1 Eksponenttifunktion määritelmä

Samankaltaiset tiedostot
Äärettämän sarjan (tai vain sarjan) sanotaan suppenevan eli konvergoivan, jos raja-arvo lims

Matematiikan tukikurssi

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 1, ratkaisut Maanantai

Matematiikan tukikurssi

Tehtäviä neliöiden ei-negatiivisuudesta

RATKAISUT x 2 3 = x 2 + 2x + 1, eli 2x 2 2x 4 = 0, joka on yhtäpitävä yhtälön x 2 x 2 = 0. Toisen asteen yhtälön ratkaisukaavalla saadaan

Matematiikan tukikurssi

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Analyysi A. Harjoitustehtäviä lukuun 1 / kevät 2018

Eksponenttifunktio. Sanni Muotka. Matematiikan pro gradu

MATA172 Sami Yrjänheikki Harjoitus Totta vai Tarua? Lyhyt perustelu tai vastaesimerkki!

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Matematiikan tukikurssi. Kertausta 1. välikokeeseen. Tehtävät

Noora Nieminen. Hölderin epäyhtälö

xe y = ye x e y + xe y y = y e x + e x y xe y y y e x = ye x e y y (xe y e x ) = ye x e y y = yex e y xe y e x = x 3 + x 2 16x + 64 = D(x)

2 avulla. Derivaatta on nolla, kun. g( 3) = ( 3) 2 ( 3) 5 ( 3) + 6 ( 3) = 72 > 0. x =

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

Tilastollinen päättely II, kevät 2017 Harjoitus 3B

1. osa, ks. Solmu 2/ Kahden positiivisen luvun harmoninen, geometrinen, aritmeettinen ja + 1 u v 2 1

Solmu 3/ toteutuu kaikilla u,v I ja λ ]0,1[. Se on aidosti konveksi, jos. f ( λu+(1 λ)v ) < λf(u)+(1 λ)f(v) (2)

Tehtävä 1. Voidaanko seuraavat luvut esittää kahden neliön summina? Jos voidaan, niin kuinka monella eri tavalla? (i) n = 145 (ii) n = 770.

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 5 (6 sivua)

Matematiikan tukikurssi

HY, MTL / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIb, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

Kompleksilukujen alkeet

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 5

Tenttiin valmentavia harjoituksia

1 Supremum ja infimum

2.2 Monotoniset jonot

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

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

( ) k 1 = a b. b 1) Binomikertoimen määritelmän mukaan yhtälön vasen puoli kertoo kuinka monta erilaista b-osajoukkoa on a-joukolla.

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Matematiikan peruskurssi 2

Tekijä Pitkä Matematiikka 11 ratkaisut luku 3

3.1 Väliarvolause. Funktion kasvaminen ja väheneminen

Epäyhtälöoppia matematiikkaolympialaisten tehtäviin

Insinöörimatematiikka IA

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

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

Tilastollinen päättömyys, kevät 2017 Harjoitus 6A

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

2 Funktion derivaatta

3 = Lisäksi z(4, 9) = = 21, joten kysytty lineaarinen approksimaatio on. L(x,y) =

k-kantaisen eksponenttifunktion ominaisuuksia

3 10 ei ole rationaaliluku.

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

Positiivitermisten sarjojen suppeneminen

Matematiikan peruskurssi 2

Johdatus matematiikkaan

EX1 EX 2 EX =

Karteesinen tulo. Olkoot A = {1, 2, 3, 5} ja B = {a, b, c}. Näiden karteesista tuloa A B voidaan havainnollistaa kuvalla 1 / 21

y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

Matematiikan tukikurssi

Reaalifunktioista 1 / 17. Reaalifunktioista

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2017 Harjoitus 8, ratkaisuista

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

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

Ryhmän osajoukon generoima aliryhmä ja vapaat ryhmät

Laudatur 13. Differentiaali- ja integraalilaskennan jatkokurssi MAA 13. Tarmo Hautajärvi Jukka Ottelin Leena Wallin-Jaakkola. Opettajan aineisto

Vastausehdotukset analyysin sivuainekurssin syksyn välikokeeseen

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

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

Kompleksianalyysi, viikko 5

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

A = (a 2x) 2. f (x) = 12x 2 8ax + a 2 = 0 x = 8a ± 64a 2 48a x = a 6 tai x = a 2.

1.1. YHDISTETTY FUNKTIO

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

= 3 = 1. Induktioaskel. Induktio-oletus: Tehtävän summakaava pätee jollakin luonnollisella luvulla n 1. Induktioväite: n+1

Matematiikan tukikurssi

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

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

Anna jokaisen kohdan vastaus kolmen merkitsevän numeron tarkkuudella muodossa

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,...,

Tehtävien ratkaisut

Matematiikan tukikurssi

1 Kompleksiluvut 1. y z = (x, y) Kuva 1: Euklidinen taso R 2

Sarjoja ja analyyttisiä funktioita

f(x 1, x 2 ) = x x 1 k 1 k 2 k 1, k 2 x 2 1, 0 1 f(1, 1)h 1 = h = h 2 1, 1 12 f(1, 1)h 1 h 2

lim + 3 = lim = lim (1p.) (3p.) b) Lausekkeen täytyy supistua (x-2):lla, joten osoittajan nollakohta on 2.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

5.3 Matriisin kääntäminen adjungaatilla

Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 11 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma

Lukujonon raja-arvo 1/7 Sisältö ESITIEDOT: lukujonot

Lisätehtäviä. Rationaalifunktio. x 2. a b ab. 6u x x x. kx x

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

Transkriptio:

Ekspoettifuktio määritelmä Selvitimme aikaisemmi tällä kurssilla, millaie potessisarja säilyy derivoiissa muuttumattomaa. Se perusteella määritellää: Määritelmä. Ekspoettifuktio exp : R R määritellää lausekkeella exp x). Sarja suppeee kaikilla x R, koska se peräkkäiste termie suhteelle o voimassa + /k + )! k / x k k + 0 <. Määritelmä ojalla voidaa heti todeta seuraavat omiaisuudet: exp 0). Fuktio exp o jatkuva ja derivoituva joukossa R ja exp exp. Syy: Potessisarjaa saa suppeemisvälillä derivoida termeittäi; derivoituva futio o jatkuva. Jos x > 0, ii exp x) > xk kaikilla k N. x exp x)/x kaikilla N, ts. x x /exp x) 0 kaikilla N. Ryhdymme seuraavaksi tutkimaa ekspoettifuktio omiaisuuksia. Parissa kohdassa käytämme äärelliste summalausekkeide arvioiissa s. karkeaa arviota: summa itseisarvo o korkeitaa se termie lukumäärä kertaa termie maksimiarvo. Tyypillie esimerkki voisi olla seuraava, jossa imittäjät jätetää kokoaa pois: k k x k { x, jos x, x, jos x. Lause.2 Kaikilla x, y R o voimassa exp x + y) exp x) exp y). Todistus: Biomikaava avulla saadaa 2 x + y) k 2 k ) k x u y k u u u0 2 k u0 x u u! y k u k u)!. Summassa esiityvät ideksit u ja v k u käyvät läpi kaikki e arvot, joissa u 0, v 0 ja u+v k 2. Tällaiset ideksiparit u, v) muodostavat tasossa kolmio, joka kärjet ovat origossa ja pisteissä 0, 2) sekä 2, 0). Tämä kolmio sisältää kaikki hilapisteet u, v) eliössä 0 u, v, ja eliö ulkopuolelle jää korkeitaa summassa esiityvää ideksiparia.

v 2 2 u 0 2 2 Jaetaa summa tämä perusteella kahtee osaa, jolloi saadaa tulokseksi u0 v0 x u y v u! v! + x u y v u! v! x u u! u> tai v>, u0 0 u+v 2 v0 y v v! + R x, y), missä termi R x, y) koostuu eliö ulkopuolisia summausideksejä vastaavista termeistä. Osoitetaa, että R x, y) 0 kaikilla x, y. Summa R x, y) kussaki termissä o joko u > tai v >, jolloi /u! v!) < /! ja karkealla arviolla saamme ylärajoiksi eri tapauksissa! x 2 y 2, jos x >, y >, R x, y)! x 2, jos x >, y,! y 2, jos x, y >,, jos x, y.! Kaikissa tapauksissa raja-arvoksi tulee olla, ja väite seuraa rajalla yhtälöstä 2 x + y) k x u y v v! + R x, y). u0 Edellise lausee perusteella voidaa todeta uusia ekspoettifuktio omiaisuuksia: v0 Kaikilla x R o voimassa exp x) exp x). exp x) > 0 kaikilla x R. x exp x) 0. Fuktio exp : R R + o aidosti kasvava bijektio. Positiivisuus ja aito kasvavuus ovat sarjakehitelmä perusteella voimassa arvoilla x 0 ja tapauksessa x < 0 e palautuvat positiivisii muuttuja arvoihi yhtälö exp x) exp x) 2

perusteella. Tämä yhtälö avulla perustellaa myös raja-arvoa koskeva omiaisuus, ja viimeie väite seuraa yhdistelemällä äitä. Seuraavaksi johdamme ekspoettifuktiolle esitykse raja-arvoa. Lause.3 Kaikilla x R o voimassa exp x) + x ). Todistus: Etukätee ei ole selvää, että oikea puole raja-arvo o olemassa, mutta tämä sisältyy todistuksee. Oletetaa aluksi, että x 0, ja lasketaa. potessi auki käyttämällä biomikaavaa: + x ) Tämä perusteella ) x ) k k! k k)! k xk ) 2)... k + ) + + k k k ) 2 + x ) )... k exp x) ) x k. ) kaikilla. Tulos osoittaa, että vasemma puole luvuista muodostettu joo o ylhäältä rajoitettu. Koska kaikki summa termit ovat positiivisia ja koska j/ + ) > j/ arvoilla j k, ii yhtälö ) perusteella tämä joo myös ouseva. Kyseie joo o siis suppeeva, ja saamme epäyhtälö + x ) exp x). Arvio vastakkaisee suutaa saadaa myös yhtälöstä ) seuraavalla tavalla. Valitaa aluksi kiiteä luku m ja katkaistaa oikea puoleie summa kohdasta k m, jolloi saadaa + x ) + m k Aetaa, jolloi saadaa epäyhtälö ) 2 )... k ) x k. + x ) m. Tämä o voimassa kaikilla m, jote atamalla lopuksi m saadaa vaadittu vastakkaie epäyhtälö. 3

Väite o siis todistettu tapauksessa x 0. Tapauksessa x < 0 toimitaa seuraavalla tavalla. Sijoittamalla x x 2 / yhtälöö ) saadaa ) x2 ku > x 2. Tästä seuraa, että k x 2k k ) x 2 k x2 / x 2 /, k ) x2 kaikilla x R. Koska + x ) x ) ) x2, ii arvoilla x < 0 saadaa + x ) x ) exp x) todistukse alkuosa ja aikaisempie tuloste ojalla. Väite o yt kokoaa todistettu. Määritelmä.4 Neperi luku o e exp ) +. ) exp x) Ekspoettifuktio likiarvoja voidaa laskea sarjakehitelmä avulla, mutta sitä varte o tuettava arvio sarja suppeemise opeudelle. Jos t, ii + t)! + ) + )... + )! + ) t!, jote tapauksessa x > 0 saadaa geometrise sarja avulla arvio 0 < exp x) k+ x! x + + x)!. t x t + ) x x/ + ) t! x + Tapauksessa x virhetermi o korkeitaa /!), joka arvolla 9 o alle /0 6. Vastaava likiarvo o e 2,7828. Negatiivisilla muuttuja x arvoilla likiarvoja o parasta laskea kaava exp x) /exp x) avulla. Lause.5 Kaikilla ratioaaliluvuilla r Q ja kaikilla x R o voimassa exp x)) r exp rx). 4

Todistus: Käytämme hyväksi ekspoettifuktio esitystä raja-arvoa. Olkoo aluksi r p/q > 0. Tällöi + x ) ) p/q + px/q ) p/q. p/q Tässä vasemma puole raja-arvo o exp x)) p/q fuktio t t p/q jatkuvuude perusteella. Oikealla puolella aetaa muodossa mq, jolloi myös m. Koska osajoo raja-arvo o sama kui alkuperäise joo, ii oikealta puolelta saadaa raja-arvoksi m + px/q pm ) pm exp px/q). Väite o siis todistettu positiivisille ekspoeteille r Q. Tapaus r 0 o selvä, ja tapaus r < 0 palautuu jällee positiivisee ekspoettii yhtälö perusteella. exp x)) r exp x) r exp rx) exp rx) 2 Logaritmi Koska exp : R 0, ) o aidosti kasvava bijektio, iis sillä o kääteisfuktio. Kääteisfuktiolle käytettää imitystä luoollie logaritmi, ja sitä merkitää l: 0, ) R, lx) exp x). Ekspoettifuktio omiaisuuksista seuraa lyhyillä laskuilla seuraavat logaritmifuktio omiaisuudet: l lexp 0)) 0 ja l e lexp )). D lx) /x, ku x > 0. Yleisemmi D l x /x, ku x 0. lxy) l x + l y, ku x > 0 ja y > 0. l/x) l x, ku x > 0. la r ) r l a kaikilla a > 0 ja r Q. x l x, x 0+ l x. x x l x 0 eli x x / l x, jos N. x 0+ x l x 0, jos N. 5

Tässä vaiheessa o syytä huomauttaa siitä, että ekspoettilauseke a b o aikaisemmi määritelty aioastaa positiivisille reaaliluvuille a ja ratioaalisille ekspoeteille b. Esimerkiksi tapauksessa b π 3,4 voimme tietysti valita ratioaalisia approksimaatioita b luvulle π ja todeta laskime avulla, että luvut a b äyttävät lähestyvä yksikäsitteistä reaalilukua, ku b π. Tämä perustuu kuiteki vai kokeilu atamaa tuloksee, eikä se kelpaa ekspoettilausekkee a b määritelmäksi. Se vuoksi määrittelemme lausekkee a b yleisessä tapauksessa ekspoettifuktio avulla. Määritelmä 2. Olkoot a > 0 ja b R reaalilukuja. Tällöi määritellää a b exp b l a). Jos r Q, ii a r o määritelty jo alkeellisillaki meetelmillä, mutta molemmat tavat atavat sama tulokse yhtälö exp r l a) exp la r )) a r ojalla. Logaritmifuktio kohdalla määritelmä johtaa kaavaa la b ) b l a, joka o yt voimassa kaikilla a > 0 ja b R. Lause 2.2 Kaikilla x R o voimassa exp x) e x. Todistus: Määritelmä mukaa e x exp x l e) exp x). Määritelmä ja ekspoettifuktio omiaisuuksie avulla saadaa lopulta yleiset potessilausekkeide laskusääöt ku a > 0 ja b, c R. a b ) c a bc, a b a c a b+c, a b a b 6