Luku 2. Jatkuvien funktioiden ominaisuuksia.

Samankaltaiset tiedostot
Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Täydellisyysaksiooman kertaus

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

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

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

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

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

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

1 Määrittelyjä ja aputuloksia

1 sup- ja inf-esimerkkejä

1 Supremum ja infimum

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

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

Matemaattisen analyysin tukikurssi

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

3 Lukujonon raja-arvo

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

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

5 Differentiaalilaskentaa

3 Lukujonon raja-arvo

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

Reaaliluvut. tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku 1 / 13

Ratkaisuehdotus 2. kurssikokeeseen

Raja-arvot ja jatkuvuus

reaalifunktioiden ominaisuutta, joiden perusteleminen on muita perustuloksia hankalampaa. Kalvoja täydentää erillinen moniste,

Reaaliarvoisen yhden muuttujan funktion raja arvo LaMa 1U syksyllä 2011

Matematiikan tukikurssi

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Seurauksia. Seuraus. Seuraus. Jos asteen n polynomilla P on n erisuurta nollakohtaa x 1, x 2,..., x n, niin P on muotoa

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

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

Ratkaisuehdotus 2. kurssikoe

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

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

1.4 Funktion jatkuvuus

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

Raja arvokäsitteen laajennuksia

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

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

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

Talousmatematiikan perusteet: Luento 5. Käänteisfunktio Yhdistetty funktio Raja-arvot ja jatkuvuus

Raja-arvo ja jatkuvuus, L5

1 Peruslaskuvalmiudet

VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Toispuoleiset raja-arvot

Funktion suurin ja pienin arvo DERIVAATTA,

Sarjojen suppenemisesta

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

1 Reaaliset lukujonot

Funktiot ja raja-arvo. Pekka Salmi

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

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Reaalifunktion epäjatkuvuus

Analyysi I (mat & til) Demonstraatio IX

Analyysi 1. Pertti Koivisto

2 Funktion derivaatta

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

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

Konvergenssilauseita

6 Eksponentti- ja logaritmifunktio

KERTAUSHARJOITUKSIA. 1. Rationaalifunktio a) ( ) 2 ( ) Vastaus: a) = = 267. a) a b) a. Vastaus: a) a a a a 268.

Talousmatematiikan perusteet: Luento 5. Käänteisfunktio Yhdistetty funktio Raja-arvot ja jatkuvuus

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

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

8. Avoimen kuvauksen lause

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

Tenttiin valmentavia harjoituksia

Matriisit ja optimointi kauppatieteilijöille

6*. MURTOFUNKTION INTEGROINTI

MAT Laaja Matematiikka 1U. Hyviä tenttikysymyksiä T3 Matemaattinen induktio

Analyysi I. Visa Latvala. 26. lokakuuta 2004

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

Poistumislause Kandidaatintutkielma

Juuri 6 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

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

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

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

Analyysi A. Raja-arvo ja jatkuvuus. Pertti Koivisto

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

Reaalilukuvälit, leikkaus ja unioni (1/2)

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Funktiojonon tasainen suppeneminen

Joukot metrisissä avaruuksissa

4.3 Moniulotteinen Riemannin integraali

Taustatietoja ja perusteita

1.5 Suljetulla välillä jatkuva funktio. Perusominaisuudet.

Matematiikan tukikurssi

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

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

Matematiikan taito 9, RATKAISUT. , jolloin. . Vast. ]0,2] arvot.

3 Derivoituvan funktion ominaisuuksia

2 Funktion derivaatta

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

Analyysi A. Harjoitustehtäviä lukuun 1 / kevät 2018

Topologia IA, kesä 2017 Harjoitus 1

Matematiikkaa kauppatieteilijöille

Transkriptio:

1 MAT-1343 Laaja matematiikka 3 TTY 21 Risto Silvennoinen Luku 2. Jatkuvien funktioiden ominaisuuksia. Jatkossa väli I tarkoittaa jotakin seuraavista reaalilukuväleistä: ( ab, ) = { x a< x< b} = { x a x b} a, b) = { x a x< b} ( ab = { x a < x b}, avoin väli,, suljettu väli,, (vasemmalta suljettu) puoliavoin väli,, (oikealta suljettu) puoliavoin väli. Näissä voi olla a=, tai b=, ellei toisin sovita. Vastaavalla tavalla kuin monotoniset jonot määritellään monotoniset funktiot: Funktio f : I on välillä I kasvava, jos f ( x1) f( x2), kun x1, x2 I, x1< x2, ja vähenevä, jos f ( x1) f( x2), kun x1, x2 I, x1< x2. Jos funktion arvojen välinen epäsuuruus on aito, kyseessä on aidosti kasvava tai vähenevä funktio. Yhteinen nimitys molemmille tapauksille on aidosti monotoninen funktio. Funktio f : I on jatkuva avoimella välillä I, jos se on jatkuva välin I jokaisessa pisteessä. Suljettuun tai puoliavoimeen väliin kuuluvassa päätepisteessä vaaditaan toispuoleinen raja-arvo ja funktion arvo samoiksi:

2 Funktio f : I on jatkuva suljetulla välillä I =, jos se on jatkuva välin I jokaisessa sisäpisteessä ja välin päätepisteissä toispuoleiset raja-arvot ovat = f ( a) tai f( b). Raja-arvojen ominaisuuksista seuraa, että peruslaskutoimituksilla saadaan jatkuvista funktioista lisää jatkuvia funktioita: Lause 1. Jos f ja g ovat avoimella välillä I jatkuvia funktioita, niin myös f + g, f g, fg ja f / govat sitä. Viimeisessä tapauksessa oletetaan, että g( x) välillä I. Jos f : I on avoimen välin I pisteessä x epäjatkuva, mutta raja-arvo lim f ( x ) on olemassa, niin kyseessä on poistuva epäjatkuvuus. Silloin x x funktio voidaan määritellä pisteessä x saamaan arvon lim f ( x ), jolloin x x funktiosta tulee jatkuva (jos muita epäjatkuvuuksia ei välillä I ole). Aikaisemmin mainitut hyppyepäjatkuvuudet, joissa vasemman ja oikeanpuoleiset raja-arvot ovat erisuuret, eivät ole poistuvia. Yhdistetyistä funktioista yhdistämällä saadut funktiot ovat edelleen jatkuvia: Lause 2. Jos f : I ja g: J ovat avoimilla väleillä I ja J jatkuvia ja f ( I) J, niin yhdistetty funktio g f : I on jatkuva. Tod.: Olkoon x välin I jokin piste ja x x. Silloin f:n jatkuvuuden nojalla f ( x ) f( x) ja g:n jatkuvuuden perusteella edelleen ( g f)( x) = g( f( x)) g( f( x )) = ( g f)( x )). Funktio f : I on alhaalta rajoitettu, jos on olemassa sellainen luku m, että f ( x) m, x I. Luku m on silloin f:n (eräs) alaraja. Vastaavasti määritellään käsitteet ylhäältä rajoitettu ja yläraja epäyhtälöllä f ( x) M, x I. Funktio f : I on välillä I rajoitettu, jos se on siellä alhaalta ja ylhäältä rajoitettu.

3 Jos alaraja saavutetaan jossakin välin I pisteessä x, niin kyseessä on minimi, ja x on funktion minimikohta. Vastaavasti määritellään maksimi ja maksimikohta. Minimi ja maksimi ovat funktion ääriarvoja. Lause 3. Suljetulla välillä I jatkuva funktio f : I on rajoitettu. Tod.: Sivuutetaan Lama:ssa. Todistetaan kurssilla Matemaattinen analyysi. Huomattakoon, että edellä on oleellista, että väli on suljettu. Esimerkiksi jatkuva funktio x 1/ x ei ole välillä (,1] rajoitettu. Reaalilukujoukko S on ylhäältä rajoitettu, jos x M, x Sjollakin M. Luku M on silloin joukon S yläraja. Vastaavasti määritellään alhaalta rajoitettu joukko ja sen alaraja. Joukko on rajoitettu, jos se on alhaalta ja ylhäältä rajoitettu. Luvun alussa määritellyt välit ovat rajoitettuja, paitsi tapauksissa, joissa a=, tai b=. Ylhäältä rajoitetun reaalilukujoukon S pienin yläraja eli supremum on sellainen luku, joka on S:n yläraja, ja jota suuremmat luvut eivät ole S:n ylärajoja. Vastaavasti määritellään alhaalta rajoitetun joukon suurin alaraja eli infimum. Pienimmälle ylärajalle käytetään merkintää sup(s) ja suurimmalle alarajalle inf(s). Reaalilukujen tärkeimpiä ominaisuuksia on seuraava aksiooma: Täydellisyysaksiooma Jokaisella epätyhjällä ylhäältä rajoitetulla reaalilukujoukolla on supremum. Seurauksena todetaan, että vastaavasti jokaisella epätyhjällä alhaalta rajoitetulla reaalilukujoukolla on infimum. Monesti näitä käsitteitä on kätevä käyttää seuraavan lauseen antamassa muodossa: Lause 4. Olkoon S epätyhjä ylhäältä rajoitettu reaalilukujoukko. Silloin luku s on joukon S supremum, jos ja vain jos x s, x Sja jokaista ε > vastaa sellainen x S, että x > s ε. Vastaavasti luku t on joukon S

4 infimum, jos ja vain jos x t, x S ja jokaista ε > vastaa sellainen x S, että x < t + ε. Esim.1 sup( ab, ) = b, inf( ab, ) = b. Esim. 2 inf { 1/ nn } =. Lause 5. Suljetulla rajoitetulla välillä I jatkuva funktio f : I saa tällä välillä maksiminsa ja miniminsä. Tod.: Sivuutetaan Lama:ssa. Todistetaan kurssilla Reaalianalyysi. Jatkuva funktio saa kaikki arvot kahden arvonsa välistä: Lause 6. (Välissä olevan arvon lause) Olkoon f : I suljetulla välillä [ ab, ] jatkuva funktio, f ( a) f( b) ja μ arvojen f ( a) ja f( b ) välissä oleva luku. Silloin välillä ( ab, ) on olemassa sellainen muuttujan c arvo, että f () c = μ. Tod.: Luennolla, tai Trench s. 64, Fitzpatrick s. 62. Tätä lausetta käytetään usein jatkuvan funktion nollakohdan olemassaolon osoittamiseen: Jos f ( a ) < ja f ( b ) > ja f on välillä [ ab, ] jatkuva, niin silloin välin [ ab, ] sisällä on (ainakin yksi) piste c, jossa f ( c ) =. Jatkossa käytämme lyhennettyjä merkintöjä toispuolisille raja-arvoille: f ( p + ) = lim f( x), f ( p ) = lim f ( x ). x p+ x p

5 Lause 7. Olkoon f : I avoimella välillä I monotoninen rajoitettu inf f ( x) a x b β = sup f ( x) a< x< b. Silloin: a) Jos f on kasvava, niin f ( a+ ) = α, f ( b ) = β. b) Jos f on kasvava, niin sisäpisteessä x, a< x< b, on f ( x ) f( x) f( x+ ). Vähenevän funktion tapauksessa vakioiden α ja β rooli vaihtuu ja epäyhtälöt kohdassa b vaihtavat suuntaa. funktio. Merkitään α = { < < } ja { } Tod.: a) Osoitetaan ensin, että f ( a+ ) = α. Olkoon ε >. Infimumominaisuuden takia on olemassa x ( ab, ), jolle α < f ( x) < α+ ε. Silloin monotonisuuden nojalla α < f ( x) f( x) < α+ ε kaikilla a< x x eli f( x) α < ε, kun a< x< a+ δ, missä δ : = x a >. Siis lim f ( x) = α. x a+ Vastaavalla päättelyllä ja supremum-ominaisuuteen nojaamalla saadaan f ( b ) = β. b) Kohdan a nojalla saadaan f ( x ) sup f( x) a x x f ( x + ) = inf f ( x) x < x< b. = { < < } ja { } Siis monotonisuuden takia f ( x ) = lim f( x) f( x ) lim f( x) = f( x + ). x x x x x< x x> x Vähenevän funktion tapaus menee epäyhtälöitä vastaavasti kääntelemällä. Monotonisen jatkuvan funktion f : I, I =, arvojoukko f ( ) on väli f ( a), f( b) tai f( b), f( a) sen mukaan onko f kasvava vai vähenevä. Tämä seuraa monotonisuudesta ja välissä olevan arvon lauseesta.

6 Lause 8. Olkoon f : I välillä I = aidosti kasvava jatkuva funktio ja c: = f( a), d: = f( b). Silloin funktiolla f : I cd on käänteisfunktio g : cd, ja funktio g on määrittelyvälillään jatkuva ja aidosti kasvava. Tod.: Jos y ( c, d) x ( ab, ) y, niin lauseen 6 nojalla on olemassa (ainakin yksi) piste, jolle = f( x). Aidon monotonisuuden takia piste x on ainoa tällainen piste. Siis f : ab cd on bijektio, joten sillä on käänteisfunktio g: c, d a, b. Jos y 1< y 2 ovat välin cd pisteitä, niin on olemassa sellaiset pisteet x1, x2 a, b, että y 1 = f( x 1 ), y 2 = f( x 2 ). Jos olisi x1> x2, niin f :n aidon monotonisuuden takia olisi y1= f( x1) > f( x2) = y2, mikä on vastoin oletusta. Siis g( y1) = x1< x2 = g( y2), joten g on aidosti kasvava. y c d, löytyy jokaiselle ε > luku δ > niin, että väli Jos (, ) ( y δ, y + δ ) kuvautuu kuvauksessa g välille ( x ε, x ε ) jatkuva. + eli g on Seuraavassa luetellaan joukko jatkuvia funktioita. Esim. 3 Funktio id :, id( x) = x on jatkuva. (Identiteettikuvaus) Kertomalla tätä toistuvasti itsellään ja käyttämällä Luvun 1 lausetta 14 nähdään, että kaikki potenssifunktiot ovat jatkuvia: n Esim. 4 Potenssifunktiot f :, f( x) = x, n ovat jatkuvia. Edelleen tästä seuraa Esim. 5 Polynomifunktiot ovat jatkuvia. Polynomien osamääristä nähdään

7 Esim. 6 Rationaalifunktiot ovat jatkuvia siellä, missä nimittäjät. Käänteisfunktion jatkuvuudesta nähdään mm., että Esim. 7. Neliöjuuri g :, g( y) = y on jatkuva. + + Äärimmäinen esimerkki epäjatkuvasta funktiosta on seuraava Esim. 8. Funktio f, kun x :, f( x) = 1, kun x \ ei ole jatkuva missään. Seuraava on jatkuva yhdessä pisteessä: Esim. 9. Funktio pisteessä x=. f x, kun x :, f( x) =, kun x \ on jatkuva vain