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

Samankaltaiset tiedostot
H5 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

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

(b) = x cos x 1 ( cos x)dx. = x cos x + cos xdx. = sin x x cos x + C, C R.

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

Matematiikan tukikurssi

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

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

Matematiikan tukikurssi

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

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

Funktiojonot ja funktiotermiset sarjat Funktiojono ja funktioterminen sarja Pisteittäinen ja tasainen suppeneminen

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

5 Differentiaalilaskentaa

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

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

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

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

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

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

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

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

Fourier-analyysi, I/19-20, Mallivastaukset, Laskuharjoitus 7

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

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 5 Maanantai

Matematiikan tukikurssi

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

Matematiikan tukikurssi

Mapu 1. Laskuharjoitus 3, Tehtävä 1

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI II kevät 2018 Ratkaisut 1. välikokeen preppaustehtäviin. 1. a) Muodostetaan osasummien jono. S n =

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 5

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

Ratkaise tehtävä 1 ilman teknisiä apuvälineitä! 1. a) Yhdistä oikea funktio oikeaan kuvaajaan. (2p)

Matematiikan peruskurssi 2

Pyramidi 10 Integraalilaskenta harjoituskokeiden ratkaisut sivu 298 Päivitetty

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

b) Määritä/Laske (ei tarvitse tehdä määritelmän kautta). (2p)

Juuri 12 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

derivaatta pisteessä (YOS11) a) Näytä, että a n+1 > a n, kun n = 1, 2, 3,.

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

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Matemaattisen analyysin tukikurssi

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

Matematiikan tukikurssi

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

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

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

Sarja. Lukujonosta (a k ) k N voi muodostaa sen osasummien jonon (s n ): s 1 = a 1, s 2 = a 1 + a 2, s 3 = a 1 + a 2 + a 3,...,

= 2 L L. f (x)dx. coshx dx = 1 L. sinhx nπ. sin. sin L + 2 L. a n. L 2 + n 2 cos. tehdään approksimoinnissa virhe, jota voidaan arvioida integraalin

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

π( f (x)) 2 dx π(x 2 + 1) 2 dx π(x 4 + 2x 2 + 1)dx ) = 1016π 15

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

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

Valintakoe

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

Tenttiin valmentavia harjoituksia

Kompleksianalyysi, viikko 6

Talousmatematiikan perusteet: Luento 18. Määrätty integraali Epäoleellinen integraali

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

Preliminäärikoe Tehtävät A-osio Pitkä matematiikka kevät 2016 Sivu 1 / 4

Diskreetti derivaatta

= 9 = 3 2 = 2( ) = = 2

Tilavuus puolestaan voidaan esittää funktiona V : (0, ) (0, ) R,

Preliminäärikoe Tehtävät A-osio Pitkä matematiikka kevät 2016 Sivu 1 / 4

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

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

Sarjoja ja analyyttisiä funktioita

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitukseen 3 /

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

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 3. viikolle /

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,

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

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Ratkaisut: loppuviikko 2

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Differentiaalilaskennan tehtäviä

Osi+aisintegroin3. Palautetaan mieleen tulon derivoimissääntö:

Sinin jatkuvuus. Lemma. Seuraus. Seuraus. Kaikilla x, y R, sin x sin y x y. Sini on jatkuva funktio.

Mat / Mat Matematiikan peruskurssi C3-I / KP3-I Harjoitus 5 / vko 42, loppuviikko, syksy 2008

Yleisiä integroimissääntöjä

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 TFM Laskuharjoitus 2L

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

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

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Lukujoukot. Luonnollisten lukujen joukko N = {1, 2, 3,... }.

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

y + 4y = 0 (1) λ = 0

3.4 Rationaalifunktion kulku ja asymptootit

Matematiikan tukikurssi

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

Transkriptio:

Tehtävä : Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: a) a) x b) e x + Integraali voisi ratketa muuttujanvaihdolla. Integroitava on muotoa (a x ) n joten sopiva muuttujanvaihto voisi olla esimerkiksi x = sin u. Kokeillaan: x = sin u du = cos u = cos udu Nyt koska: cos u = sin u =( sin u)du =( x )du Nyt tehdään sijoitus ja ratkaistaan integraali: x = du( x ) = du( x ) = du cos u = du cos u = du( cos u + ) = u sin u + + C 4 Nyt lasketaan määrätty integraali. Tärkeää on muistaa muuttaa myös integroimisrajat: / π u sin u + 4 = π 4 + sin π 4 = π 4

b) Myös tämä integraali voidaan ratkaista muuttujanvaihdolla: u =e x du =ex du =e x Sijoitetaan ja lasketaan integraali: e x + = du e x + e x = du u(u + ) ( = du u ) u + = ln u ln (u + ) + C Lasketaan määrätty integraali: / e ( ) ln u ln (u + ) = + ln ln (e + )

Mapu I Laskuharjoitus 6, tehtävä 3 3. Laske seuraavat epäoleelliset integraalit a) + x b) e x sin(x) Ratkaisu a. π b. a) + x Epäoleellinen integraali ratkaistaan kaavalla k f(x) = lim f(x) k Integrointi voidaan jakaa kahteen osaan, jolloin + x = + x + Huomataan että integraali + x = arctan(x) + C nyt saadaan siis + x Ja tästä + x = lim k + lim karctan(x) k k arctan(x) lim arctan() arctan(x) + lim arctan(k) arctan() k k = arctan() arctan( ) + arctan( ) arctan() = ( π/) + π/ = π/ + π/ = π b. e x sin(x)

Mapu I Laskuharjoitus 6, tehtävä 3 Lasketaan integraali e x sin(x) osittaisintegroimalla f(x) = e x f (x) = e x g (x) = sin(x) g(x) = cos(x) e x sin(x) = e x cos(x) e x cos(x) osittaisintegroidaan uusiksi f(x) = e x f (x) = e x g (x) = cos(x) g(x) = sin(x) e x sin(x) = e x cos(x) (e x sin(x) + e x sin(x) josta saadaan e x sin(x) = e x cos(x) e x sin(x) Lasketaan nyt integroimisrajojen kanssa sillä e = e x sin(x) = lim k k + c e x cos(x) e x sin(x) e k cos(k) e k sin(k) lim e cos() e sin() k e k cos(k) e k sin(k) lim + k = + =

Tehtävä 4 a) Pyörähdyskappaleen tilavuuden differentiaali on dv = πr = πf(x) () jolloin pyörähdyskappaleen tilavuudeksi saadaan välillä x [a, b] b V = a πf(x) () Lasketaan nyt pyörähdyskappaleen tilavuus, kun välillä x [, ] funktio f(x) = x pyörähtää x-akselin ympäri. Kaavan mukaan saadaan V = π( x) = πx = π/ V = π x = π( ) = π b) Käyrän pyyhkäisemän pinta-alan differentiaali on puolestaan da = πrds = πf(x) + (f (x)) (3) Jolloin pyyhkäisty pinta-ala välillä x [a, b] on b A = πf(x) + (f (x)) (4) a Funktion f(x) = x derivaatta on f (x) = x. Nyt yhtälön 4 avulla voidaan laskea vaipan pinta-ala π/ A = π x 3 (x + 3 4 ) + ( x ) = π = 4π 3 [( + 4 ) 3 x( + 4 x ) = π x + 4 ( + 3 4 ) ] = 4π 3 3 [(9 4 ) ( 3 4 ) ] = 4π 3 (33 3 ) = 3π 3 A = 3π 3

5. Gammafunktio määritellään Γ(n) = x n e x (a) Osoita osittaisintegroimalla, että gammafunktiolle pätee rekursio Γ(n + ) = nγ(n). (b) Laske Γ(). (c) Osoita rekursiokaavaa käyttäen, että on positiiviselle kokonaisluvulle n pätee Γ(n + ) = n! Ratkaisu: a) Kyllähän se näin on. b) Γ() =. c) Jälleen pätee. Tehtävässä päästään siis tutustumaan gammafunktioon, joka on lukion todennäköisyyslaskennasta tutun kertomafunktion laajennus positiivisilta kokonaisluvuilta reaali- ja kompleksiluvuille. Gammafunktio pomppaa esiin gammajakauman myötä mitä erinäköisimmissä tilanteissa aina elektronisten komponenttien kestoista säieteoriaan ja vakuutuslaskuihin, joten siihen on hyvä tutustua jo tässä vaiheessa. Muistetaan vielä kertomafunktion määritelmä: n! = n k = n (n ) (n ).... k= Siis, kertomafunktio on luvun n ja kaikkien sitä pienempien positiivisten kokonaislukujen tulo. Osittaisintegrointi määrätyn integraalin tapauksessa sujuu seuraavasti: b a f g = / b a fg b a fg.

(a) Olkoon nyt f = e x ja g = x n + = x n. Näitä vastaavat termit ovat f = e x ja g = nx n. Muistetaan lisäksi, että n on positiivinen kokonaisluku (= vakio). Nyt, tehtävä saadaan ratkaistua helposti osittaisintegroimalla: Γ(n + ) = x n e x = / = e x x n / = lim k = lim k e x nx n x n e x + n x n e x / k = ( ) + n = n = nγ(n) x n e x + n ( ) k n e k n e x n e x x n e x + n x n e x x n e x Neljännellä rivillä esiintyvä termi k n lim k e k tiedetään nollaksi, koska eksponenttifunktio kasvaa polynomifunktioita nopeammin. Osoittaja toki lähenee ääretöntä, mutta nimittäjä lähenee ääretöntä huomattavasti nopeammin.

(b) Arvo saadaan laskettua gammafunktion määritelmästä: (c) Γ() = = = = / x e x e x e x ( e ) e = ( ) =. Voimme nyt hyödyntää aiemmissa kohdissa huomattua gammafunktion rekursiivisuutta todistaaksemme, että gammafunktio todella vastaa kertomafunktiota, mutta argumentti siirtyy yhdellä. Γ(n + ) = nγ(n) = n (n )Γ(n ) = n (n ) (n )Γ(n ) = n (n ) (n )... Γ() = n (n ) (n )... = n! 3

H6 Malliratkaisut - Tehtävä 6 Eelis Mielonen 7. lokakuuta 7 a) Tässä tehtävässä riittää tehdä muutama yksinkertaista havaintoa. Kirjoitetaan summa ensin kompaktimpaan muotoon: + /3 + /9 +... = Huomaamme että jokainen termi u n on pienempi kuin sitä edellinen termi u n (niiden suhde toisiinsa on /3 < ), ja sarjan termeille pätee: n= lim u n = lim n n 3 n = Koska termit pienenevät monotonisesti ja u n häviää äärettömässä, sarja suppenee. Eli, kun n summaan lisätään vain nollaa, joten summa on äärellinen. Tähän tulokseen voi myös päätyä käyttäen tarkempia menetelmiä (esim. koska tämän geometrisen sarjan summa on 3, se tietenkin suppenee). 3 n b) Edessämme on tällä kertaa: n= Kuten kohdassa a), meidän pitää todistaa että sarjan termit pienenevät monotonisesti ja että termit äärettömässä lähestyvät nollaa. Selvästi n! lim u n = lim n n n! = ja kun laskemme termin u n+ suhteen u n ään saamme: u n+ u n = n! (n + )! = (n + ) < Joka pätee kaikille n >. Sarja siis suppenee, koska kaikilla näillä indekseillä n termit ovat pienempiä kuin edelliset ja äärettömässä u n lähestyy nollaa.

c) Silmäisyllä näkee, että sarja: t= t t + Ei suppene. Syynä on se, että sen termit kasvavat rajatta. Kun lasketaan esimerkiksi raja arvo lim u t n = lim n n t + = saadaan tulos että kun t kasvaa sarjan termit kasvavat äärettömän suuriksi. Tämä riittää sarjan hajaantumisen todistamiseksi, mutta voidaan vielä näyttää että sarjan termit kasvavat monotonisesti. Jos oletetaan että f(t) = u t niin f (t) = (t + ) Tämä derivaatta on aina isompi kuin nolla positiivisille t n arvoille joten termit aina kasvavat.

Mapu. Laskuharjoitus 6, Tehtävä S a) Piirretään funktion f(x) = ( x) kuvaaja: b) Integroidaan funktio välittämättä äärettömästä arvosta pisteessä x = ( x) = / ( x) = ( ) ( ) = Lasketun integraalin tulisi kuvastaa käyrän ja x-akselin väliin jäävää pinta-alaa. Kuvaajasta nähdään ensinnäkin, että käyrän ja x-akselin väliin jäävä pinta-ala on ehdottomasti suurempi kuin ja toiseksi, käyrä saa ainoastaan positiivisia y:n arvoja, jolloin integroinnista saatavan pintaalankin tulisi olla positiivinen. Integraalille saamamme vastaus (-) ei siten vaikuta kovinkaan mielekkäältä. c) Katsotaan sitten antaisiko tehtävässä esitelty Cauchyn pääarvointegraali menetelmä järkevämmän tuloksen. Tässä menetelmässä integraali lasketaan kahdessa osassa hankaluuksia tuottavaa määrittelemätöntä pistettä x = hiuksenhienosti vältellen: ε f(x) = lim ( f(x) ε + = lim ( / ε ( x) + +ε / ( x) ) ε + + f(x) ) +ε = lim ε + (( ( ε)) ( ) + ( ) ( ( + ε)) ) = lim ε + (ε + ε ) = lim ε + ( ε ) = Tämä tulos vaikuttaa jo puolestaan järkevältä ainakin äärettömyyksien kontekstissa.