Treści programowe. Matematyka 1. Efekty kształcenia. Literatura. Warunki zaliczenia. Ogólne własności funkcji. Definicja 1. Funkcje elementarne.

Transkrypt

1 Treści programowe Matematyka 1 Katarzyna Trąbka-Więcław Funkcje elementarne. Granica funkcji, własności granic, wyrażenia nieoznaczone, ciągłość funkcji. Pochodna funkcji w punkcie i w przedziale, pochodne wyższych rzędów. Różniczka funkcji. Monotoniczność i wypukłość funkcji, twierdzenie Taylora. Ekstrema lokalne i globalne funkcji, warunki konieczne i dostateczne istnienia ekstremum. Twierdzenie de l Hospitala. K. Trąbka-Więcław Matematyka 1 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 2 / 54 Efekty kształcenia Student zna funkcje elementarne. Funkcja pierwotna, całka nieoznaczona - definicja, własności. Całkowanie przez części, całkowanie przez podstawienie. Całka oznaczona - definicja, własności, wzór Newtona-Leibniza, Całka oznaczona i jej zastosowania. Liczby zespolone Student zna podstawowe pojęcia i fakty z zakresu rachunku różniczkowego funkcji jednej zmiennej. Student potrafi analizować własności funkcji na podstawie badania jej pierwszej i drugiej pochodnej. Student zna podstawowe pojęcia i fakty z zakresu rachunku całkowego funkcji jednej zmiennej. Student potrafi stosować podstawowe metody całkowania do obliczania całek nieoznaczonych i oznaczonych. Student potrafi stosować całki oznaczone do rozwiązywania problemów w geometrii i fizyce. Student zna liczby zespolone i potrafi rozwiązywać zadania dotyczące liczb zespolonych. K. Trąbka-Więcław Matematyka 3 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 4 / 54 Literatura Warunki zaliczenia Krysicki W., Włodarski L.: Analiza matematyczna w zadaniach. PWN cz. I Gewert M., Skoczylas Z.: Analiza matematyczna 1. Oficyna Wydawnicza GiS, Wrocław Jurlewicz T., Skoczylas Z.: Algebra liniowa 1. Oficyna Wydawnicza GiS, Wrocław Leitner R.: Zarys matematyki wyższej dla studentów. WNT Leitner R. et al: Zadania z matematyki wyższej. WNT warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń ocena 4 z ćwiczeń = zwolnienie z egzaminu skala ocen: 0-49% uzyskanych punktów - ocena % uzyskanych punktów - ocena % uzyskanych punktów - ocena 3, % uzyskanych punktów - ocena % uzyskanych punktów - ocena 4, % uzyskanych punktów - ocena 5 K. Trąbka-Więcław Matematyka 5 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 6 / 54 Ogólne własności funkcji adres mailowy: k.trabka@pollub.pl strona internetowa: wm.pollub.pl Instytut Technologicznych Systemów Informacyjnych Pracownicy lub tnij.at/ktrabka Definicja 1 Niech dane będą niepuste zbiory X, Y. Jeśli każdemu elementowi zbioru X przyporządkujemy dokładnie jeden element zbioru Y, to mówimy, że została określona funkcja zbioru X w zbiór Y i piszemy f : X Y. Każdy element zbioru X nazywamy argumentem funkcji f ; zbiór X nazywamy dziedziną funkcji f i piszemy D f lub D. Element zbioru Y, który fukcja f przyporządkowuje argumentowi x oznaczamy przez f (x) i nazywamy wartością funkcji odpowiadająca argumentowi x. Zbiór wartości funkcji nazywamy przeciwdziedziną i piszemy R f lub R. K. Trąbka-Więcław Matematyka 7 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 8 / 54

2 Jeśli funkcję określa tylko wzór, bez jawnego określenia dziedziny, to zbiór elementów należących do X, dla których ten wzór ma sens, nazywamy dziedziną naturalną funkcji. Podanie jawne dziedziny lub wyznaczenie dziedziny naturalnej jest częścią definicji funkcji, jest więc niezbędne. Jednak wyznaczenie przeciwdziedziny nie jest potrzebne dla prawidłowego zdefiniowania funkcji, często jest trudne. Definicja 2 Funkcję f : X Y nazywamy różnowartościową w zbiorze X, gdy [x 1 x 2 ] [f (x 1 ) f (x 2 )] x 1,x 2 X Funkcję różnowartościową nazywamy również funkcją wzajemnie jednoznaczną. Zapisujemy to symbolem 1 : 1. Przykład 1 Zbadaj różnowartościowość funkcji: f (x) = x 2 + 2x 3, g(x) = x+5 x 3, h(x) = x 1 x. K. Trąbka-Więcław Matematyka 9 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 10 / 54 Złożenie (superpozycja) funkcji Niech f : X Y oraz g : Y Z. Ich złożeniem nazywamy funkcję h : X Z taką, że: h(x) = g(f (x)). Funkcję f nazywamy funkcją wewnętrzną, a g - funkcją zewnętrzną tego złożenia. Możemy też zapisać h = g f. Przykład 2 Wyznaczyć złożenia f g oraz g f dla funkcji: f (x) = x + 1 i g(x) = x 2. Niech dane będą dwie funkcje f : X U oraz g : W Y. Niech ponadto R f D g. Zatem f : X x u = f (x) R f g : D g u y = g(u) Y. oraz Można więc przyporządkować argumentowi x X wartość y = g(u) = g(f (x)) Y. W ten sposób zdefiniowaliśmy nową funkcję h : X Y daną wzorem h(x) = g(f (x)). Funkcję h nazywamy złożeniem lub superpozycją funkcji f i g,co zapisujemy h = g f. Funkcję f nazywamy funkcją wewnętrzną, a g - funkcją zewnętrzną tego złożenia. K. Trąbka-Więcław Matematyka 11 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 12 / 54 Jeśli nie zachodzi warunek R f D g, to składać funkcje f i g można tylko w pewnym podzbiorze zbioru X, mianowicie takim A X, dla którego zawężenie funkcji f - oznaczmy je przez f - ma zbiór wartości zawarty w dziedzinie funkcji g. R f Złożenie funkcji na ogół nie jest przemienne, tzn. f g g f. Przykład 3 Wyznaczyć, o ile to możliwe, złożenia f g i g f dla funkcji: a) f (x) = x i g(x) = 2 + sin x, b) f (x) = log x i g(x) = 1 x 2. Definicja 3 Funkcję g : Y X nazywamy funkcją odwrotną do funkcji f : X Y, jeśli dla każdego elementu x X zachodzi równość g(f (x)) = x oraz dla każdego elementu y Y zachodzi równość f (g(y)) = y. Twierdzenie 1 Jeśli funkcja f : X Y jest różnowartościowa w X, to istnieje funkcja odwrotna do niej. Funkcję odwrotną oznaczamy symbolem f 1. Wykres funkcji i funkcji do niej odwrotnej są symetryczne względem prostej y = x. K. Trąbka-Więcław Matematyka 13 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 14 / 54 Przykład 4 Wyznacz funkcje odwrotne do funkcji: f 1 (x) = 2x + 3, f 2 (x) = x 2, f 3 (x) = x 3, f 4 (x) = x+5 x 3, f 5 (x) = f 6 (x) = x x 1, x x+1. Definicja 4 Funkcję f : X Y nazywamy rosnącą w przedziale (a, b), jeśli [x 1 < x 2 ] [f (x 1 ) f (x 2 )] Definicja 5 Funkcję f : X Y nazywamy ściśle rosnącą w przedziale (a, b), jeśli [x 1 < x 2 ] [f (x 1 ) < f (x 2 )] K. Trąbka-Więcław Matematyka 15 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 16 / 54

3 Definicja 6 Funkcję f : X Y nazywamy malejącą w przedziale (a, b), jeśli [x 1 < x 2 ] [f (x 1 ) f (x 2 )] Definicja 7 Funkcję f : X Y nazywamy ściśle malejącą w przedziale (a, b), jeśli [x 1 < x 2 ] [f (x 1 ) > f (x 2 )] Definicja 8 Mówimy, że funkcja jest monotoniczna w przedziale (a, b), jeśli jest w tym przedziale rosnąca lub malejąca. Przykład 5 Funkcja f (x) = 1 x, x 0 maleje osobno w (, 0) oraz w (0, ), ale nie maleje w zbiorze (, 0) (0, ), gdyż np. dla x 1 = 1 < 1 = x 2 nie jest prawdą, że f (x 1 ) = 1 > 1 = f (x 2 ). Funkcja f (x) = tg x rośnie w każdym z przedziałów postaci ( π 2 + kπ, π 2 + kπ), k Z; nie rośnie jednak w sumie przedziałów tej postaci. Np. dla x 1 = 0, x 2 = 3 4 π mamy f (x 1 ) = 0 > 1 = f (x 2 ). K. Trąbka-Więcław Matematyka 17 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 18 / 54 Definicja 9 Funkcję f : X Y nazywamy parzystą, jeśli [ x X f (x) = f ( x)]. x X Definicja 10 Funkcję f : X Y nazywamy nieparzystą, jeśli [ x X f (x) = f ( x)]. x X Przykład 6 Zbadać parzystość funkcji: f 1 (x) = x 2, f 2 (x) = x 3, f 3 (x) = x + 5 x 3, f 5 (x) = x x 4 + x 2 + 1, f 6 (x) = 2x 3 x 2 x + 3 x. K. Trąbka-Więcław Matematyka 19 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 20 / 54 Definicja 11 Funkcję f : X Y nazywamy okresową, jeśli [x ± T X f (x + T ) = f (x)]. T >0 x X Liczbę T nazywamy okresem funkcji f. Najmniejszą z liczb T, o których mowa w powyższej definicji nazywamy okresem podstawowym funkcji f. Przykład 7 f (x) = sin x g(x) = ctg x X = R, T = 2π lub dowolna wielokrotność 2π X = R \ {kπ : k Z}, T = π lub dowolna wielokrotność π Funkcje elementarne Funkcjami elementarnymi nazywamy: funkcje wymierne (w tym: wielomiany), wykładnicze, trygonometryczne, odwrotne do wymienionych (w tym: funkcje logarytmiczne, cyklometryczne) oraz wszystkie funkcje otrzymywane w wyniku skończenie wielu działań arytmetycznych lub złożeń tych funkcji. K. Trąbka-Więcław Matematyka 21 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 22 / 54 Funkcja kwadratowa Wielomian (funkcja wielomianowa) D f = R f (x) = a 0 + a 1 x + a 2 x a n x n Jeśli a n 0, to mówimy, że f jest wielomianem stopnia n. gdy n = 0, to mówimy, że f jest wielomianem stopnia 0 lub funkcją stałą gdy n = 1, to mówimy, że f jest wielomianem stopnia 1 lub funkcją liniową gdy n = 2, to mówimy, że f jest wielomianem stopnia 2 lub funkcją kwadratową postać ogólna: f (x) = ax 2 + bx + c, a 0 postać kanoniczna: ( f (x) = a x + b ) 2 2a 4a = a(x p)2 + q, gdzie p = b 2a, q = 4a są wpółrzędnymi wierzchołka paraboli będącej wykresem funkcji f ; = b 2 4ac postać iloczynowa: f (x) = a(x x 1 )(x x 2 ), gdzie x 1 = b 2a, x 2 = b+ 2a, gdy 0 Jeśli x 1, x 2 są pierwiastkami równania kwadratowego ax 2 + bx + c = 0 (zatem a 0 i 0 ), to x 1 + x 2 = b a, x 1x 2 = c a (wzory Viete a) K. Trąbka-Więcław Matematyka 23 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 24 / 54

4 Funkcja wymierna to iloraz dwóch wielomianów f (x) = P(x) Q(x), przy czym Q nie jest wielomianem zerowym. D f = R \ {x : Q(x) = 0} gdy Q(x) = c, c R \ {0}, to funkcja wymierna jest wielomianem gdy P(x) = ax + b, Q(x) = cx + d, ad bc 0, to funkcja wymierna jest postaci f (x) = ax + b cx + d i nazywamy ją funkcją homograficzną K. Trąbka-Więcław Matematyka 25 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 26 / 54 Własności funkcji homograficznej f (x) = ax+b cx+d, ad bc 0, c 0: Funkcję homograficzną można przedstawić w postaci f (x) = 1 c ( a + ) bc ad cx + d jest więc złożeniem funkcji liniowej i funkcji odwrotność. D f = R \ { d c }, R f = R \ { a c }, Wykresem funkcji homograficznej jest hiperbola (równoosiowa), której asymptotą pionową jest prosta x = d c, zaś poziomą prosta y = a c. Funkcja homograficzna jest różnowartościowa w całej swojej dziedzinie. Funkcją odwrotną do funkcji y = f (x) = ax+b cx+d jest funkcja homograficzna g(y) = dy+b cy a. Funkcja homograficzna jest bądź malejąca bądź rosnąca w każdym z przedziałów (, d c ) oraz ( d c, ). To nie znaczy, że f jest malejąca (rosnąca) w całej dziedzinie! Dla przykładu funkcja f (x) = 1 x maleje osobno w (, 0) oraz w (0, ), ale nie maleje w zbiorze (, 0) (0, ), gdyż np. dla x 1 = 1 < 1 = x 2 nie jest prawdą, że f (x 1 ) = 1 > 1 = f (x 2 ). K. Trąbka-Więcław Matematyka 27 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 28 / 54 Funkcja wykładnicza f (x) = a x, a > 0, a 1 D f = R, R f = R + gdy a = e, to funkcję f (x) = e x nazywamy funkcją exponens, piszemy również f (x) = exp(x) K. Trąbka-Więcław Matematyka 29 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 30 / 54 Funkcja logarytmiczna Własności funkcji wykładniczej: Funkcja wykładnicza jest różnowartościowa w całej dziedzinie. Funkcją odwrotną do funkcji y = f (x) = a x, a > 0, a 1 jest funkcja g(y) = log a y. Jeśli a > 1, to funkcja f (x) = a x jest rosnąca w R. Jeśli 0 < a < 1, to funkcja f (x) = a x jest malejąca w R. Prosta y = 0 jest asymptotą poziomą funkcji wykładniczej. D f = R +, R f = R f (x) = log a x, a > 0, a 1 K. Trąbka-Więcław Matematyka 31 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 32 / 54

5 Własności funkcji logarytmicznej: Funkcja logarytmiczna jest różnowartościowa w całej dziedzinie. Funkcją odwrotną do funkcji y = f (x) = log a x, a > 0, a 1 jest funkcja g(y) = a y. Jeśli a > 1, to funkcja f (x) = log a x jest rosnąca w R +. Jeśli 0 < a < 1, to funkcja f (x) = log a x jest malejąca w R +. Prosta x = 0 jest asymptotą pionową funkcji logarytmicznej. K. Trąbka-Więcław Matematyka 33 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 34 / 54 Funkcje trygonometryczne W przypadku kąta ostrego funkcje trygonometryczne można określić jako proporcje boków w trójkącie prostokątnym. Funkcje sin, cos, tg, ctg definiuje się jako funkcje zmiennej rzeczywistej będącej łukową miarą kąta skierowanego. sin α = b r sin α = a c cos α = a r cos α = b c tg α = b a tg α = a b ctg α = a b ctg α = b a K. Trąbka-Więcław Matematyka 35 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 36 / 54 f (x) = sin x f (x) = tg x f (x) = cos x K. Trąbka-Więcław Matematyka 37 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 38 / 54 f (x) = ctg x K. Trąbka-Więcław Matematyka 39 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 40 / 54

6 Własności funkcji trygonometrycznych: sin cos dziedzina R R przeciwdziedzina [ 1, 1] [ 1, 1] Parzystość / N P Nieparzystość okresowość T = 2π T = 2π różnowartościowość w każdym z [ π 2 + kπ, π 2 + kπ] [kπ, π + kπ] przedziałów π ekstrema 2 + kπ kπ asymptoty pionowe - - K. Trąbka-Więcław Matematyka 41 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 42 / 54 tg ctg dziedzina R \ { π 2 + kπ} R \ {kπ} przeciwdziedzina R R Parzystość / N N Nieparzystość okresowość T = π T = π różnowartościowość w każdym z ( π 2 + kπ, π 2 + kπ) (kπ, π + kπ) przedziałów ekstrema - - asymptoty pionowe x = π 2 + kπ x = kπ k Z Funkcje trygonometryczne nie są różnowartościowe w swych dziedzinach. Nie posiadają więc funkcji odwrotnych. Jeżeli jednak zawęzimy te funkcje do odpowiednich przedziałów, to otrzymamy funkcje różnowartościowe. Tak uzyskane zawężenia funkcji trygonometrycznych mają już funkcje odwrotne zwane funkcjami cyklometrycznymi. funkcja dziedzina zawężona funkcja odwrotna sin [ π 2, π 2 ] arc sin cos [0, π] arc cos tg ( π 2, π 2 ) arc tg ctg (0, π) arc ctg K. Trąbka-Więcław Matematyka 43 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 44 / 54 Funkcje cyklometryczne Funkcje cyklometryczne są funkcjami odwrotnymi do odpowiednio zawężonych funkcji trygonometrycznych. Wartości funkcji cyklometrycznych są więc łukowymi miarami kątów odpowiadających w zawężonej dziedzinie wartościom stosownej funkcji trygonometrycznej. funkcja f D f R f funkcja D g R g odwrotna g sin [ π 2, π 2 ] [ 1, 1] arc sin [ 1, 1] [ π 2, π 2 ] cos [0, π] [ 1, 1] arc cos [ 1, 1] [0, π] tg ( π 2, π 2 ) R arc tg R ( π 2, π 2 ) ctg (0, π) R arc ctg R (0, π) K. Trąbka-Więcław Matematyka 45 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 46 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 47 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 48 / 54

7 K. Trąbka-Więcław Matematyka 49 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 50 / 54 Logarytmy Dla a > 0, a 1 oraz b > 0 logarytmem przy podstawie a z liczby b nazywamy liczbę c taką, że a c = b. log a b = c a c = b Własności wyrażeń logarytmicznych: 1. log a b + log a c = log a (bc) ( ) b 2. log a b log a c = log a c 3. log a a = 1 4. log a 1 = 0 5. log a b n = n log a b 6. log a n b = 1 n log a b K. Trąbka-Więcław Matematyka 51 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 52 / log a b = log d b log d a, d > 0, d 1 8. log a b = 1 log b a, b 1 9. log a (a b) = b 10. a log a b = b gdy a = 10, to piszemy log b lub lg b gdy a = e, to logarytm nazywamy naturalnym i piszemy wtedy ln b liczba e (liczba Eulera) e 2, K. Trąbka-Więcław Matematyka 53 / 54 K. Trąbka-Więcław Matematyka 54 / 54