Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3



Samankaltaiset tiedostot
Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

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

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 4

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

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

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 2

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Tenttiin valmentavia harjoituksia

Matematiikan peruskurssi 2

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 10

2 Yhtälöitä ja epäyhtälöitä

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

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 1

Matematiikan tukikurssi

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

Matematiikan pohjatietokurssi

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Tekijä Pitkä matematiikka

Algebra. 1. Ovatko alla olevat väittämät tosia? Perustele tai anna vastaesimerkki. 2. Laske. a) Luku 2 on luonnollinen luku.

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 5

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

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

Lue tehtävänannot huolella. Tee pisteytysruudukko 1. konseptin yläreunaan. ILMAN LASKINTA -OSIO! LASKE KAIKKI SEURAAVAT TEHTÄVÄT:

Reaalilukuvälit, leikkaus ja unioni (1/2)

Ratkaisuehdotus 2. kurssikoe

Matematiikan tukikurssi

Ratkaisuehdotus 2. kurssikokeeseen

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Tehtävä 1. Arvioi mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa. Vihje: voit aloittaa kokeilemalla sopivia lukuarvoja.

Matematiikan tukikurssi

Karteesinen tulo. Olkoot A = {1, 2, 3, 5} ja B = {a, b, c}. Näiden karteesista tuloa A B voidaan havainnollistaa kuvalla 1 / 21

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Piiri K 1 K 2 K 3 K 4 R R

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Reaalifunktioista 1 / 17. Reaalifunktioista

1.4 Funktion jatkuvuus

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo Ratkaisut ja pisteytysohjeet

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Rationaalilauseke ja -funktio

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo 10 13

niin järjestys on tämä: ensin kerto- ja jakolaskut vasemmalta oikealle, sen jälkeen plus- ja miinuslaskut vasemmalta oikealle.

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

1. Olkoot f ja g reaalifunktioita. Mitä voidaan sanoa yhdistetystä funktiosta g f, jos a) f tai g on rajoitettu? b) f tai g on jaksollinen?

Kertaus. x x x. K1. a) b) x 5 x 6 = x 5 6 = x 1 = 1 x, x 0. K2. a) a a a a, a > 0

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

f(x 1, x 2 ) = x x 1 k 1 k 2 k 1, k 2 x 2 1, 0 1 f(1, 1)h 1 = h = h 2 1, 1 12 f(1, 1)h 1 h 2

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

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

3 Yleinen toisen asteen yhtälö ja epäyhtälö

Algebra I, harjoitus 5,

Tehtävä 2. Osoita, että seuraavat luvut ovat algebrallisia etsimällä jokin kokonaislukukertoiminen yhtälö jonka ne toteuttavat.

läheisyydessä. Piirrä funktio f ja nämä approksimaatiot samaan kuvaan. Näyttääkö järkeenkäyvältä?

2 Pistejoukko koordinaatistossa

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

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

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

Tekijä MAA2 Polynomifunktiot ja -yhtälöt = Vastaus a)

Matematiikan tukikurssi

sin x cos x cos x = sin x arvoilla x ] π

H5 Malliratkaisut - Tehtävä 1

k-kantaisen eksponenttifunktion ominaisuuksia

3.4 Rationaalifunktion kulku ja asymptootit

x 7 3 4x x 7 4x 3 ( 7 4)x 3 : ( 7 4), 7 4 1,35 < ln x + 1 = ln ln u 2 3u 4 = 0 (u 4)(u + 1) = 0 ei ratkaisua

, on säännöllinen 2-ulotteinen pinta. Määrää T x0 pisteessä x 0 = (0, 1, 1).

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo Ratkaisut ja pisteytysohjeet

Matemaatiikan tukikurssi

1 Rajoittamaton optimointi

Tekijä Pitkä matematiikka a) Ratkaistaan nimittäjien nollakohdat. ja x = 0. x 1= Funktion f määrittelyehto on x 1 ja x 0.

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

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2017 Harjoitus 8, ratkaisuista

Matematiikan tukikurssi

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Transkriptio:

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3 1 Epäyhtälöitä Aivan aluksi lienee syytä esittää luvun itseisarvon määritelmä: { x kun x 0 x = x kun x < 0 Siispä esimerkiksi 10 = 10 ja 10 = 10. Seuraavaksi listaus siitä, mitä epäyhtälöille saa tehdä. 1. Jos meillä on epäyhtälö a > b, voidaan se kertoa positiivisella luvulla, jolloin sen suunta säilyy. Eli jos c > 0, c a > c b Syy tähän on selvä: esimerkiksi 5 > 2, joten 2 5 > 2 ( 2), koska 10 > 4. 2. Jos epäyhtälön kertoo negatiivisella luvulla, sen suunta muuttuu: jos a > b ja c < 0, c a < c b Tätä voi testata esimerkillä: 5 > 1, mutta 5 < 1, jossa siis epäyhtälön kumpikin puoli on kerrottu luvulla 1. Itseisarvolle pätee sääntö x y = x y eli tulon itseisarvo on itseisarvojen tulo. Täten esimerkiksi 5 x = 5 x = 5 x. Kun nämä asiat ovat hallussa, voimme siirtyä tarkastelemaan epäyhtälöjä, jotka sisältävät itseisarvoja. Muodostetaan epäyhtälö: x > a, jossa a on jokin luku. Palautetaan mieleen pari riviä ylempää epäyhtälön määritelmä: { x kun x 0 x = x kun x < 0 1

Sijoittamalla tämä määritelmä epäyhtälön x :n paikalle saadaan: x > a x > a tai x > a. Muokkaamalla tämä saadaan muotoon: x > a tai x < a. Tässä siis jälkimmäinen epäyhtälö kerrottiin luvulla 1, jolloin yhtälön suunta vaihtui. Tämä kannattaa havainnollistaa graasesti. Edellisessä kohdassa tarkasteltavana oli epäyhtälö, jossa x:n itseisarvo oli suurempi kuin jokin luku, a. Toinen tapaus on muotoa x:n itseisarvo on pienempi kuin jokin luku, a > 0 (itseisarvo aina positiivinen, joten se ei voi olla pienempi kuin jokin negatiivinen luku). Eli: x < a. Jälleen voidaan käyttää itseisarvon määritelmää: se, että x on pienempi kuin jokin luku a tarkoittaa, että joko x on pienempi kuin a tai x on pienempi kuin a. Eli: x < a x < a tai x < a. Taas voidaan muokata kyseistä yhtälöä: x < a x < a tai x > a. Tässä tapauksessa voidaan tehdä hieman yhdistelyä: jos a on sekä pienempi kuin jokin positiivinen luku, että suurempi kuin jokin negatiivinen luku, on se näiden kahden luvun välissä: x < a tai x > a a < x < a. Tämä tule selväksi kun luvut piirtää janalle. Esimerkki 1. Sievennetään x + 1 < 3: x + 1 < 3 3 < x + 1 < 3 4 < x < 2 2

Edellisessä esimerkissä siis siirryttiin suoraan epäyhtälöstä f(x) < a epäyhtälöön a < f(x) < a. Esimerkki 2. Sievennetään x + 1 > 3: x + 1 > 3 x + 1 > 3 tai (x + 1) > 3 x > 2 tai x 1 > 3 x > 2 tai x > 4 x > 2 tai x < 4 Jälleen kannattaa piirtää jana, ja tutkia epäyhtälön ratkaisua graasesti. Jos meillä on epäyhtälö a < 1/x < b, jossa a ja b ovat suurempia kuin nolla, miten tästä saa x:n kätevästi osoittajasta nimittäjään? Vastaus paljastuu tarkastelemalla kumpaakin epäyhtälöä erikseen: a < 1/x ax < 1 x < 1/a 1/x < b 1 < bx 1/b < x Laittamalla nämä kaksi yhteen saadaan 1/b < x < 1/a, joten yhtälö ratkaistiin seuraavasti: a < 1/x < b 1/b < x < 1/a. Eli kaikki termit nostettiin ainoastaan potenssiin 1, ja epäyhtälöiden suunnat muutettiin. Kolmioepäyhtälö kertoo meille seuraavaa: x + y x + y Epäyhtälön pitävyys tulee selväksi, kun sen paikalle sijoittaa eri arvoja: jos x = 1 ja y = 1, se näyttää seuraavalta: 1 + ( 1) 1 + 1 3

0 2, mikä tietenkin pitää paikkansa. Jos x ja y ovat kumpikin suurempia kuin nolla, kyseinen epäyhtälö pätee yhtälönä. Esimerkki 3. Osoita kolmioepäyhtälön avulla, että x+y +z x + y + z Ratkaisu. Kolmioepäyhtälössä on vain kaksi termiä, mutta tässä tehtävässä on kolme: kolmioepäyhtälö sanoo a + b a + b. Tehdään lausekkeeseen x + y + z sijoituksia: x + y + }{{}}{{} z, =a =b jolloin voimme sijoittaa epäyhtälöön a + b a + b arvot a = x + y ja b = z: a + b a + b x + y + z x + y + z Jälkimmäiseen epäyhtälöön voi soveltaa kolmioepäyhtälöä vielä kerran: koska x + y x + y. x + y + z x + y + z x + y + z, Käytännössä kolmioepäyhtälön käytössä kannattaa käyttää luovuutta a:n ja b:n valinnassa. Luovuutta voi käyttää myös lisäämällä älykkäästi nollan kyseiseen epäyhtälöön: Esimerkki 4. Osoita, että a + b a + c + b c. Ratkaisu: a + b voidaan muokata muotoon a + c }{{ } c +b. =0 Nyt kolmioepäyhtälöä voi soveltaa sijoituksilla x = a + c ja y = c + b: Tässä tuli siis todistettua: (a + c) + ( c + b) a }{{}}{{}}{{ + } c + c }{{ + } b =x =y =x =y a + b = a + c c + b a + c + b c 4

2 Supremum ja innum Olkoon A jokin joukko reaalilukuja. Ajatellaan joukkoa S, joka sisältää kaikki luvut, jotka ovat suurempia tai yhtä suuria kuin A:n kaikki luvut. Siis: S = {x x a a A} Esimerkki 5. Jos A = {a a < 1}, joukko S, joka sisältää kaikki luvut jotka ovat suurempia tai yhtä suuria kaikki a:n luvut on muotoa S = {y y 1}. Esimerkki 6. Jos A = {a a 6}, joukko S, joka sisältää kaikki luvut jotka ovat suurempia tai yhtä suuria kaikki a:n luvut on muotoa S = {y y 6}. Esimerkki 7. Jos A = {a 88 a 6}, joukko S, joka sisältää kaikki luvut jotka ovat suurempia tai yhtä suuria kuin kaikki a:n luvut on edelleen muotoa S = {y y 6}. Supremum on tämän suurempi tai yhtä suuri kuin -joukon pienin alkio (eli minimi) esimerkissä 3 joukon A supremum oli 1, esimerkkien 4 ja 5 joukon A supremum oli 6. Esimerkki 8. Joukon A = {1, 4, 5} supremum on 5. Esimerkki 9. Joukolla A = {y y 6} ei ole supremumia eli pienintä ylärajaa; sillä ei ole ollenkaan ylärajaa. Joukon innum löydetään vastaavalla tavalla: muodostetaan pienempi kuin -joukko, ja etsitään tämän suurin alkio. Innum on siis joukon A suurin alaraja. Esimerkki 10. Joukon A = {a 88 a 6} suurin alaraja on 88. Esimerkki 11. Joukolla A = {a a < 1} ei ole suurinta alarajaa, sillä se ei ole alhaalta rajoitettu (eli sillä ei ole yhtään alarajaa). Esimerkki 12. Joukon A = {1, 4, 5} innum on 1. Mitä eroa on supremumilla ja maksimilla tai toisaalta innumilla ja minimillä? Alla oleva esimerkki valaisee: Esimerkki 13. Joukon A = {a a < 1} supremum on 1. Sillä ei ole maksimia, sillä se on avoin joukko. Toisaalta joukon A = {a a 1} supremum on myös 1. Tällä joukolla on myös maksimi: 1. Siis ylhäältä suljetun joukon maksimi on sama kuin sen supremum. Vielä pari esimerkkiä: Esimerkki 14. Joukon A = {x 2 x R} innum on 0. Ylhäältä rajoittamattomana joukkona sillä ei ole supremumia. Esimerkki 15. Joukon A = {1/x x R + } innum on 0. Esimerkki 16. Joukon A = {1/x 2 x Q \ {0}} innum on 0. 5

3 Algebraa Raja-arvoja voi laskea muokkaamalla raja-arvon sisässä olevaa lauseketta muotoon, jolla funktio on raja-arvopisteessä määritelty: esimerkiksi ( ) x 2 = (1) = 1. x 2 x 2 x 2 Vaikkakaan kyseisen funktion arvo ei ole määritelty pisteessä x = 2, on tämän funktion arvo määritelty pisteen 2 läheisyydessä; itse asiassa tämä funktio on määritelty mielivaltaisen lähellä pistettä x = 2, vaikkakaan ei itse tässä pisteessä. Tästä syystä raja-arvon laskemiseksi funktion voi muokata yllä olevalla tavalla. Raja-arvo kertoo kuinka funktio käyttäytyy kun x lähestyy jotain pistettä x 0 ; raja-arvo ei ota kantaa miten miten funktio käyttäytyy itse tuossa pisteessä. Edellisessä tehtävässä x 0 oli 2 ja funktio ei ollut edes määritelty siinä, sillä nimittäjässä oli tuolloin nolla. Raja-arvotehtäviä lasketaan käytännössä yleensä nimenomaan muokkaamalla raja-arvon sisässä olevaa lauseketta. Yllä tämä muokkaus oli helppoa; usein tämä vaatii vähän enemmän algebraaista manipulaatiota. Tämän vuoksi tämä kappale käsittelee osittain jo lukiosta tuttua yhtälöiden manipulaatiota. Tämä on tärkeä tekninen taito, josta on tenteissä hyötyä muissakin kuin raja-arvotehtävien ratkaisemisessa. Alla yksi tärkeimmistä identiteeteistä: (a + b)(a b) = a 2 b 2 Tämän todistus on helppo lasketaan vain (a + b)(a b) auki: (a + b)(a b) = a 2 ab + ba b 2 = a 2 b 2 Näin esimerkiksi (3 + 4)(3 4) = 3 2 4 2 = 9 16 = 7. Käytännössä kyseistä identiteettiä tarvitaan kuitenkin useimmin toiseen suuntaan: lähdetään lausekkeesta, joka on muotoa a 2 b 2 (usein on hieman vaativaa tunnistaa, onko lauseke tätä muotoa), ja muokataan se muotoon(a + b)(a b). Esimerkki 17. Laske raja-arvo x 1 ( ) x 2 1 x 1 Ratkaisu: Huomataan, että x 2 1 on muotoa a 2 b 2, joten x 2 1 = (x 1)(x + 1). Ratkaistaan raja-arvo tämän avulla: ( ) ( ) x 2 1 (x + 1)(x 1) = = (x + 1) = 2. x 1 x 1 x 1 x 1 x 1 6

Esimerkki 18. Laske raja-arvo n 2 ( ) x 2 4 x 2 Ratkaisu: Huomataan, että x 2 4 on muotoa a 2 b 2, joten x 2 4 = (x 2)(x + 2). Ratkaistaan raja-arvo tämän avulla: ( ) ( ) x 2 4 (x + 2)(x 2) = = (x + 2) = 4. x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 Myös lausekkeet muotoa a 3 b 3 voidaan muokata parempaan muotoon: a 3 b 3 = (a b)(a 2 + ab + b 2 ). Edellisen voi todistaa jälleen laskemalla lausekkeen auki. Se kertoo esimerkiksi: 125 27 = (5 3)(25 + 15 + 9). Yleisessä tapauksessa, kun lauseke on muotoa a n b n, on tulos seuraava: a n b n = (a b)(a n 1 + a n 1 b + a n 2 b 2 + a n 3 b 3 + + b n 1 ). Edellisen yhtälön jälkimmäisessä lausekkeessa on n termiä. Esimerkki 19. Lauseke x 5 y 5 saadaan yllä olevaa kaavaa käyttämällä muotoon x 5 y 5 = (x y)(x 4 + x 3 y + x 2 y 2 + xy 3 + y 4 ). Lausekkeen a n + b n hajotelma on lähes sama kuin a n b n :n hajotelma: siinä missä a n b n = (a b)(a n 1 + a n 2 b + a n 3 b 2 + a n 4 b 3 + + b n 1 ), a n + b n = (a + b)(a n 1 a n 2 b + a n 3 b 2 a n 4 b 3 + + b n 1 ), eli ainoastaan jälkimmäisissä sulkeissa joka toinen termi saa miinus-merkin, ja ensimmäisissä sulkeissa on plus eikä miinus. Kumpikin on helppo (?) todistaa kertomalla termit auki. Esimerkki 20. Faktoroi x 5 + y 5 Ratkaisu: Edellistä kaavaa käyttäen: x 5 + y 5 = (x + y)(x 4 x 3 y + x 2 y 2 xy 3 + y 4 ). 7

Joskus raja-arvolausekkeen nimittäjässä tai osoittajassa esiintyy toisen asteen polynomi, jolloin tämä polynomi on usein faktoroitava tekijöihin. Tämä tapahtuu seuraavasti: Jos meillä on toisen asteen polynomi ax 2 + bx + c, ja kyseisen polynomin nollakohdat (eli yhtälön ax 2 + bx + c = 0 ratkaisut) ovat x 0 ja x 1, voidaan kyseinen polynomi faktoroida seuraavasti: ax 2 + bx + c = (x x 0 )(x x 1 ) Esimerkki 21. Polynomin x 2 + x + 6 nollakohdat ovat 2 ja 3, joten x 2 + x + 6 = (x 2)(x + 3). Toisen asteen polynomin nollakohdat löytyvät joko kokeilemalla tai seuraavalla kaavalla: ax 2 + bx + c = 0 x = b ± (b 2 4ac) 2a Harjoitus 1. Ratkaise x:n arvot, jotka toteuttavat epäyhtälön x + 2 a Harjoitus 2. Ratkaise x:n arvot, jotka toteuttavat epäyhtälön x + 2 a Harjoitus 3. Osoita kolmioepäyhtälön avulla, että x y x + y Harjoitus 4. Osoita kolmioepäyhtälön avulla, että 7x 12y 7 x + 12 y Harjoitus 5. Mikä on joukon A = {1/x x R + } innum? Harjoitus 6. Mikä on joukon A = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8} supremum? Innum? Harjoitus 7. Laske raja-arvo: x 2 Harjoitus 8. Laske raja-arvo: Harjoitus 9. Laske raja-arvo: ( ) x 2 + x 6 x 1 x 2 x 2 ( ) x 3 1 x 2 1 ( ) x 4 16 x 2 8