Sinin jatkuvuus Lemma Kaikilla x, y R, sin x sin y x y. Seuraus Sini on jatkuva funktio. Seuraus Kosini, tangentti ja kotangentti ovat jatkuvia funktioita. Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 22 / 53
Yhdistetyn funktion raja-arvo Lause Oletetaan että raja-arvo lim x x0 f (x) =: y 0 on olemassa ja että funktio g on jatkuva pisteessä y 0. Tällöin yhdistetyllä funktiolla g f on olemassa raja-arvo pisteessä x 0 ja lim (g f )(x) = g( lim f (x)) = g(y 0 ). x x 0 x x 0 Erityisesti jos f on jatkuva pisteessä x 0 ja g on jatkuva pisteessä f (x 0 ) niin g f on jatkuva pisteessä x 0. Huomautus: jos f on jatkuva, niin y 0 = f (x 0 ) ja täten g(y 0 ) = (g f )(x 0 ). Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 23 / 53
Alkeisfunktiot ovat jatkuvia Alkeisfunktiot ovat jatkuvia määrittelyalueellaan: polynomifunktiot rationaalifunktiot juurifunktiot trigonometriset funktiot eksponenttifunktiot (myöhemmin) logaritmifunktiot (myöhemmin) hyperboliset funktiot (myöhemmin) näiden äärelliset yhdistelmät (summat, tulot, osamäärät, yhdistetyt funktiot). Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 24 / 53
Alkeisfunktioiden äärelliset yhdistelmät ovat jatkuvia Esimerkki Funktio sin(x 2 ) + e x on jatkuva. Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 25 / 53
Puristuslause eli suppiloperiaate Seuraavan lauseen avulla voi laskea useita raja-arvoja. Lause Olkoot f, g ja h funktioita joille päätee 1 f (x) g(x) h(x) aina kun 0 < x x 0 < r 2 lim x x0 f (x) = lim x x0 h(x) =: a. Tällöin funktiolla g on raja-arvo pisteessä x 0 ja lim g(x) = a. x x 0 Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 26 / 53
Puristuslauseen sovellus Tutkitaan raja-arvoa sin x lim x 0 x. Geometrisesti voidaan päätellä että sin x < x < tan x kun 0 < x < π/2: (0, 1) (0, 0) sin x x tan x Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 27 / 53
Sovellus jatkuu... Jakamalla epäyhtälöt puolittain x:llä saadaan sin x x sin x < x < tan x < 1 < sin x x 1 cos x. Täten cos x < sin x < 1. x Koska lim x 0 cos x = 1 saadaan puristuslauseen nojalla että sin x lim x 0+ x = 1. Vasemmanpuoleinen raja-arvo saadaan vastaavasti joten sin x lim x 0 x = 1. Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 28 / 53
Raja-arvo äärettömyydessä Olkoon f reaalifunktio, joka on määritelty ainakin joukossa [M, + [ jollain M R. Määritelmä Luku a R on funktion f raja-arvo äärettömyydessä + mikäli kaikilla ɛ > 0 löytyy sellainen R > 0 että f (x) a < ɛ aina kun x > R. Vastaavasti a R on funktion f : ], M] R raja-arvo äärettömyydessä mikäli kaikilla ɛ > 0 löytyy sellainen R < 0 että Merkitään näitä raja-arvoja ( = + ). f (x) a < ɛ aina kun x < R. lim f (x) ja lim f (x). x + x Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 29 / 53
Asymptoottiesimerkki Tutkitaan funktion raja-arvoja äärettömyydessä. f (x) = 2x + 1 x 1 2x+1 x 1 Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 30 / 53
Asymptootit Määritelmä Suoraa y = c kutsutaan funktion f horisontaaliseksi asymptootiksi jos lim f (x) = c tai lim f (x) = c. x x + Vastaavasti suoraa x = c kutsutaan funktion f vertikaaliseksi asymptootiksi jos lim f (x) = + tai lim f (x) = tai x c x c lim f (x) = + tai lim f (x) =. x c+ x c+ Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 31 / 53
Äärettömät raja-arvot Määritelmä Funktion f oikeanpuoleinen raja-arvo pisteessä x 0 on + mikäli kaikilla R > 0 löytyy sellainen δ > 0 että f (x) > R aina kun x 0 < x < x 0 + δ. Funktion f oikeanpuoleinen raja-arvo pisteessä x 0 on mikäli kaikilla R < 0 löytyy sellainen δ > 0 että Näitä merkitään f (x) < R aina kun x 0 < x < x 0 + δ. lim f (x) = + ja lim f (x) =. x x 0 + x x 0 + Vasemmanpuoleiset raja-arvot määritellään käyttämällä f :n arvoja x 0 :n vasemmalla puolella (eli 0 < x x 0 < δ korvataan lausekkeella 0 < x 0 x < δ). Näitä merkitään lim x x0 f (x). Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 32 / 53
Jatkuvien funktioiden väliarvolause Lause Olkoon f : [a, b] R jatkuva. Tällöin funktio f saa kaikki arvot, jotka ovat lukujen f (a) ja f (b) välissä. Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 33 / 53
Integraalit 1 Määrätty integraali = oikea integraali: esim. 1 0 x 2 dx = reaaliluku 2 Määräämätön integraali = derivaatan käänteisoperaatio: esim. x 2 dx = joukko funktioita Huomautus Nämä kaksi eri käsitettä yhdistää Analyysin peruslause (the Fundamental Theorem of Calculus). Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 34 / 53
Integraali (määrätty) eli merkillä varustettu pinta-ala Funktion f (x) integraali välin [a, b] yli on funktion f (x) graan ja x-akselin välin [a, b] väliin jäävä netto pinta-ala kun x-akselin yläpuoliset osiot saavat merkin + ja alapuoliset merkin. b a f (x) dx = vihreä ala punainen ala Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 35 / 53
Miten pinta-ala määritellään? Positiivisen funktion f : [a, b] R kuvaajan ja x-akselin välistä pinta-alaa voidaan arvioida suorakulmioilla. Jaetaan tutkittava väli [a, b] osiin ja arvioidaan funktiota jokaisella osavälillä sekä alhaalta että ylhäältä päin. f (x) f (x) a b a b Oranssin alueen ala antaa alapuolisen arvion pinta-alalle ja vihreän alueen ala yläpuolisen arvion. Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 36 / 53
Esimerkki Tutkitaan funktion f (x) = x 2 kuvaajan ja x-akselin välistä pinta-alaa välillä [1, 2]. f (x) = x 2 1 2 1 2 1 2 1 2 A 1 = 1.625 Y 1 = 3.125 A 2 = 1.96875 Y 2 = 2.71875 Ylä- ja alapuoleisen arvion erotus: Y 1 A 1 = 1.5 Y 2 A 2 = 0.75 Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 37 / 53
Positiivisen funktion integraalin määritelmän idea Funktion f (x) 0 kuvaajan ja x-akselin väliin jäävä pinta-ala määritellään approksimoimalla suorakulmioiden avulla (nk. Riemannin integraali). f (x) f (x) a b a b Tihentämällä jakoa pinta-alalle saadaan tarkemmat ala- ja yläpuoleiset arviot, ja jos näillä on yhteinen raja-arvo, niin sanotaan, että f on integroituva (välillä [a, b]). Yhteistä raja-arvoa kutsutaan f :n integraaliksi yli välin [a, b] ja merkitään b a f (x) dx. Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 38 / 53
Integraali kun f ei välttämättä positiivinen Jokainen reaaliarvoinen funktio f : [a, b] R voidaan jakaa positiiviseen ja negatiiviseen osaan: f (x) = f + (x) f (x) kaikilla x [a, b] missä f + (x) 0 ja f (x) 0 kaikilla x [a, b]. Lisäksi vaaditaan, että f + ja f eivät ole samassa kohtaa 0 (täsmällinen määritelmä seuraavalla kalvolla). Määritelmä Funktion f integraali yli välin [a, b] määritellään asettamalla b a f (x) dx := b a b f + (x) dx f (x) dx, a olettaen että positiiviset funktiot f + ja f ovat integroituvia (tällöin sanotaan että f on integroituva). Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 39 / 53
(Lisäkalvo) Positiivinen ja negatiivinen osa täsmällisesti Olkoon f : [a, b] R. Määritellään kaikilla x [a, b] jolloin f + (x) = max{f (x), 0} = f (x) = max{ f (x), 0} = f (x) + f (x) 2 f (x) f (x) 2 f (x) = f + (x) f (x) ja f (x) = f + (x) + f (x). f (x) f (x) f + (x) f (x) Pekka Salmi FUNK 19. syyskuuta 2016 40 / 53