Matematiikan tukikurssi

Samankaltaiset tiedostot
Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 10

Matematiikan tukikurssi

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

Matematiikan tukikurssi

Mapusta. Viikon aiheet

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 5

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

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

Matematiikan tukikurssi

Reaaliarvoisen yhden muuttujan funktion derivaatta LaMa 1U syksyllä 2011

Derivointiesimerkkejä 2

Matematiikan tukikurssi

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

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 2

Lien ryhmät D 380 klo Ratkaisut 6+6=12

Analyysi I (sivuaineopiskelijoille)

Matematiikan tukikurssi

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 1

Derivointikaavoja, interpolointi, jousto, rajatuotto, L4b

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

Matematiikan tukikurssi

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 3. viikolle /

Sivu 1 / 8. A31C00100 Mikrotaloustieteen perusteet: matematiikan tukimoniste. Olli Kauppi

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-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

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

Matematiikan tukikurssi

Diskreetti derivaatta

Matematiikan tukikurssi

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 4

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

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Sarjoja ja analyyttisiä funktioita

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

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

Matematiikan peruskurssi 2

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

Matematiikan tukikurssi

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

Matematiikan tukikurssi

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

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

Tenttiin valmentavia harjoituksia

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

Injektio (1/3) Funktio f on injektio, joss. f (x 1 ) = f (x 2 ) x 1 = x 2 x 1, x 2 D(f )

Ratkaisu: Ensimmäinen suunta. Olkoon f : R n R m jatkuva eli kaikilla ε > 0 on olemassa sellainen δ > 0, että. kun x a < δ. Nyt kaikilla j = 1,...

Matematiikan tukikurssi

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

Derivaatat lasketaan komponenteittain, esimerkiksi E 1 E 2

2 exp( 2u), kun u > 0 f U (u) = v = 3 + u 3v + uv = u. f V (v) dv = f U (u) du du f V (v) = f U (u) dv = f U (h(v)) h (v) = f U 1 v (1 v) 2

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

1. Osoita, että joukon X osajoukoille A ja B on voimassa toinen ns. de Morganin laki (A B) = A B.

Vastausehdotukset analyysin sivuainekurssin syksyn välikokeeseen

sin(x2 + y 2 ) x 2 + y 2

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

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

(a) avoin, yhtenäinen, rajoitettu, alue.

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 2 / vko 9

Matemaattisen analyysin tukikurssi

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

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

Toispuoleiset raja-arvot

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

Talousmatematiikan perusteet: Luento 7. Derivointisääntöjä Yhdistetyn funktion, tulon ja osamäärän derivointi Suhteellinen muutosnopeus ja jousto

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 2017 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotuksia

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

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

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

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

Matemaatiikan tukikurssi

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Algebra I - Kesä 2009 Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 -Tehtävät sivua Heikki Koivupalo ja Rami Luisto

2 Funktion derivaatta

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

Yhdistetty funktio. Älä sekoita arvo- eli kuvajoukkoa maalijoukkoon! (wikipedian ongelma!)

MAT Laaja Matematiikka 1U. Hyviä tenttikysymyksiä T3 Matemaattinen induktio

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

5. Numeerisesta derivoinnista

1.4 Funktion jatkuvuus

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

Jatkuva-aikaisten Markov-prosessien aikakehitys

Transkriptio:

Matematiikan tukikurssi Kurssikerta 7 Differentiaalikehitelmä Funktion f erivaatta pisteessä x 0 eli f (x 0 ) on erotusosamäärän rajaarvo: f (x) f (x 0 ). x x 0 x x 0 Tämä voiaan esittää hieman eri muoossa sijoittamalla h = x x 0 : tällöin x = x 0 + h, joten erivaatan määritelmä saa muoon: h 0 f (x 0 + h) f (x 0 ) h Tämä on siis sama määritelmä erivaatalle kuin aikaisemmin: teimme ainoastaan sijoituksen h = x x 0. Kuvana tämä näyttää tällä uuella notaatiolla seuraavalta: y f (x 0 + h) f (x 0 ) x 0 x 0 + h x

Jos luku h on lähes nolla, pätee approksimaatio f (x 0 + h) f (x 0 ) h f (x 0 ) eli f (x 0 + h) f (x 0 ) f (x 0 )h. Toisin sanottuna kun tutkitaan funktion f muutosta pienellä välillä [x 0, x 0 + h], niin tätä muutosta voi approksimoia luvulla f (x 0 )h eli erivaatalla, joka on kerrottu välin pituuella. Samoin yllä olevasta lausekkeesta saaaan suoraan arvio: f (x 0 + h) f (x 0 ) + f (x 0 )h. Eli jos funktio saa vaikkapa pisteessä x 0 arvon ja f (x) = 3, niin funktion arvo pisteessä x 0 + h on kutakuinkin f (x 0 ) + f (x 0 )h = + 3h. Tämä arvio pätee sitä paremmin mitä pienempi h on. Funktion f ifferentiaalikehitelmä pisteessä x 0 on f (x 0 + h) f (x 0 ) = f (x 0 )h + hɛ(h) Tämä ei enää ole arvio vaan virhetermi hɛ(h) varmistaa että yhtäsuuruus pätee. Huomaa että ɛ(h) on h:sta riippuva korjaus: tälle pätee, että kun h lähestyy nollaa, niin ɛ(h) lähestyy nollaa. Esimerkki. (Differentiaalikehitelmä) Määrittele funktion f (x) = x 2 ifferentiaalikehitelmä pisteessä x 0 =. Ratkaisu. Erotus f (x 0 + h) f (x 0 ) on pisteessä x 0 = seuraava: f ( + h) f () = ( + h) 2 = + 2h + h 2 = 2h + h 2 Tästä nähään heti, että termi 2h on yhtä kuin termi f (x 0 )h, jolloin hɛ(h) = h 2 ɛ(h) = h. 2 Derivoimissääntöjä Kuten yllä toettiin, erivaatan voi tunnetusti laskea erotusosamäärän raja-arvona f f (x) f (x (x 0 ) = 0 ). x x0 x x 0 Tämä on kuitenkin usein turhan työläs tapa laskea funktion erivaattaa. Ilmenee, että on olemassa erivoimissääntöjä, joilla tietyntyyppisten funktioien erivaatat voi laskea helposti ja turvautumatta erotusosamäärän 2

laskemiseen. Nämä säännöt ovat varmaankin jo lukiosta tuttuja. On kuitenkin hyvä muistaa, että ne ovat kaikki toistettavissa käyttämällä yllä olevaa erivaatan määritelmää. Esimerkiksi sääntö, jonka mukaan vakiofunktion erivaatta on nolla, toistetaan seuraavasti: Olkoon f (x) = c. Täten sen erotusosamäärä on f (x) f (x 0 ) x x 0 x x 0 = x x0 c c x x 0 = 0. Eli vakiofunktion erivaatta on nolla. Kyseinen erivoimissääntö oli helppo toistaa, eikä muissakaan säännöissä ole kovin suuria hankaluuksia. Ne ovat kuitenkin laskennallisesti usein melko raskaita, joten niitä ei tässä esitetä. On syytä kuitenkin muistaa, että nämä säännöt toistetaan samalla tavalla kuin vakion erivoimissääntö yllä: laskemalla erotusosamäärän raja-arvo. Potenssisääntö, tulosääntö, osamääräsääntö ja ketjusääntö Lause 2.. Derivoinnin potenssisääntö kertoo, että x xn = nx n Esimerkiksi /x(x 455 ) = 455x 454 ja /x(5x 7 ) = 35x 6. Hieman vaikeampi sääntö on tulon erivoimissääntö: Lause 2.2. Funktion f (x)g(x) erivaatta on f (x)g(x) + f (x)g (x). Esimerkki 2. (Tulosääntö) Laske funktion F(x) = (5x 2 + 8x)(e x + 0x) erivaatta. { f (x) = 5x 2 + 8x Ratkaisu. F(x) on selvästi kahen funktion tulo. Olkoon g(x) = e x + 0x. { f (x) = 0x + 8 Tällöin g (x) = e x + 0. Tulon erivoimissääntö kertoo, että F (x) = f (x)g(x) + f (x)g (x), joten F (x) = (0x + 8) (e x + 0x) + (5x 2 + 8x) (e x + 0) }{{}}{{}}{{}}{{} f (x) g(x) f (x) g (x) 3

Lause 2.3. Osamäärän erivoimissääntö: ( ) f (x) = f (x)g(x) f (x)g (x) x g(x) g(x) 2 Täten esimerkiksi ( 3x 2 ) + 5x x 8x 2 x = (6x + 5)(8x2 x) (3x 2 + 5x)(6x ) (8x 2 x) 2 Lause 2.4. Ketjusääntö: Yhistetyn funktion f g = f (g(x)) erivaatta on muotoa f (g(x))g (x). Esimerkki 2.2 (Ketjusääntö) Olkoon f (x) = 5x 2 ja g(x) = 6x 7. Laske yhistetyn funktion f g erivaatta. Ratkaisu. f (x) = 0x, joten f (g(x)) = 0(6x 7 ). Toisaalta g (x) = 42x 5. Täten x ( f g) = f (g(x))g (x) = (0(6x 7 ))(42x 5 ) Käänteisfunktion erivaatta Alla vielä yksi sääntö: käänteisfunktion erivoimissääntö: Lause 2.5. Funktion f käänteisfunktion f (x) erivaatta on f ( f (x)). Toistus. Määritelmän mukaisesti käänteisfunktiolle f pätee ( ) f f (x) = x. Kyseessä on ientiteetti, joka pätee kaikilla x:n arvoilla. Mikäli käänteisfunktion erivaatta on olemassa, se saaaan erivoimalla kyseisen yhtälön kumpikin puoli ketjusäännön avulla: ( ) f f (x) x f (x) = x f (x) = 4 f ( f (x))

Käänteisfunktion f erivaatan pisteessä x 0 voi siis laskea kun tietää. Käänteisfunktion arvon tässä pisteessä eli arvon f (x 0 ) 2. Funktion f erivaattafunktion. Näitä ieoita käytetään alla olevassa esimerkissä: Esimerkki 2.3 (Käänteisfunktion erivaatta) Laske ( f ) (), kun f (x) = x 5 + 4. Ratkaisu. Ensinnä f :n erivaatta on f (x) = 5x 4. Seuraavaksi pitää laskea f (). Tämä tarkoittaa, että f () = x f (x) = x 5 + 4 = x = ( 3) /5. Täten f ( f ()) = f (( 3) /5 ) = 5( 3) 4/5 = 5 8 /5 ja ( f ) () = f ( f ()) = 5 8 /5 Esimerkkejä Derivoimissääntöjä on erittäin tärkeää oppia käyttämään hyvin. Oppiminen tapahtuu tässä tapauksessa runsaasti tehtäviä tekemällä. Alla muutama alkuun. Esimerkki 2.4 (Tulosääntö) Olkoon f (x) = x 2 e x. Laske f (x). Ratkaisu. f (x) = 2xe x + x 2 e x (tulosääntö). Esimerkki 2.5 (Tulosääntö) Kokeile tulosäännön toimivuutta funktioon f (x) = x 2 = x x. Ratkaisu. f (x) = x + x = 2x. Esimerkki 2.6 (Tulosääntö) Olkoon f (x) = x /7 e 2x. Laske f (x). Ratkaisu. f (x) = /7x 6/7 e 2x + x /7 2e 2x. Esimerkki 2.7 (Osamääräsääntö) Olkoon f (x) = (5x 2 )/(6e x + 7x). Laske f (x). Ratkaisu. f (x) = 0x(6ex + 7x) 5x 2 (6e x + 7) (6e x + 7x) 2 (osamääräsääntö). 5

Esimerkki 2.8 (Osamääräsääntö) Olkoon f (x) = (2x 5 + 3)/(e x + 7). Laske f (x). Ratkaisu. f (x) = 60x4 (e x + 7) (2x 5 + 3)e x (e x + 7) 2. Esimerkki 2.9 (Ketjusääntö) Olkoon f (x) = 5x 6 ja g(x) = 6e 2x. Laske erivaatat funktioista f g ja g f ketjusäännön avulla. Ratkaisu. f (x) = 30x 5 ja g (x) = 2e 2x, joten ja x f (g(x)) = 30(6e2x ) 5 2e 2x x g( f (x)) = 2e0x6 30x 5 3 Korkeamman asteen erivaatat Tutkitaan nyt funktiota f, jonka kaikki erivaatat on olemassa. Kuten tunnettua, funktion toista erivaattaa pisteessä x merkitään f (x). Vastaavasti funktion n:ttä erivaattaa merkitään f (n) (x). Joskus funktion n:lle erivaatalle on mahollista löytää eksplisiittinen kaava. Tämä kaava löyetään erivoimalla funktio aluksi muutamaan kertaan, minkä jälkeen n:nen erivaatan kaavan voi usein arvata. Tämä arvaus sitten toistetaan inuktiolla, kuten alla olevassa esimerkissä: Esimerkki 3. (Korkeamman asteen erivaatan löytäminen) Toistetaan inuktiolla, että funktiolle e 0x pätee f (n) (x) = 0 n e 0x :. Väite pätee arvolla n =, koska f (x) = 0e 0x. 2. Oletetaan, että väite pätee arvolla n. Toistetaan inuktiolla, että tällöin se pätee myös arvolla n + : Inuktio-oletus on siis f n (x) = 0 n e 0x. Kun tämän erivoi kerran, saaaan f n+ (x) = 0 0 n e 0x = 0 n+ e 0x. Täten väite on tosi kaikilla n. 6