wykład 10.pdf

(237 KB) Pobierz
2761523 UNPDF
10Funkcjawypukła,funkcjawkl¦sła.
Dzi¦kipoj¦ciupochodnejmo»nascharakteryzowa¢wypukło±¢lubwkl¦sło±¢funkcji.
Poj¦ciatewykorzystujesi¦przyopisieprzebiegufunkcji.Definicj¦wypukło±ci(±cisłej)
iwkl¦sło±ci(±cisłej)mo»nawyrazi¢wterminachgeometrycznych;
Definicja10.1
Funkcjajest±ci±lewypukłaje±liodcinekł¡cz¡cydwadowolneró»nepunkty
wykresufunkcjile»ywcało±ci(pozako«cami)ponadwykresemfunkcji.Funkcja
jestwypukłaje±liodcinekł¡cz¡cydwadowolneró»nepunktywykresufunkcji
le»yponadwykresemlubmapunktyznimwspólne.
Funkcjajest±ci±lewkl¦słaje±liodcinekł¡cz¡cydwadowolneró»nepunktywy-
kresufunkcjile»ywcało±ci(pozako«cami)podwykresemfunkcji.Funkcjajest
wkl¦słaje±liodcinekł¡cz¡cydwadowolneró»nepunktywykresufunkcjile»ypod
wykresemlubmapunktyznimwspólne.
Zwró¢myuwag¦,»eka»dafunkcjaliniowajestzarazemwkl¦słaiwypukłaniejestjednak
ani±ci±lewypukłaani±ci±lewkl¦sła.
Definicja10.2Punkt p dziedzinyfunkcjinazywamypunktemprzegi¦ciaje±linapew-
nymodcinku,któregoprawymko«cemjest p funkcjajest±ci±lewypukła(wkl¦sła)ina
pewnymodcinku,któregolewymko«cemjest p funkcjajest±ci±lewkl¦sła(odp.wypu-
kła).
Rys.10.4Funkcjawkl¦słana[ a,p ]iwypukłana[ p,b ], p -punktprzegi¦cia.
Poni»szetwierdzenie,któregodowódpomijamy,dajepraktycznenarz¦dziedoba-
daniawypukło±cifunkcjiprzypomocydrugiejpochodnej
1
2761523.002.png
Twierdzenie10.3Załó»my,»efunkcja f jestdwukrotnieró»niczkowalnanaodcinku
( x,y ).
Je±li f 00 ( z ) ­ 0dla z 2 ( x,y )tofunkcja f jestwypukłana( x,y )
Je±li f 00 ( x ) ¬ 0dla x 2 ( a,b )tofunkcja f jestwkl¦słana(a,b).
Je±li p 2 ( x,y )jestpunktemprzegi¦ciato f 00 ( p )=0i f 00 ( x )zmieniaznakw
punkcie p .
Uwaga10.4Mo»naudowodni¢,»ewka»dymztrzechpowy»szychprzypadkówpraw-
dziwejesttak»etwierdzenieodwrotneczyliprawd¡jest,»e
Je±lifunkcja f jestdwukrotnieró»niczkowalnaiwypukłato f 00 ( z ) ­ 0dla z 2 ( x,y ) .
awi¦cpierwszezdaniemo»nazapisa¢wpostacirównowa»no±cianieimplikacji
Funkcja f ,dwukrotnieró»niczkowalnajestwypukłana( x,y )w.t.w.gdy f 00 ( z ) ­ 0
dla z 2 ( x,y ) .
Podobniewdwóchpozostałychprzypadkach
Przykład10.5.Rozpatrzmyfunkcj¦ f ( x )= x 2 dla x 2 IR.Jesttofunkcjawypukłai
f 00 ( x )=2dla x 2 IRpodobniefunkcja g = x 2 jestwkl¦słai g 00 ( x )= 2dla x 2 IR.
Przykład10.6.Rozpatrzmyfunkcj¦ f ( x )= x 3 dla x 2 IR.Punkt x =0jestpunktem
przegi¦ciagdy» f 00 ( x )=6 x. Dla x< 0funkcjajestwkl¦słaadla x> 0wypukła.
Poni»szetwierdzeniedajepraktyczn¡metod¦pozwalaj¡c¡okre±li¢czywdanym
punkciefunkcjamaminimumczymaksimumlokalne.
Stwierdzenie10.5Przyjmijmy,»efunkcja f :( a,b ) ! IRjestró»niczkowalnaw
otoczeniupunktu x 0 2 ( a,b )iistnieje f 00 ( x 0 ).
Je±li f 0 ( x 0 )=0i f 00 ( x 0 ) > 0to f maminimumlokalnew x 0 ,
Je±li f 0 ( x 0 )=0i f 00 ( x 0 ) < 0to f mamaksimumlokalnew x 0
DowódRozwa»ymytylkopierwszyprzypadekgdy»drugijestbardzopodobny.Druga
pochodnafunkcji f wpunkcie x 0 jestgranic¡ilorazuró»nicowegopierwszejpochodnej
wtympunkcie.
f 0 ( x ) f 0 ( x 0 )
x x 0 .
Skoro f 0 ( x 0 )=0i f 00 ( x 0 ) > 0todla x zdostateczniemałegootoczenia x 0
f 0 ( x )
x x 0 > 0 .
Zatemdla x>x 0 mamy f 0 ( x ) > 0adla x<x 0 ,f 0 ( x ) < 0czyliwotoczeniupunktu
x 0 funkcjamalejenalewood x 0 iro±nienaprawood x 0 zatemw x 0 jestminimum
lokalne.
f 00 ( x 0 )=lim
x ! x 0
2
 
11Całka
Jesttojednoznajwa»niejszychpoj¦¢matematycznych.Beztegopoj¦ciatrudnoso-
biewyobrazi¢rozwójnaukprzyrodniczych.Zostałoonowprowadzonepodobniejak
poj¦ciepochodnejpodkoniecXVIIw.niezale»nieprzezIzaakaNewtona(1642-1727)
iGottfriedaLeibniza(1646-1716)irozwijaneprzenast¦pne200lat.Całkistosujesi¦
mi¦dzyinnymidoobliczaniapóliobj¦to±cifiguratak»eprzyrozwi¡zywaniurówna«
ró»niczkowych.
12Funkcjapierwotna,całkanieoznaczona
Zdefiniujemynajpierwpoj¦ciefunkcjipierwotnej.Niech F : D ! IR,gdzie D to
odcinekwIR.Je»eliwka»dympunkcie x 2 D istniejepochodna F tofunkcji F mo»emy
jednoznacznieprzyporz¡dkowa¢funkcj¦pochodn¡ f = F 0 : D ! IR.Odwrotnie,danej
funkcjici¡głej f mo»naprzyporz¡dkowa¢funkcje F tak¡,»e F 0 = f .Jestonaokre±lona
jednoznaczniezdokładno±ci¡dostałejgdy»wtedydladowolnejstałej c
( F ( x )+ c ) 0 = f ( x ) .
Definicja12.6Funkcj¦ F tak¡,»e F 0 = f nazywamyfunkcj¡pierwotn¡funkcji f .W
pewnymsensiecałkowaniejestoperacj¡odwrotn¡doró»niczkowania.
Np.
2 x 2 + c
f ( x )=cos xF ( x )=sin x + c
f ( x )= x p F ( x )= 1
p +1 x p +1 + c ; p 6 = 1 .
Definicja12.7Całk¡nieoznaczon¡funkcji f nazywamyjejdowoln¡funkcj¦pier-
wotn¡ioznaczamy
Z
f ( x ) dx = F ( x )+ c,
gdzie F 0 ( x )= f ( x ) .
Funkcj¦ f wtymkontek±cienazywasiefunkcj¡podcałkow¡.Naprzyklad
Z 1
x dx =ln | x | + c
cowynikaznast¦puj¡cegorozumowania.Przyjmijmy,»e x> 0.Skoro e ln x = x to
ró»niczkuj¡cterówno±¢po x dostajemy
e ln x (ln x ) 0 =1
3
f ( x )= xF ( x )= 1
 
awiecdla x> 0mamy
(ln x ) 0 = 1
x .
Dla x< 0mamyza±ln 0 ( x )= 1 x ( 1)= 1 x idlategomo»emyzapisa¢
Z 1
x dx =ln | x | + c.
Mo»nasprawdzi¢,»eje±li a jestpewn¡liczb¡to
Z 1
x + a dx =ln | x + a | + c
13Całkaoznaczona,poleobszaru
Definicja13.8Całk¡oznaczon¡funkcji f :[ a,b ] ! IRwgranicachod a do b
nazywamyliczb¦ Z b
a f ( x ) dx = F ( b ) F ( a ):= F ( x ) | b a ,
gdzie F jestdowoln¡funkcj¡pierwotn¡funkcji f .
Okre±lmyfunkcj¦górnejgranicycałkowania
x 7!
Z x
a f ( s ) ds.
Wtedy
Z x
d
dx
a f ( s ) ds = f ( x )= d
dx ( F ( x ) F ( a ))= f ( x ) . (13.1)
Przyobliczaniucałekcz¦stowykorzystujesi¦nast¦puj¡c¡własno±¢.Niech F b¦dzie
funkcj¡pierwotn¡do f :[ x 1 ,x 2 ] 7! IR.Rozpatrzmyfunkcj¦zło»on¡ g ( x )= f ( ax + b )
gdzie a i b topewnestałe.Łatwosprawdzi¢,obliczaj¡cpochodn¡,»efunkcj¡pierwotn¡
do g zdokładno±ci¡dostałejjestfunkcja G ( x )= 1 a F ( ax + b )i
Z x 2
g ( x ) dx =
Z x 2
f ( ax + b ) dx = 1
a ( F ( ax 2 + b ) F ( ax 1 + b )) . (13.2)
x 1
x 1
Naprzykład
Z 2
1 e 5 x +2 dx = 1
e 12 e 7
.
5
Podstawowewłasno±cicałkioznaczonejwynikaj¡cezdefinicji:
4
2761523.003.png 2761523.001.png
Z c
Z b
Z b
f ( s ) ds +
f ( s ) ds =
f ( s ) ds (13.3)
a
c
a
gdzie a ¬ c ¬ b, bo
Z c
a f ( s ) ds +
Z b
c f ( s ) ds = F ( c ) F ( a )+( F ( b ) F ( c ))
Z b
a f ( s ) ds.
= F ( b ) F ( a )=
je±li A jestdowoln¡liczb¡i g pewn¡funkcj¡ciagł¡to
Z b
a ( f ( s )+ Ag ( s ) ds =
Z b
a f ( s ) ds + A
Z b
a Ag ( s ) ds
Z b
a g ( s ) ds.
=
Czylicałkasumyjestsum¡całekorazcałkazfunkcjiwymno»onejprzezpewn¡liczb¦
równajestcałceztejfunkcjiwymno»onejprzezt¦liczb¦.Własno±¢(13.3)sugeruje,
»edefinicj¦całkioznaczonejmo»narozszerzy¢nafunkcjekawałkamici¡głemówi¡c,»e
całkazfunkcjikawałkamici¡głejjestsum¡całekobliczonychnaprzedziałachci¡gło±ci
funkcji.
Przykład.11.1
0 xdx = 1
2 x 2 | 1 0 = 1
2
Warto±¢tejcałkijestrównapolutrójk¡taprostok¡tnegowyznaczonegoprzezo±po-
ziom¡układuwspółrz¦dnychiwykresfunkcji f ( x )= x .
Przezpolepodzbiorupłaszczyznymo»narozumie¢liczb¦równ¡sumienaogół
niesko«czonejliczbywszystkichpólkwadratówzawartychcałkowiciewtejfigurzeroz-
mieszczonychtak,»emog¡onemie¢wspólnejedyniefragmentyswoichkraw¦dzi.Rzecz
jasnaimdokładniejchcemypokry¢zbiórkwadratamitymmniejszychkwadratówmu-
simyu»y¢.Bytosobieuzmysłowi¢rozwa»mytrójk¡tprostok¡tny,któregopolechcemy
przybli»y¢zapomoc¡sumypólkwadratówzawartychwtrójk¡cie.Imdokładniejsze
przybli»enietymmniejszemusz¡by¢kwadratywypełniaj¡cewsumietrójk¡t.Jest
jasne,»e»adnasko«czonaliczbakwadratówniewystarczydocałkowitegopokrycia
trójk¡ta.
Je±lifiguraniejest”patologiczna”totak¡niesko«czon¡sum¦szeregupólkwadra-
tówzdefiniowa¢mo»najakopolezbioru.Tadefinicjawystarczadotegoabyokre±li¢
polefiguryograniczonejwykresemfunkcjici¡głejiosiamiwspółrz¦dnych,ponadto
umo»liwiawpraktyceobliczanieprzybli»onychwarto±cipółfigur.Niejesttojednak
dobraidostatecznieogólnadefinicjapola,boniedałobysi¦zmierzy¢wtensposób
5
Z b
a f ( s ) ds +
Z 1
Zgłoś jeśli naruszono regulamin