esim: a 1 =a = a ln(a 0 x)+c (A 0 x) (A 0 x) C- vakion ratkaisu alkuarvojen avulla kuten edellä. Loppuosa tehtävää jätetään "kertausharjoituksiin"!

Esimerkki: e ax cos(bx) integroin& Lasketaan funk&on e ax cos(bx) integraali kahdella eri tavalla: 1)Osi<aisintegroimalla kahdes&. 2)Eulerin kaavan avulla.

e ax cos(bx) integroin& osi<ain f '(x)g(x)dx = f (x)g(x) f (x)g'(x)dx asetetaan f '(x) = e ax, jolloin f (x) = eax a g(x) = cos(bx), jolloin g'(x) = b sin(bx) e ax cos(bx)dx = eax a cos(bx)+ b a e ax sin(bx)dx

e ax cos(bx)dx = eax a cos(bx)+ b a e ax sin(bx)dx Jo<a päästäisiin eroon sinifunk&osta, osi<aisintegroidaan uudestaan. f '(x)g(x)dx = f (x)g(x) f (x)g'(x)dx asetetaan f '(x) = e ax, jolloin f (x) = eax a g(x) = sin(bx), jolloin g'(x) = b cos(bx) e ax sin(bx)dx = eax a sin(bx) b a e ax cos(bx)dx Yhdistetään tulokset...

e ax cos(bx)dx = eax a cos(bx)+ b a e ax sin(bx)dx = eax a cos(bx)+ b a (eax a sin(bx)) b a e ax cos(bx)dx) e ax cos(bx)dx = eax a (cos(bx)+ b b2 sin(bx)) a a 2 e ax cos(bx)dx (1+ b2 a 2 ) eax cos(bx)dx e ax cos(bx)dx = e ax = eax a (cos(bx)+ b a sin(bx)) a (cos(bx)+ b a sin(bx)) 1+ b2 a 2 ( + C )

e ax cos(bx)dx = e ax a (cos(bx)+ b a sin(bx)) 1+ b2 a 2 ( + C ) a a = eax a + b2 a (cos(bx)+ b a sin(bx)) ( + C ) a a = eax (acos(bx)+ bsin(bx)) ( + C ) a 2 2 + b

e ax cos(bx) integroin& Eulerin avulla Eulerin kaavan perusteella e ibx = cos(bx)+ isin(bx) Toisin sanoen, funk&o cos(bx) voidaan tulkita funk&on e ibx reaaliosaksi. Vastaavas& myös integraali e ax cos(bx)dx voidaan tulkita integraalin e ax e ibx dx reaaliosaksi.

Integraali e ax e ibx dx Voidaan laskea normaaleilla eksponen@funk&on laskusäännöillä (koska muu<uja x saa vain reaaliarvoja, ei kompleksisuudesta tarvitse itse integroinnin yhteydessä väli<ää: a + ib käsitellään ihan tavallisena vakiona.) e ax e ibx dx = e (a+ib)x dx = e(a+ib)x a + ib + C Nyt pitää siis vain laskea tästä reaaliosa.

e (a+ib)x a + ib = eax e ibx (a ib) (a + ib)(a ib) = ( e ax a 2 + b 2 )eibx (a ib) = eax a 2 + b 2 = eax a 2 + b 2 Reaaliosa tästä on [ cos(bx)+ isin(bx) ](a ib) acos(bx)+ bsin(bx)+ i(asin(bx) bcos(bx)) [ ] e ax (acos(bx)+ bsin(bx)) a 2 2 + b

Saa&in siis e ax cos(bx)dx = Re( e ax e ibx dx) = eax (acos(bx)+ bsin(bx)) + C a 2 2 + b eli sama tulos kuin osi<aisintegroimalla.

Sarjat, vektorit & kompleksiluvut Geometrinen sarja, suppemeninen ja summa Taylorin sarjaksi kehi<äminen ja yksinkertaiset sovellukset kemiassa Ts. Ymmärre<ävä, miksi sarjaksi kehi<äminen tehdään; tämä on oikeastaan tärkeämpää kuin varsinainen sarjakehitelmän laskeminen Vektorin määritelmä ja pistetulo Kompleksilukujen laskutoimitukset, etenkin Eulerin kaavan sovellukset

Esimerkki: sarjaksi kehi<äminen Einsteinin kehi<ämän kaavan mukaan kiinteän atomihilan lämpökapasitee@ on C V = 3R x2 e x (e x 1) 2 x = hf kt Missä R on kaasuvakio, h Planckin vakio, k Bolzmannin vakio, T lämpö&la ja f on hilan atomien värähtelytaajuus. Halutaan &etää lämpökapasitee@ kun T. Ratkaisu: kun T, x 0. Kehitetään e x sarjaksi pisteen 0 ympäristössä.

e x e 0 + e0 (x 0) 1 1! + e0 (x 0) 2 2! + e0 (x 0) 3 3! +... =1+ x + x2 2 + x3 6 Missä siis oletetaan x rii<ävän pieneksi jo<a x 2 << x. Nyt saadaan: C V = 3R +... 1+ x x2 e x (e x 1) 3R x2 (1+ x) 2 (1+ x 1) 2 = 3R x2 (1+ x) x 2 = 3R(1+ x) x = hf kt Edelleen kun T niin x 0, jolloin (1+x) 1. Lämpökapasitee&n arvoksi kun lämpö&la lähestyy ääretöntä saa&in siis 3R.

Osi<aisderivoin& Useamman muu<ujan funk&oon lii<yvät määritelmät, käsi<eet ja graafiset tulkinnat Osi<aisderivaatan merkintä ("mitä pidetään vakiona") ja laskeminen 2 muu<ujan funk&on ääriarvotehtävät Kokonaisdifferen&aalin laskeminen Yhdistetyn funk&on derivoiminen useamman muu<ujan tapauksessa Osi<aisderivaa<oja koskevien kaavojen soveltaminen

Oleellisia osi<aisderivaa<oihin lii<yviä kaavoja ( f u ) v = ( f x ) y ( x u ) v + ( f y ) x ( y u ) v ( Z y ) x = 1 ( y Z ) x ( Z x ) y ( x y ) z = ( Z y ) x ( Z x ) y ( x y ) z ( y Z ) x = 1

Viivaintegroin& C Eksak& ja epäeksak& differen&aali (käsite, tulkinta, laskeminen) Viivaintegraalin laskemisen keinot f (x, y) ds ds muunnetaan Pythagoraan kaavalla C C [ Fdx + Gdy] [ Fdx + Gdy] kun Fdx + Gdy epäeksak& Kun Fdx + Gdy eksak& Ideaalikaasuun lii<yvät viivaintegraalit (esim dv, dw) ja niiden tulkinta

Tilavuusintegraalit Pallokoordinaa@en määritelmä Koordinaa@muunnokset, funk&oiden muuntaminen pallokoordinaa<eihin Tilavuuselemen@ pallokoordinaateissa! Tilavuusintegraalit pallokoordinaateissa, lähinnä vetyatomiin (tjsp) lii<yvissä tehtävissä Operaa<orien merkintä ja operaa<oreihin lii<yvien käsi<eiden soveltaminen integroin&tehtävien yhteydessä.

Esimerkki: odotusarvon laskeminen Yleinen tapaus: jos systeemin &laa kuvaa aaltofunk&o ψ, niin operaa<orin A ˆ odotusarvo <A> lasketaan näin: A = ψ * A ˆ ψdτ Yksinkertaisin esimerkki: operaa<ori kuvaa r ˆ elektronin etäisyy<ä atomiy&mestä. "Operaa&o" on tässä vain r:llä kertominen, eli operaa<orinotaa&ota ei varsinaises& tarvita se on kuitenkin hyvä sisäistää jatkon kannalta.

Lasketaan esimerkkinä operaa<orin r ˆ odotusarvo vetyatomin 2pz- orbitaalilla. (Tämän fysikaalinen tulkinta on siis se etäisyys atomiy&mestä, jolta elektroni todennäköisimmin löytyy.) K.o. aaltofunk&o on ψ 2 pz = Saadaan siis: = r = 1 4 2πa 0 5 re ψ * 2 pz ˆr ψ 2 pz dτ = ψ * 2 pz r ψ 2 pz dτ 1 4 2πa 0 5 re r 2a 0 cos(θ) r 2a 0 cos(θ) r 1 4 2πa 0 5 re r 2a 0 cos(θ)dτ

= = = 1 4 2πa 0 5 re 1 32πa 0 5 r 3 1 5 32πa 0 1 5 32πa 0 r 2a 0 cos(θ) r r e a 0 cos 2 (θ)dτ 2π 0 π 0 0 r 1 4 2πa 0 5 re r 5 e a 0 cos 2 (θ)sin(θ)dr dθ dφ r r 5 e a 0 dr cos 2 (θ)sin(θ)dθ dφ 0 π 0 r 2a 0 cos(θ)dτ 2π 0 Lasketaan integraalit erikseen.

Muistetaan seuraavat tulokset: e ar r n dr = n! 0 a n+1 f (x) n f '(x) dx = 1 n +1 f (x)n+1 + C Tämän avulla saadaan varsin vaiva<omas&: e r a 0 r 5 dr = 5! 0 2π ( 1 dφ = ) 6 0 a 0 2 π 0 φ = 2π 0 = 2π π cos 2 (θ)sin(θ)dθ = 0 π 0 1 3 cos3 (θ) = 1 3 (cos3 (π ) cos 3 (0)) = 1 3 ( 1 1) = 2 3

Yhdistetään tulokset: = r = 1 32πa 5! 5 0 " 1 % 2 6 3 2π $ ' # & a 0 1 120 2 2 π 32 3 π 1 1 a 0 = 5a 0 265pm

Tilasto&eteen perusteet Keskeiset käsi<eet Jakaumat Erilaiset keskiluvut Hajontaa kuvaavat luvut Yksinkertaisten &lastolukujen laskeminen käsin ja &etokoneella Normaalijakauman käsite ja merkitys luonnossa ja &eteessä

Virheen arvioin& Virhetarkastelun käsi<eet, esim: Systemaa@nen ja satunnainen virhe Toistokertojen vaikutus virheseen Funk&on maksimivirheen ja keskivirheen kaavan soveltaminen kemiallisissa esimerkeissä PNS sovituksen periaa<eet Käytännön harjoitukset ORIGIN ohjelmalla Kaavoja ei (&etenkään) tarvitse opetella ulkoa!

Differen&aaliyhtälöt Keskeisten käsi<eiden ja määritelmien ymmärtäminen Kertaluku, lineaarisuus, homogeenisuus, muu<ujien lukumäärä Separoituvien yhtälöiden ratkaiseminen; integroin&vakioiden ratkaiseminen alkuarvojen avulla Yksinkertaisten ei- separoituvien yhtälötyyppien ratkaiseminen (lähinnä lineaariset epähomogeeniset 1. asteen yhtälöt) kun ratkaisukaava on anne<u.