Zastosowania pochodnych

Podobne dokumenty
Pochodna funkcji. Pochodna funkcji w punkcie. Różniczka funkcji i obliczenia przybliżone. Zastosowania pochodnych. Badanie funkcji.

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

1 Pochodne wyższych rzędów

22 Pochodna funkcji definicja

Materiały do ćwiczeń z matematyki. 3 Rachunek różniczkowy funkcji rzeczywistych jednej zmiennej

9. BADANIE PRZEBIEGU ZMIENNOŚCI FUNKCJI

VIII. Zastosowanie rachunku różniczkowego do badania funkcji. 1. Twierdzenia o wartości średniej. Monotoniczność funkcji.

Wykład 5. Zagadnienia omawiane na wykładzie w dniu r

RACHUNEK RÓŻNICZKOWY FUNKCJI JEDNEJ ZMIENNEJ. Wykorzystano: M A T E M A T Y K A Wykład dla studentów Część 1 Krzysztof KOŁOWROCKI

Pochodne funkcji wraz z zastosowaniami - teoria

Zadania z analizy matematycznej - sem. I Pochodne funkcji, przebieg zmienności funkcji

Pochodna funkcji. Zastosowania

lim Np. lim jest wyrażeniem typu /, a

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

Funkcje dwóch zmiennych

Wykład 4 Przebieg zmienności funkcji. Badanie dziedziny oraz wyznaczanie granic funkcji poznaliśmy na poprzednich wykładach.

2. ZASTOSOWANIA POCHODNYCH. (a) f(x) = ln 3 x ln x, (b) f(x) = e2x x 2 2.

Analiza matematyczna - pochodna funkcji 5.8 POCHODNE WYŻSZYCH RZĘDÓW

y f x 0 f x 0 x x 0 x 0 lim 0 h f x 0 lim x x0 - o ile ta granica właściwa istnieje. f x x2 Definicja pochodnych jednostronnych

Pochodne. Zbigniew Koza. Wydział Fizyki i Astronomii

Pochodna funkcji jednej zmiennej

Wzór Maclaurina. Jeśli we wzorze Taylora przyjmiemy x 0 = 0 oraz h = x, to otrzymujemy tzw. wzór Maclaurina: f (x) = x k + f (n) (θx) x n.

Rachunek różniczkowy funkcji f : R R

Funkcja jednej zmiennej - przykładowe rozwiązania 1. Badając przebieg zmienności funkcji postępujemy według poniższego schematu:

Tekst na niebiesko jest komentarzem lub treścią zadania b; stąd b = (6 π 3)/12. 3 Wzór stycznej: 2 x + 6 π

Ekstrema globalne funkcji

Opracowanie: mgr Jerzy Pietraszko

Rachunek różniczkowy funkcji dwóch zmiennych

10 zadań związanych z granicą i pochodną funkcji.

WKLĘSŁOŚĆ I WYPUKŁOŚĆ KRZYWEJ. PUNKT PRZEGIĘCIA.

Analiza Matematyczna MAEW101

1 Funkcja wykładnicza i logarytm

Egzamin podstawowy (wersja przykładowa), 2014

1 Funkcja wykładnicza i logarytm

Matematyka i Statystyka w Finansach. Rachunek Różniczkowy

Rachunek różniczkowy funkcji jednej zmiennej. 1 Obliczanie pochodnej i jej interpretacja geometryczna

f(x + x) f(x) . x Pochodne ważniejszych funkcji elementarnych (c) = 0 (x α ) = αx α 1, gdzie α R \ Z (sin x) = cos x (cos x) = sin x

Wykłady z matematyki - Pochodna funkcji i jej zastosowania

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 9

Materiały do ćwiczeń z matematyki - przebieg zmienności funkcji

Analiza matematyczna 2 zadania z odpowiedziami

I. Pochodna i różniczka funkcji jednej zmiennej. 1. Definicja pochodnej funkcji i jej interpretacja fizyczna. Istnienie pochodnej funkcji.

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

Zadania do samodzielnego rozwiązania zestaw 11

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

ANALIZA MATEMATYCZNA 2 zadania z odpowiedziami

Rachunek różniczkowy i całkowy 2016/17

5. Badanie przebiegu zmienności funkcji - monotoniczność i wypukłość

4b. Badanie przebiegu zmienności funkcji - monotoniczność i wypukłość

Zestaw zadań przygotowujących do egzaminu z Matematyki 1

Pochodna i jej zastosowania

Wykłady z matematyki inżynierskiej EKSTREMA FUNKCJI. JJ, IMiF UTP

Ruch jednowymiarowy. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Pochodne wyższych rzędów definicja i przykłady

WYDZIAŁ INFORMATYKI I ZARZĄDZANIA, studia niestacjonarne ANALIZA MATEMATYCZNA1, lista zadań 1

Rozwiązania prac domowych - Kurs Pochodnej. x 2 4. (x 2 4) 2. + kπ, gdzie k Z

x 2 5x + 6 x 2 x 6 = 1 3, x 0sin 2x = 2, 9 + 2x 5 lim = 24 5, = e 4, (i) lim x 1 x 1 ( ), (f) lim (nie), (c) h(x) =

13. Funkcje wielu zmiennych pochodne, gradient, Jacobian, ekstrema lokalne.

Rachunek Różniczkowy

Funkcje dwóch zmiennych

Fakt 3.(zastosowanie różniczki do obliczeń przybliżonych) Przy czym błąd, jaki popełniamy zastępując przyrost funkcji

Ciągi liczbowe. Zbigniew Koza. Wydział Fizyki i Astronomii

Agata Boratyńska ZADANIA Z MATEMATYKI, I ROK SGH GRANICA CIĄGU

FUNKCJA LINIOWA, RÓWNANIA I UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

Funkcje. Część pierwsza. Zbigniew Koza. Wydział Fizyki i Astronomii

Matematyka dla biologów Zajęcia nr 6.

Całki. Zbigniew Koza. Wydział Fizyki i Astronomii

FIZYKA. Wstęp cz.2. Dr inż. Zbigniew Szklarski. Katedra Elektroniki, paw. C-1, pok

Analiza Matematyczna MAEW101 MAP1067

Funkcje wielu zmiennych

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

ZASTOSOWANIA POCHODNEJ FUNKCJI

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

1 Metody rozwiązywania równań nieliniowych. Postawienie problemu

Funkcje. Część druga. Zbigniew Koza. Wydział Fizyki i Astronomii

KADD Minimalizacja funkcji

ZADANIA OPTYMALIZCJI BEZ OGRANICZEŃ

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do obliczania niepewności pomiarowych

Matematyka z el. statystyki, # 4 /Geodezja i kartografia I/

Wykład 13. Informatyka Stosowana. 14 stycznia 2019 Magdalena Alama-Bućko. Informatyka Stosowana Wykład , M.A-B 1 / 34

Wykład 6, pochodne funkcji. Siedlce

Podstawy analizy matematycznej II

II. FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

Elementy metod numerycznych

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

Definicje i przykłady

Wykład 11 i 12. Informatyka Stosowana. 9 stycznia Informatyka Stosowana Wykład 11 i 12 9 stycznia / 39

DEFINICJA. E-podręcznik pod redakcją: Vsevolod Vladimirov Autor: Tomasz Zabawa

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do rachunku błędów pomiarowych

Zagadnienia na egzamin poprawkowy z matematyki - klasa I 1. Liczby rzeczywiste

Notatki z Analizy Matematycznej 3. Jacek M. Jędrzejewski

MATEMATYKA I SEMESTR WSPIZ (PwZ) 1. Ciągi liczbowe

TO SĄ ZAGADNIENIA O CHARAKTERZE RACZEJ TEORETYCZNYM PRZYKŁADOWE ZADANIA MACIE PAŃSTWO W MATERIAŁACH ĆWICZENIOWYCH. CIĄGI

MATeMAtyka klasa II poziom rozszerzony

Pochodne cząstkowe i ich zastosowanie. Ekstrema lokalne funkcji

Pochodna funkcji odwrotnej

Optymalizacja ciągła

Transkrypt:

Zastosowania pochodnych Zbigniew Koza Wydział Fizyki i Astronomii Wrocław, 2015

SZACOWANIE NIEPEWNOŚCI POMIAROWEJ

Przykład: objętość kuli Kulka z łożyska tocznego ma średnicę 2,3 mm, co oznacza, że objętość kulki wynosi V = πd3 6,3706263027 mm3 6 Dokładność suwmiarki, której użyto do pomiaru średnicy kulki, wynosi 0,1 mm. Jaka jest dokładność pomiaru jej objętości?

Przybliżenie liniowe funkcji za pomocą pochodnej f x f x 0 (x x 0 ) + f(x 0 ) Przyjmujemy f V, x d, d 0 = x 0 = 2,3 mm

f x f x 0 (x x 0 ) + f(x 0 ) V d V d 0 d d 0 + V d 0 V d V d 0 V d 0 d d 0 V V d V V d Oszacowanie niepewności zmiennej zależnej Współczynnik proporcjonalności, czyli pochodna V (d) Niepewność wartości zmiennej niezależnej

V V d Oszacowanie niepewności zmiennej zależnej Współczynnik proporcjonalności, czyli pochodna V (d) Niepewność wartości zmiennej niezależnej V πd2 2 V d = πd3 6 V d = 3 πd3 1 6 = πd2 2 d = 3,14 2.32 2 0.1 = 0,83 [mm3 ] V = 6, 33 ± 0, 88 mm 3

Notacja d = 2,30 ± 0,1 mm V = 6,37 ± 0,83 mm 3 2 cyfry znaczące alternatywny (zalecany) zapis: V = 6,37(83) mm 3

Notacja d = 2,30 ± 0,1 mm V = 6,37 ± 0,83 mm 3 2 cyfry znaczące alternatywny (zalecany) zapis: V = 6,37(83) mm 3 Żadna z powyższych czterech liczb nie jest dokładna!

Dlaczego to działa?

Dlaczego to działa? Δd Δd

Dlaczego to działa? ΔV ΔV Δd Δd

Interpretacja pochodnej V V d Oszacowanie niepewności zmiennej zależnej Współczynnik proporcjonalności, czyli pochodna V (d) Niepewność wartości zmiennej niezależnej Wartość pochodnej zmiennej V względem d informuje nas w sposób ilościowy, w jaki sposób zmiana d wpływa na zmianę V. V 8. 3 mm 2 d Skutek wzmocnienie Przyczyna

Ogólny wzór na niepewność pomiarową f(x) f (x) x Dla funkcji wielu zmiennych jest podobnie, ale o tym nieco później

Badanie funkcji PRĘDKOŚĆ I PRZYSPIESZENIE

Prędkość Prędkość (szybkość) s = przebyta droga t = czas v = lim ΔΔ 0 ΔΔ ΔΔ = ds dt s(t) s(0) = 0

Przyspieszenie Przyspieszenie a = lim s = przebyta droga v = prędkość t = czas ΔΔ 0 Δv ΔΔ = dv dt = d2 s dt 2

Przykład - zadanie Położenie pewnego obiektu, który porusza się po linii prostej wzdłuż osi x, dane jest równaniem x t = 2 3 t3 6t 2 + 10t, 0 t 7s Jaką drogę przebył ten obiekt w ciągu pierwszych 7 sekund ruchu? x 0

Kiedy funkcja jest rosnąca/malejąca? v = dd x dd t 0 x t = 2 3 t3 6t 2 + 10t v > 0 x > 0 v < 0 x < 0 v = 0 x = 0 + + Krańce przedziału Ekstrema 0

Kiedy funkcja jest rosnąca/malejąca? v > 0 x > 0 funkcja rosnąca v < 0 x < 0 funkcja malejąca v = 0 x = 0 tu mogą być minima lub maksima dd t v = dd = 2 3 t3 6t 2 + 10t = 2t 2 12t + 10 + 0 0 +

Kiedy funkcja jest rosnąca/malejąca? v > 0 x > 0 funkcja rosnąca v < 0 x < 0 funkcja malejąca v = 0 x = 0 tu mogą być minima lub maksima dd t v = dd = 2 3 t3 6t 2 + 10t = 2t 2 12t + 10 + + 0 0 + +

Kiedy funkcja jest rosnąca/malejąca? Obszar I: x(t) jest funkcją rosnącą i v(t) x t > 0 Obszar II: x(t) jest funkcją malejącą i v(t) x t < 0 Granice obszarów: x(t) osiąga minimum lub maksimum i xx t = 0 + + I 0 II 0 + + I

Kiedy funkcja ma minimum lub maksimum? x(t) osiąga minimum lub maksimum gdy xx t = 0 Zamiast badać, gdzie funkcja ma ekstrema, ŁATWIEJ rozwiązać równanie xx t = 0 + + I 0 II 0 + + I

Wracamy do zadania t 0 = 0, x t 0 = 0 t 1 = 1, x t 1 = 4 2 3 1, 4 2 3 7, 4 2 3 t 2 = 5, x t 2 = 16 2 3 1, 0 t 3 = 7, x t 3 = 4 2 3 d = x 1 x 0 + x 2 x 1 + x 3 x 2 = 4 2 3 + 21 1 3 + 21 1 3 = 44 1 3 5, 11 2 3

Przyspieszenie a = dd dd = d2 x dt 2 a = d 2t2 12t + 10 dt a(t) = 44 11 a t = 0 t = 3 v t ma minimum dla t = 3

Funkcje wypukłe i wklęsłe Funkcja wypukła, fff a > 0 Funkcja wklęsła, fff a < 0

Punkt przegięcia a t p = 0 t p = 3 t p jest punktem przegięcia funkcji x(t) Dla 0 t t p funkcja jest wklęsła Dla 0 t t p funkcja jest wypukła W punkcie t p prędkość ma wartość minimalną wklęsła t p = 3 wypukła

Przyspieszenie a siła a = F m (fizyka) t p = 3 jest punktem przegięcia funkcji x t, a = 0, więc nie ma siły (F = 0) Dla 0 t t p funkcja jest wklęsła, siła działa w dół (i maleje) Dla 0 t t p funkcja jest wypukła, siła działa do góry (i rośnie) F F

Interpretacja wykresu W t = 0 obiekt znajduje się w punkcie x(0) = 0 i ma prędkość początkową x 0 = 10 Dla 0 t 1 obiekt jest hamowany i zmniejsza swoją prędkość do zera W t = 1 obiekt się zatrzymuje, po czym przyspiesza w kierunku wartości ujemnych W t = 3 siła zmienia znak i zaczyna hamować obiekt Wartość skrajna Maksimum Punkt przegięcia

Interpretacja wykresu W t = 5 prędkość obiekt u jest równa zeru, a jego położenie ma wartość krańcową (minimum) Dla t > 5 obiekt wciąż jest przyspieszany do góry Wartość skrajna Maksimum Punkt przegięcia Wartość skrajna Minimum

Pochodne są użyteczne Położenie minimum, maksimum i punktów przegięcia funkcji najwygodniej ustala się za pomocą szukania miejsc zerowych pierwszej i drugiej pochodnej Wartość skrajna Maksimum Punkt przegięcia Minimum Wartość skrajna

x t = 0 nie zawsze lokalizuje minimum lub maksimum Funkcja x t = t 3 ma pochodną x t = 3t 2, która znika w t = 0, ale wcale nie ma w tym punkcie minimum czy maksimum!

Punkty krytyczne Punkty krytyczne funkcji y x to punkty, w których y x = 0 lub pochodna nie istnieje y x x 3 x x 1 x 2 x 4

Ekstrema lokalne i globalne Ekstrema lokalne funkcji ciągłej na przedziale mogą się znajdować tylko w jej punktach krytycznych lub na końcach przedziału Ekstrema globalne wyznaczamy względem całej dziedziny glob. y x x 0 x 1 x 2 x 3 lok. lok. x x 4 x 5 glob.

Jak odróżnić ekstremum od punktu przegięcia? Zrób wykres! Lub sprawdź, czy x t zmienia znak + - + +

Badanie funkcji Funkcja x(t) Dziedzina Przeciwdziedzina Punkty nieciągłości Ekstrema funkcji Przedziały monotoniczności Punkty, w których pochodna nie istnieje Punkty przegięcia Położenie samochodu Kiedy może jeździć? Gdzie może jeździć? Czy może się teleportować? Kiedy zmienia kierunek jazdy? Kiedy utrzymuje kierunek jazdy? Czy odbija się od ściany jak? Kiedy hamowanie gaz? Jest łatwe i intuicyjne

RÓŻNICZKI

Bardzo mała różnica Załóżmy, że x jest funkcją t. Na ile mała zmiana t wpływa na małą zmianę x? x(t) x (t) t W granicy t 0 piszemy: dx(t) x (t) dt Literka d oznacza tu bardzo małą, (infinitezymalną) zmianę danej zmiennej Tę zmianę nazywamy różniczką

Rachunek różniczkowy Obliczanie różniczek jest proste, jeśli potrafimy liczyć pochodne d x 2 = 2x dx, bo x 2 = 2x d cos (x) = sin(x) dx, bo (cos(x)) = sin (x) d x(t) = v dt, bo d f x t dd dd = v = f x v dt, bo f x t = f x x t = f x v

Rachunek różniczkowy Obliczanie różniczek jest proste, jeśli potrafimy liczyć pochodne d 2x = 2 dx, bo 2x = 2 d x + y = dx + dy, bo x + y = x + y d x y = y dx + x dy, bo xy = x y + xxx dx = dx dt dt = x dt

Po co? Różniczki pozwalają przechodzić z jednej zmiennej do drugiej I pojawiają się w całkach

ZASTOSOWANIA POZA MATEMATYKĄ

Pochodna = prędkość zmian ELEKTRYCZNOŚĆ natężenie prądu moc I = dd dd P = dw dd ładunek czas praca czas TERMODYNAMIKA ciepło właściwe c = 1 m dd dt ciepło temperatura współczynnik rozszerzalności cieplnej α L = 1 L dl dd długość temperatura

Gradient ( ) Gradient to prędkość zmiany jakiejś wielkości względem odległości gradient temperatury: T = dd dd T 1 T 2 x gradient ciśnienia: P = dp dh h P 2 P 1

Gradienty dobrze widać w terenie Ale o tym później

POCHODNE A OBLICZANIE GRANIC

Granice niewłaściwe 0 0, Reguła de l'hospitala Jeżeli dla pewnego c R lub c = ± lim x c f x = lim x c oraz istnieje (właściwa) granica to lim x c lim x c g x = 0 lub ± f x g x f(x) g x = lim x c f x g x

Przykłady sin x lim x 0 x = 1 sin x bo lim x 0 x cos (x) = lim x 0 1 = 1 ln x lim x x = 0 ln x bo lim x x = lim x 1/x 1 = 0

Reguła de l'hospitala Jest prosta w użyciu, a pochodzi jeszcze z końca XVII wieku Bardzo ułatwia znajdowanie granic, gdy nie mamy pod ręką narzędzi informatycznych Jednak skoro je mamy, wystarczy świadomość jej istnienia

SZEREGI TAYLORA

Szereg Taylora Szereg Taylora funkcji f x w punkcie a, w którym ta funkcja jest różniczkowalna nieskończenie wiele razy, definiuje się wzorem czyli f a + f a 1! x a + f a 2! f(n) a n! n=0 x a n x a 2 +

Zbieżność Nie ma gwarancji, że szereg Taylora funcji f względem a jest zbieżny do f dla każdego x Bywa, że jest zbieżny tylko w pewnym otoczeniu punktu a O funkcji f, dla której jej szereg Taylora w punkcie a jest zbieżny do f(x) w pewnym otoczeniu tego punktu, mówi się, że jest funkcją analityczną w a.

Aproksymacja Szereg Taylora często się ucina na kilku pierwszych wyrazach, tworząc tzw. wielomian Taylora Jest to zwykle doskonały sposób aproksymacji funkcji w pobliżu wybranego punktu Wielomian Taylora stopnia 1 daje znany nam wzór f x f a + f a x a

Pochodna numeryczna f x + h f x h f x + f x h + 1 2 f x h 2 f x h f x + O h f x + h f x h 2h f x + f x h + 1 2 f x h 2 f x f x h + 1 2 f x h 2 2h

Pochodna numeryczna f x + h f x h f x + f x h + 1 2 f x h 2 f x h f x + O h f x + h f x h 2h f x + f x h + 1 2 f x h 2 f x f x h + 1 2 f x h 2 2h

Pochodna numeryczna f x + h f x h f x + f x h + 1 2 f x h 2 f x h f x + O h f x + h f x h 2h dokładniejszy wzór f x + f x h + 1 2 f x h 2 f x f x h + 1 2 f x h 2 2h f (x) + O(h 2 )

Dygresja: notacja O(h) dla h 0 Zapis f x + h f x h 2h f (x) + O(h 2 ) Oznacza, że błąd przybliżenia jest rzędu h 2 (np. 10h 2 lub mniejszy (np. 5h 3 ) w granicy bardzo małych h (h 0) (w praktyce ten zapis podaje dokładny rząd wielkości)

Przykłady notacji O(h) dla h 0 O(1): 1, π, 100 (ale też h, h 2, ) O(h): h, 20h, h + h 2 (ale też h 2, h 3, ) O(h 2 ): h 2, 5h 2, 0.01h 2 + h 3 (ale też h 3 ) O(h n ) oznacza wielkość o wartości bezwzględnej mniejszej niż c h n dla pewnego c > 0 i dostatecznie małego h Notacja O służy do identyfikacji czynnika wiodącego wyrażenia w odpowiedniej granicy