Vastausehdotukset analyysin sivuainekurssin syksyn välikokeeseen

Samankaltaiset tiedostot
Matematiikan tukikurssi

Tenttiin valmentavia harjoituksia

Matematiikan tukikurssi

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,...,

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

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

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

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

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

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 5

Sisältö. Sarjat 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 17

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

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

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

Ratkaisuehdotus 2. kurssikokeeseen

Matematiikan peruskurssi 2

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Kompleksianalyysi, viikko 5

Matemaattisen analyysin tukikurssi

MAA02. A-osa. 1. Ratkaise. a) x 2 + 6x = 0 b) (x + 4)(x 4) = 9 a) 3x 6x

nyky-ymmärryksemme mukaan hajaantuvaan sarjaan luvun 1 2 kun n > N Huom! Määritelmä on aivan sama C:ssä ja R:ssä. (Kuva vain on erilainen.

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 6 Maanantai

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

4 Yleinen potenssifunktio ja polynomifunktio

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

Ratkaisuehdotus 2. kurssikoe

8 Potenssisarjoista. 8.1 Määritelmä. Olkoot a 0, a 1, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.1. Muotoa

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

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

Sarjojen suppenemisesta

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

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

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

3 Lukujonon raja-arvo

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

1.4 Funktion jatkuvuus

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

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

Matematiikan peruskurssi 2

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

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

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

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

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

V. POTENSSISARJAT. V.1. Abelin lause ja potenssisarjan suppenemisväli. a k (x x 0 ) k M

MATP153 Approbatur 1B Ohjaus 2 Keskiviikko torstai

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

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

Matemaattinen Analyysi

Toispuoleiset raja-arvot

Kuinka määritellään 2 3?

5 Differentiaalilaskentaa

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

Tekijä MAA2 Polynomifunktiot ja -yhtälöt = Vastaus a)

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

Jonot. Lukujonolla tarkoitetaan ääretöntä jonoa reaalilukuja a n R, kun indeksi n N. Merkitään. (a n ) n N = (a n ) n=1 = (a 1, a 2, a 3,... ).

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

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

III. SARJATEORIAN ALKEITA. III.1. Sarjan suppeneminen. x k = x 1 + x 2 + x ,

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Täydellisyysaksiooman kertaus

VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Analyysi I (mat & til) Demonstraatio IX

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

Matemaattinen Analyysi

Matematiikan tukikurssi

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Reaalilukuvälit, leikkaus ja unioni (1/2)

Johdatus reaalifunktioihin P, 5op

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

3 Yleinen toisen asteen yhtälö ja epäyhtälö

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 1. viikolle /

Rationaalilauseke ja -funktio

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 1

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 3. viikolle /

2 Raja-arvo ja jatkuvuus

Outoja funktioita. 0 < x x 0 < δ ε f(x) a < ε.

Matematiikan tukikurssi

A-osa. Ratkaise kaikki tämän osan tehtävät. Tehtävät arvostellaan pistein 0-6. Taulukkokirjaa saa käyttää apuna, laskinta ei.

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

3.4 Rationaalifunktion kulku ja asymptootit

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

termit on luontevaa kirjoittaa summamuodossa. Tällöin päädymme lukusarjojen teoriaan: a k = s.

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

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

1 Reaaliset lukujonot

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 2 / vko 9

n. asteen polynomilla on enintään n nollakohtaa ja enintään n - 1 ääriarvokohtaa.

Diskreetti derivaatta

3 Lukujonon raja-arvo

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

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

Todennäköisyyslaskenta IIa, syys lokakuu 2019 / Hytönen 3. laskuharjoitus, ratkaisuehdotukset

Transkriptio:

Vastausehdotukset analyysin sivuainekurssin syksyn 015 1. välikokeeseen Heikki Korpela November 1, 015 1. Tehtävä: funktio f : R R toteuttaa ehdot ax, kun x 1 f(x) x + 1, kun x < 1 Tutki, millä vakion a R arvolla f on jatkuva bijektio. Määritä myös f:n käänteisbijektion lauseke. Vastausehdotus: tehtävän ratkaiseminen kannattaa aloittaa tutkimalla ensin jatkuvuutta. f on selvästi jatkuva, kun x < 1 tai x > 1, koska sen lauseke on silloin polynomi (täsmällisemmin: f yhtyy näillä ehdoilla kussakin x:n kokonaisessa ympäristössä tunnetusti jatkuvaan polynomifunktioon ). f on jatkuva pisteessä x 1, kun lim f(x) f(1) lim f(x) x1 x1 + lim x1 (ax) a 1 lim +(x + 1) x1 a 1 a 1 1 + 1 a a. f on lisäksi bijektio, kun yhtälöllä y f(x) on jokaisella y R tasan yksi ratkaisu x R (ks. verkkomateriaalin lause 1.13.) Tutkitaan yhtälöä x + 1, kun x < 1 y f(x) x, kun x 1 Tällä yhtälöllä on kullakin y R tasan yksi ratkaisu x R: y 1, kun y < (tällöin x ], 1[) x y, kun y (tällöin x [1, [) Siten f on bijektio ja sen käänteisfunktio on y 1, kun y < f 1 : R R, f 1 (y) y, kun y tismalleen silloin kun a. 1

. Tehtävä: laske raja-arvot lim kaikilla x R pätee arvio x x + 1 3x + f(x) x + x + 1 3x + Onko f välttämättä jatkuva jossain pisteessä? f(x) ja lim f(x), kun tiedetään, että x0 Vastausehdotus: määritellään apufunktiot g : R R, g(x) x + 1 3x + ja h : R R, h(x) x + x + 1 3x +. g ja h ovat rationaalifunktioina jatkuvia määrittelyjoukoissaan R (nimittäjillä ei ole nollakohtia, 3x + > 0 x R). Siis niiden raja-arvo on arvo. Koska ja lim g(x) 0 + 1 x0 0 + 1 lim h(x) 0 + 0 + 1 1 x0 0 + niin kuristusperiaatteen nojalla Lisäksi g(x) f(x) h(x), kun x 0 lim x0 f(x) 1 ja g(x) ( x ) (x + 1 3x 1 + 1 /x 1 + 1 / + 3 + /x x 3 + 1 + 0 / 3 + 0 1 3 h(x) ( x + x ) (x + 1 3x 1 + 1 /x + 1 /x 1 + 1 / + 1 / 1 + 0 + 0 1 + 3 + /x x 3 + / 3 + 0 3 joten samoin kuristusperiaatteen nojalla lim x f(x) 1 3 f on välttämättä jatkuva kohdassa x 0, koska tässä kohdassa funktiolla on raja-arvo 1 /, joka on myös sen arvo, sillä funktion arvolle pätee g(0) 1 / f(0) h(0) 1 / f(0) 1 / Vastaukset ovat siis: lim f(x) 1 /3 ja lim f(x) 1 /, ja f on välttämättä x x0 jatkuva pisteessä x 0 eli origossa.

3. Tehtävä: millä x:n arvoilla sarja ( x ) k x + 1 suppenee ja mikä on tällöin sen summa? Vastausehdotus: kyseessä on geometrinen sarja. Se suppenee silloin, kun ensimmäinen termi a on nolla (jolloin kaikki termit ovat nollia ja kyseessä on nollasarja, jonka summakin on nolla) tai kun sarjan suhdeluvun itseisarvo q on pienempi kuin yksi. Tässä tapauksessa ensimmäinen termi ja peräkkäisten termien välinen suhdeluku ovat samat. Tarkastellaan yhtälöä q x x + 1 < 1 x < x + 1 (1) x < x + 1 0 < 1 (Kohdassa (1) itseisarvomerkintä voitiin huoletta tiputtaa pois, koska x > 0 ja x + 1 > 0 x R.) Yhtälö on tosi x R. Siten sarja suppenee kaikilla x:n reaaliarvoilla. Sen summa on tällöin ( x a 1 q x +1 1 x x +1 ) (x +1 x x + 1 x x 1 x Sama suppenemisehto ja summan lauseke pätevät myös tapauksessa a 0 eli kun kyseessä on nollasarja: a 0 x x +1 0 x 0 R, jolloin summa on sama x 0 0, kuten pitääkin. 3

. Tehtävä: osoita sarjat suppeneviksi. k + 5 5 k + 1, ( 1) k k 7 + k + 1 Vastausehdotus: kuten usein, tehtävän voi tehdä todella monella tavalla. Lähinnä työläys (ja samalla lasku- tai muiden huolimattomuusvirheiden todennäköisyys!) vaihtelevat. Tähän on koottu muutamia yleisiä tapoja tarkastella näitä sarjoja lähinnä sen havainnollistamiseksi, että saman tehtävän voi ratkaista yksinkertaisesti tai monimutkaisesti. Aina riittää kuitenkin löytää kuhunkin tapaukseen yksi, siinä tapauksessa tepsivä suppenemisehto. k + 5 Sarja a). Käsitellään ensin sarjaa 5 k + 1 ja merkitään x k k + 5 5 k + 1. Selvästi x k > 0 k N. ( k +5 > 0 ja 5 k +1 > 0 tämäntyyppistä väitettä ei tarvitse tämän kurssin kokeissa tarkemmin perustella, jos sen riittävän selvästi näkee ns. paljaalla silmällä. Sen sijaan on tärkeää tarkistaa ja todeta, että sarjan termit ovat positiivisia, jos aikoo käyttää jotain positiivitermisiä sarjoja koskevia suppenemislauseita!) Tapa 1. Majoranttiperiaate: olkoot y k k + 5 5 k ja z k 3 k 5 k. Tällöin helposti nähdään, että k N pätee 0 < x k < y k < z k 0 < x k < z k. (Halutessaan tämän voi vielä perustella sillä, että positiiviterminen osamäärä kasvaa nimittäjää pienennettäessä tai osoittajaa kasvatettaessa, tai viime kädessä yhtälöillä: k +5 5 k +1 < k +5 1 5 k +1 < 1 5 k < 5 k + 1 0 < 1, ja k +5 < 5 k 3 k k + 5 < 3 k 5 < k 1 < k 1 + k, joka on ilmeisellä tavalla 5 k totta jo heti arvosta k 1 alkaen.) 3 k ( ) k Sarja z k 5 k 3 on geometrinen sarja, jonka suhdeluku 5 q /5, ja koska sen suhdeluvun itseisarvolle pätee q /5 < 1, se suppenee. Koska majoranttisarja suppenee, myös tehtävässä kysytty sarja x k suppenee majoranttiperiaatteen nojalla. Tapa. Osamäärätesti: osamäärätestissä tutkitaan sarjan seuraavan ja edellisen termin suhdetta. x n+1 x n k+1 +5 5 k+1 +1 k +5 5 k +1 k+1 + 5 5 k+1 + 1 5k + 1 k + 5 k ( + 5 / k ) 5 k (5 + 1 /5 k ) 5k (1 + 1 /5 k ) k (1 + 1 /5 k ) ( + 5 /5 k )(1 + 1 /5 k ) ( + 5 / )(1 + 1 / ) ( + 0)(1 + 0) (5 + 1 /5 k )(1 + 1 /5 k ) k (5 + 1 / )(1 + 1 / ) (5 + 0)(1 + 0) 5. x k+1 Koska lim k x < 1, niin sarja nojalla. Tapa 3. lim x k y k -kriteeri: x k suppenee osamäärätestin

Tässä menetelmässä valitaan vertailusarjaksi sopiva sarja, joka muistuttaa riittävästi tutkittavaa sarjaamme ja jonka tiedämme jo suppenevaksi. Lupaavalta vaikuttaa geometrinen sarja, joka suppenee selvästi (sarjan ( ) k 5 peräkkäisten termien suhde on vakio /5, jonka itseisarvo on pienempi kuin yksi) ja joka eroaa (suurilla k) tutkittavasta sarjasta vain hyvin vähän. Olkoot siis y k k > 0 k N. 5k x k y k k +5 5 k +1 k + 5 1 5k k 5 k + 5 k k k (1 + 5 / k ) ) 5k 5 k (1 + 1 /5 k x k Koska lim 1 ]0, [, niin sarjat k y k k 1 + 5 k / 1 + 5 / 1 + 1 /5 k k 1 + 1 + 0 1 / 1 + 0 1. x k ja y k suppenevat samanaikaisesti. (Joko ne molemmat hajaantuvat tai ne molemmat suppenevat.) Koska sarja y k suppenee geometrisena sarjana, myös x k suppenee. 5

( 1) k Sarja b). Tutkitaan sitten sarjaa k 7. Käsitellään kaksi etenemistapaa: itseinen suppeneminen tai Leibnizin lause. + k + 1 Tapa 1. Yleensä itseinen suppeneminen on hyvä tapa osoittaa tämän tyyppinen sarja suppenevaksi, jos se vain suinkin onnistuu. (Ongelmia voi syntyä, jos jono ei suppene itseisesti, koska siitä ei vielä seuraa, että se hajaantuu. Tällöin voi joutua kokeilemaan esimerkiksi Leibnizin lausetta.) Olkoon x k ( 1) k k 7 + k + 1 k 7 + k + 1. Nyt itseisarvosarjan x k (tarkalleen: alkuperäisen tutkittavan sarjan termien itseisarvojen muodostaman sarjan) suppenevuus voidaan jälleen osoittaa monin eri tavoin. Kyseeseen tulevat mm. suhdetesti, lim x k y k -testi ja majoranttiperiaate kuten edellä. Helpoin näistä on majoranttiperiaate. Olkoon y k k5 k 7. Nyt selvästi 0 < x k k < y k k N. ( 5 k 7 +k+1 < k5 k k 7 < 7 k 7 + k + 1 0 < k + 1.) Koska sarja y k k 7 1 k suppenee yliharmonisena sarjana, myös sarja x k suppenee majoranttiperiaatteen nojalla. Koska sarja x k ( 1) k k 7 + k + 1 suppenee, tutkittava sarja ( 1) k k 7 suppenee itseisesti eli + k + 1 se suppenee. Tapa. Leibnizin lause: vuorotteleva sarja ( 1) k x k suppenee, jos sen termien itseisarvot x k muodostavat nollaa kohti suppenevan, aidosti laskevan lukujonon. Olkoon x k k 7. Tällä lausekkeella määriteltyjen alkioiden muodostama jono on hyvin määritelty, positiiviterminen jono, koska k 7 + k + 1 > 0 + k + 1 ja > 0 k N. Jono on myös aidosti laskeva, koska, kun k N, 3 > 1 k + 3 > k + 1 k 7 + k + 3 > k 7 + k + 1 1 k 7 + k + 1 > 1 k 7 + k + 3 k 7 + k + 1 > k 7 + k + 3 k 7 + k + 1 > k 7 + k + 3 > (k + 1) 5 (k + 1) 7 + k + 3 k 7 + k + 1 > (k + 1) 5 (k + 1) 7 + (k + 1) + 1 x k > x k+1 () 6

Kohdassa () voi vedota arviossa siihen, että positiiviterminen osamäärä pienenee, kun nimittäjä kasvaa selvästi enemmän kuin osoittaja. (Tarkalleen binomikaavaa tai laskinta hyödyntämällä: (k + 1) 7 k 7 > (k + 1) 5 7k 6 + 1 + 35k + 35k 3 + 1k + 7k + 1 > 5k + 10k 3 + 10k + 5k + 1 7k 6 + 1 + 30k + 5k 3 + 11k + k > 0, joka on tosi k N. Kuten tästä huomaamme, jonon laskevuuden osoittamisessa tähän tyyliin on mekaanisesti kohtuullisesti puuhasteltavaa, vaikka se onkin intuitiivisesti melko selvää.) Lisäksi k 7 + k + 1 1 k + /k + 1 / 1 k + / + 0. 1 / Siten sarjan termit x k muodostavat aidosti laskevan, kohti nollaa suppenevan lukujonon, joten sarja ( 1) k x k suppenee. 7