Matematyka dla biologów Zajęcia nr 6.

Podobne dokumenty
Ciągi liczbowe wykład 3

Ciagi liczbowe wykład 4

Wykład 8. Informatyka Stosowana. 26 listopada 2018 Magdalena Alama-Bućko. Informatyka Stosowana Wykład , M.A-B 1 / 31

a 1, a 2, a 3,..., a n,...

Wykład 7. Informatyka Stosowana. 21 listopada Informatyka Stosowana Wykład 7 21 listopada / 27

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

7. CIĄGI. WYKŁAD 5. Przykłady :

WYKŁAD Z ANALIZY MATEMATYCZNEJ I. dr. Elżbieta Kotlicka. Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki

Pojęcie szeregu nieskończonego:zastosowania do rachunku prawdopodobieństwa wykład 1

Finanse i Rachunkowość studia niestacjonarne Wprowadzenie do teorii ciągów liczbowych (treść wykładu z 21 grudnia 2014)

S n = a 1 1 qn,gdyq 1

Analiza matematyczna. 1. Ciągi

Przykładami ciągów, które Czytelnik dobrze zna (a jeśli nie, to niniejszym poznaje), jest ciąg arytmetyczny:

Matematyka i Statystyka w Finansach. Rachunek Różniczkowy

Dlaczego nie wystarczają liczby wymierne

Wykład 7: Szeregi liczbowe i potęgowe. S 1 = a 1 S 2 = a 1 + a 2 S 3 = a 1 + a 2 + a 3. a k

WYKŁAD 3. DYNAMIKA ROZWOJU

jest ciągiem elementów z przestrzeni B(R, R)

Czym jest ciąg? a 1, a 2, lub. (a n ), n = 1,2,

Funkcje: wielomianowa, wykładnicza, logarytmiczna wykład 2

Matematyka. Justyna Winnicka. Na podstawie podręcznika Matematyka. e-book M. Dędys, S. Dorosiewicza, M. Ekes, J. Kłopotowskiego.

O liczbach niewymiernych

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 3

Funkcja wykładnicza kilka dopowiedzeń

Funkcje: wielomianowa, wykładnicza, logarytmiczna wykład 3

Notatki z Analizy Matematycznej 2. Jacek M. Jędrzejewski

Rozdział 4. Ciągi nieskończone. 4.1 Ciągi nieskończone

Modelowanie wybranych pojęć matematycznych. semestr letni, 2016/2017 Wykład 10 Własności funkcji cd.

Ciągi liczbowe. Zbigniew Koza. Wydział Fizyki i Astronomii

14a. Analiza zmiennych dyskretnych: ciągi liczbowe

Szeregi liczbowe. Analiza Matematyczna. Alexander Denisjuk

Temat: Liczby definicje, oznaczenia, własności. A n n a R a j f u r a, M a t e m a t y k a s e m e s t r 1, W S Z i M w S o c h a c z e w i e 1

Szeregi o wyrazach dodatnich. Kryteria zbieżności d'alemberta i Cauchy'ego

Metody numeryczne I Równania nieliniowe

Rozdział 5. Szeregi liczbowe. 5.1 Szeregi liczbowe. Definicja sumy częściowej ciągu. Niech dany będzie ciąg liczbowy (a n ) n=1.

SZEREGI LICZBOWE I FUNKCYJNE

Ciągi. Granica ciągu i granica funkcji.

Jarosław Wróblewski Matematyka Elementarna, lato 2012/13. Czwartek 28 marca zaczynamy od omówienia zadań z kolokwium nr 1.

Systemy liczbowe. 1. Przedstawić w postaci sumy wag poszczególnych cyfr liczbę rzeczywistą R = (10).

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

EGZAMIN, ANALIZA 1A, , ROZWIĄZANIA

Zajęcia nr. 3 notatki

Matura z matematyki na poziomie rozszerzonym

Analiza matematyczna 1 - test egzaminacyjny wersja do ćwiczeń

Korzystając z własności metryki łatwo wykazać, że dla dowolnych x, y, z X zachodzi

Matematyka ZLic - 2. Granica ciągu, granica funkcji. Ciągłość funkcji, własności funkcji ciągłych.

Znaleźć wzór ogólny i zbadać istnienie granicy ciągu określonego rekurencyjnie:

III. Funkcje rzeczywiste

Krzysztof Rykaczewski. Szeregi

Szeregi funkcyjne. Szeregi potęgowe i trygonometryczne. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Blok V: Ciągi. Różniczkowanie i całkowanie. c) c n = 1 ( 1)n n. d) a n = 1 3, a n+1 = 3 n a n. e) a 1 = 1, a n+1 = a n + ( 1) n

Egzamin z Analizy Matematycznej I dla Informatyków, 28 I 2017 Część I

Przykładowe zadania z teorii liczb

Klasa 1 technikum. Poniżej przedstawiony został podział wymagań na poszczególne oceny szkolne:

Analiza matematyczna Analiza zmiennych dyskretnych: ciągi i szeregi liczbowe

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

granicą ciągu funkcyjnego (f n ) n N W symbolicznym zapicie fakt, że f jest granicą ciągu funkcyjnego (f n ) n N możemy wyrazić następująco: ε>0 N N

Arytmetyka. Działania na liczbach, potęga, pierwiastek, logarytm

Rozdział 6. Ciągłość. 6.1 Granica funkcji

Zdzisław Dzedzej. Politechnika Gdańska. Gdańsk, 2013

5. Logarytmy: definicja oraz podstawowe własności algebraiczne.

Analiza matematyczna i algebra liniowa Wprowadzenie Ciągi liczbowe

Matematyka dla biologów Zajęcia nr 6.

WYRAŻENIA ALGEBRAICZNE

Funkcje rzeczywiste jednej. Matematyka Studium doktoranckie KAE SGH Semestr letni 2008/2009 R. Łochowski

4. Postęp arytmetyczny i geometryczny. Wartość bezwzględna, potęgowanie i pierwiastkowanie liczb rzeczywistych.

Jarosław Wróblewski Matematyka Elementarna, zima 2013/14. Czwartek 21 listopada zaczynamy od omówienia zadań z kolokwium nr 2.

CIĄGI wiadomości podstawowe

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Lista zagadnień omawianych na wykładzie w dn r. :

Prawa wielkich liczb, centralne twierdzenia graniczne

ZADANIE 1 Ciag (a n ), gdzie n 1, jest rosnacym ciagiem geometrycznym. Wyznacz wartość największa 2xa 6 a 2 a 4 a 3 x 2 a 3 a 6. ZADANIE 2 ZADANIE 3

Technikum Nr 2 im. gen. Mieczysława Smorawińskiego w Zespole Szkół Ekonomicznych w Kaliszu

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Zbiory liczbowe i funkcje wykład 1

Spis treści. 1 Macierze Macierze. Działania na macierzach Wyznacznik Macierz odwrotna Rząd macierzy...

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI KLASA III ZAKRES ROZSZERZONY (90 godz.) , x

Wykłady 11 i 12: Całka oznaczona

Podstawowe struktury algebraiczne

Jarosław Wróblewski Matematyka Elementarna, zima 2012/13

Elementy metod numerycznych

Ciągi liczbowe. - oznacza, że a(1) = a 1, a(2) = a 2, a(n) = a n a 1, a 2, a 3, a 4,... a n a(n) a n

Ciągi. Kurs matematyki w Oratorium (

Uniwersyteckie Koło Matematyczne - Tajemnicza liczba e.

Rodzinę F złożoną z podzbiorów zbioru X będziemy nazywali ciałem zbiorów, gdy spełnione są dwa następujące warunki.

zdarzenie losowe - zdarzenie którego przebiegu czy wyniku nie da się przewidzieć na pewno.

E-learning - matematyka - poziom rozszerzony. Granice ciągów. Materiały merytoryczne do kursu

Czym jest liczba π? O liczbie π. Paweł Zwoleński. Studenckie Koło Naukowe Matematyków Wydział Matematyczno-Fizyczny Politechnika Śląska

Definicja odwzorowania ciągłego i niektóre przykłady

Granice ciągów liczbowych

Układy liniowo niezależne

Pojęcie funkcji. Funkcje: liniowa, logarytmiczna, wykładnicza

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /14

OPIS MODUŁ KSZTAŁCENIA (SYLABUS)

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

Aproksymacja diofantyczna

MATEMATYKA e - pokazy dla szkół ponadgimnazjalnych w zakresie rozszerzonym

E-learning - matematyka - poziom rozszerzony. Funkcja wykładnicza. Materiały merytoryczne do kursu

Transkrypt:

Matematyka dla biologów Zajęcia nr 6. Dariusz Wrzosek 13 listopad 2017 Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 1 / 33

Analiza matematyczna Przez kilka wykładów będziemy omawiać podstawowe pojęcia analizy matematycznej. Główne pojęcia analizy to pochodna funkcji i całka. Sa one niezbędne do konstruowania i analizy modeli matematycznych we wszystkich naukach przyrodniczych i społecznych. Geneza tych pojęć wywodzi się z próby opisu zjawisk fizycznych i sięga wieku XVII. Tematy: 1 Ciagi i ich granice, szeregi nieskończone 2 Ciagłość funkcji, pochodna funkcji i jej zastosowania 3 Całka i jej zastosowania Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 2 / 33

Granica ciagu Dlaczego zajmujemy się ciagami liczb? Wyobraźmy sobie, że śledzimy przebieg jakiegoś procesu, którego stan jest określony w ustalonych chwilach czasu np. co minutę co godzinę co rok itp. Może to być stężenie jakiejś substancji mierzone co godzinę albo stan jakiejś populacji mierzony co rok. Chwilom czasu przyporzadkowane sa zatem pewne liczby. Z matematycznego punktu widzenia to jest właśnie ciag liczb. Jest wiele powodów by rozważać ciagi o nieskończonej liczbie wyrazów. Pojawiaja się naturalne pytania czy ciag jest ograniczony? czy jest okresowy albo oscylujacy? czy jest liczba do której zbliżaja się wyrazy tego ciagu tzn. czy istnieje jego granica? Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 3 / 33

Granica ciagu Po co nam nieskończoność? Skoro wszystko co możemy zmierzyć jest skończone po co zajmować się nieskończonościa. Sa co najmniej dwa ku temu powody: liczby niewymierne takie jak π albo 2 maja w zapisie dziesiętnym nieskończenie wielu cyfr po przecinku i nie da się tego zredukować bez utraty informacji, można je tylko przybliżać. jeśli interesuje nas przewidywanie stanu do którego daży jakiś proces w długiej perspektywie czasowej to wygodnie jest przyjać, że czas daży do nieskończoności i szukać jego granicy, bo sa metody matematyczne służace do przechodzenia do granicy w nieskończoności i w konsekwencji pojęcie nieskończoności staje się wygodnym i praktycznym narzędziem. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 4 / 33

Granica ciagu Ciag liczbowy i jego granica Definicja Ciagiem elementów z X nazywamy funkcję określona na dowolnym podzbiorze A zbioru liczb naturalnych o wartościach w X, czyli: A n a(n) = a n X. Zajmiemy się ciagami nieskończonymi tzn. gdy zbiór A ma nieskończenie wiele elementów. Wyobraźmy sobie, że wyrazy ciagu reprezentuja stany jakiegoś procesu fizycznego w kolejnych chwilach n = 0, 1, 2.... Jeżeli stany te przyjmuja z czasem wartości coraz bliższe pewnego stanu granicznego, do którego proces daży, to matematyczna idealizacja tego typu zjawiska jest właśnie pojęcie zbieżności ciagu do granicy. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 5 / 33

Granica ciagu Definicja granicy ciagu nieskończonego Rozważymy najprostszy przypadek gdy X = i przypomnijmy, że wtedy odległość pomiędzy punktami x i y równa jest d(x, y) = x y. Definicja Element g X jest granica ciagu {a n } n=0 w.t.w. gdy dla dowolnie wybranej liczby ε > 0 istnieje liczba N, taka że Piszemy wtedy i mówimy, że ciag {a n } n=0 a n g < ε. dla n > N. lim a n = g, jest zbieżny/daży do g. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 6 / 33

Granica ciagu g + ε 1 g + ε 2 g g ε 2 g ε 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Dla ε 1 mamy N = 8, natomiast dla ε 2 mamy N = 15. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 7 / 33

Granica ciagu Jeśli z ciagu zbieżnego usuniemy dowolna skończona liczbę wyrazów, nie zmieni to granicy ciagu. Twierdzenie Ciag może mieć co najwyżej jedna granicę. Definicja (Rozbieżność ciagu) Ciag, który nie ma granicy nazywamy ciagiem rozbieżnym Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 8 / 33

Granica ciagu Ciag okresowy Definicja (Ciag okresowy, ciag stały) Ciag {a n } n=0 nazywamy ciagiem okresowym jeżeli istnieje liczba T 2 taka, że a n+t = a n dla każdego n 0. Gdy T = 1 ciag nazywamy ciagiem stałym. Ciag okresowy jest rozbieżny np. ciag c n = ( 1) n o okresie 2 przyjmuje wartość 1, gdy n jest liczba parzysta oraz 1 w przeciwnym przypadku. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 9 / 33

Granica ciagu Przyklad Granica ciagu {a n } + n=1 = { 1 n }+ n=1 jest 0, co zapisujemy 1 lim n = 0. By to wykazać wystarczy dla dowolnej liczby ε > 0 znaleźć N, takie że dla n > N zachodzi 1 n 0 = 1 n < ε. Każda liczba N 1 1 spełnia ten warunek. Na przykład dla ε = ε 10 wystarczy wziać N = 10, bo wtedy 1 n < 1 10 dla wszystkich n > 10. Jeśli wybierzemy ε = 1 520 to wystarczy wziać N = 520 itd. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 10 / 33

Definicja Podstawy analizy matematycznej Granica ciagu Ciag {a n } + n=0 jest rozbieżny do + w.t.w. gdy dla dowolnego R > 0 istnieje N, takie że dla wszystkich n > N a n > R. Piszemy wtedy lim a n = +. Ciag {a n } n=0 jest rozbieżny do w.t.w gdy ci ag { a n} n=0 jest rozbieżny do +. Fakt Jeśli lim a 1 n = +, to lim = 0. a n Przykłady lim nk = +, gdy k > 0; lim nk = 0, gdy k < 0; lim bn = +, gdy b > 1; lim bn = 0, gdy b < 1;. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 11 / 33

Granica ciagu Podstawowe twierdzenia Twierdzenie Ciag liczbowy {a n } n=0, który jest ograniczony (czyli istnieje liczba M, taka że dla każdego n a n < M) i niemalejacy lub nierosnacy jest zbieżny do pewnej liczby g, takiej że g M. W przypadku ciagu nierosnacego jego granica jest największa z liczb ograniczajacych ciag {a n } n=0 od dołu. Liczbę ta nazywamy kresem dolnym zbioru wszystkich wyrazów ciagu. W przypadku ciagu niemalejacego ta granica jest najmniejsza z liczb ograniczajacych ciag {a n } n=0 od góry. Ta liczbę nazywamy kresem górnym zbioru wszystkich wyrazów ciagu. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 12 / 33

Granica ciagu Ciag a n = 1 1 n 1 0,9 0,75 0,5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 13 / 33

Ciag a n = 1 ( 1)n n 1.5 Granica ciagu 1,25 1,1 1 0,9 0,75 0,5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Nie jest nierosnacy ani niemalejacy. Jego wyrazy zbiegaja do granicy (równej 1) oscylacyjnie, tzn. przyjmuja wartości na przemian mniejsze lub większe od 1. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 14 / 33

Granica ciagu Stała Eulera ( Ciag 1 + 1 ) n jest rosnacy i ograniczony przez liczbę 3. Zatem ma n granicę. Wartość można przyjać jako definicję stałej Eulera oznaczanej przez e, ( lim 1 + 1 ) n = e. n Jest to liczba, która jest podstawa logarytmu naturalnego. Jest ona niewymierna, a jej przybliżona wartość wynosi e 2,718. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 15 / 33

Definicja Podstawy analizy matematycznej Granica ciagu Podciagiem danego ciagu {a n } n=0 nazywamy dowolny nieskończony ci ag wyrazów wybranych z ciagu {a n } n=0, z zachowaniem ich porz adku występowania. Na przykład: podciagiem ciagu {a n } n=0 jest ci ag {a 2n} n=0 składaj acy się tylko z wyrazów o numerach parzystych. Twierdzenie Jeżeli ciag jest zbieżny do pewnej liczby, to wszystkie jego podciagi zbiegaja do tej samej liczby. Przykład Ciag: a n = 5 + ( 1)n n 1 a 2n = 5 + 1 2n, 2 a 2n+1 = 5 1 2n + 1,. Widać, że lim a n = 5. Podciagi: lim a 2n = 5 lim a 2n+1 = 5 Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 16 / 33

Granica ciagu Własności arytmetyczne granicy ciagu Twierdzenie Przy założeniu, że istnieja granice ciagów lim b n = b spełnione sa następuj lim (a n + b n ) = a + b lim (a n b n ) = a b lim (a nb n ) = ab lim lim a n = a oraz ace równości a n b n = a b, o ile b, b n 0 Wszystkie te własności wynikaja bezpośrednio z definicji. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 17 / 33

Granica ciagu Obliczanie granicy ciagu Znajdziemy 5n + 3 lim 7n + 2. W tym celu dzielimy licznik i mianownik przez n i dostajemy 5n + 3 lim 7n + 2 = lim 5 + 3 n 7 + 2 n ( ) lim 5 + 3 n = ( ) = 5 lim 7 + 2 7. n W przypadku wyrażeń wymiernych (takich jak wyżej) wystarczy porównać najszybciej rozbieżne (= o najwyższym wykładniku) wyrazy z licznika i mianownika: 3n 4 + 2n lim 4n 4 + 4 = lim 3n 4 4n = 4 lim 3 4 = 3 4. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 18 / 33

Granica ciagu Zajmijmy się teraz ciagami zadanymi rekurencyjnie, czyli za pomoca pewnej zależności (funkcji), która określa kolejny (n + 1) wyraz ciagu, jeśli znamy poprzedni (n) wyraz. Mamy dany pierwszy wyraz ciagu a 1, pewna funkcję f oraz zależność a n+1 = f(a n ). Tak zadane ciagi pojawiaja się w naturalny sposób w modelach matematycznych. Funkcja f określa prawo, według którego jakiś układ przechodzi od stanu a n do stanu a n+1 w jednym kroku czasowym. Takie modele nosza nazwę modeli z czasem dyskretnym. Rozpatrzmy przykład populacji, której stanem w sezonie n jest liczebność lub zagęszczenie (liczba osobników na jednostkę powierzchni lub objętości). Wtedy funkcja f opisuje wpływ rozrodczości i śmiertelności oraz innych czynników na stan tej populacji po upływie jednego sezonu. Jest jasne, że różne populacje będa wymagały uwzględnienia nieco innych funkcji w ramach tego schematu. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 19 / 33

Ciag arytmetyczny i ciag geometryczny Ciag arytmetyczny Zadany jest rekurencyjnie przez funkcję f(x) = x + r, czyli a n+1 = a n + r. Liczbę r nazywamy różnica ciagu arytmetycznego. Własności ciagu arytmetycznego a n = a 1 + (n 1)r dla n 1, a n = a n 1 + a n+1 2 S n = a 1 + a 2 + + a n = lim a n = +, jeśli r > 0, lim a n =, jeśli r < 0 n i=1 a i = n a 1 + a n, 2 Jeśli kule bilardowe ułożyć w stos, to liczba kul w kolejnych warstwach opisana jest ciagiem arytmetycznym. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 20 / 33

Ciag arytmetyczny i ciag geometryczny Ciag geometryczny Zadany jest rekurencyjnie przez funkcję f(x) = qx. a n+1 = q a n. Liczbę q nazywamy ilorazem ciagu geometrycznego. Własności i możliwe granice ciagu geometrycznego a n = a 1 q n 1, dla n 1 1 q n S n = a 1, dla q 1 1 q lim a n = +, jeśli q > 1 i a 1 > 0 lim a n =, jeśli q > 1 i a 1 < 0, lim a n = 0, jeśli q < 1, lim a n nie istnieje, jeśli q 1. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 21 / 33

Ciag arytmetyczny i ciag geometryczny Model populacyjny z czasem dyskretnym. Założenia pewien gatunek zwierzat rozmnaża się jeden raz w roku; młode sa zdolne do rozrodu w następnym roku; Liczby x 1, x 2, x 3,... oznaczaja liczebności populacji samic w kolejnych latach, x n liczebność samic w sezonie n. Na stan populacji w n + 1 roku wpływa jedynie śmiertelność i rozrodczość w poprzednim sezonie; Samica ma średnio r potomków płci żeńskiej (średnio 60% całego miotu); Część s samic dożywa do następnego roku, s (0, 1]. Liczebność/zagęszczenie populacji samic w sezonie n + 1 wynosi x n+1 = s ( x n + r x n ) = s(1 + r)x n, Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 22 / 33

Ciag arytmetyczny i ciag geometryczny Model populacyjny z czasem dyskretnym. Założenia pewien gatunek zwierzat rozmnaża się jeden raz w roku; młode sa zdolne do rozrodu w następnym roku; Liczby x 1, x 2, x 3,... oznaczaja liczebności populacji samic w kolejnych latach, x n liczebność samic w sezonie n. Na stan populacji w n + 1 roku wpływa jedynie śmiertelność i rozrodczość w poprzednim sezonie; Samica ma średnio r potomków płci żeńskiej (średnio 60% całego miotu); Część s samic dożywa do następnego roku, s (0, 1]. Liczebność/zagęszczenie populacji samic w sezonie n + 1 wynosi x n+1 = s ( x n + r x n ) = s(1 + r)x n, Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 22 / 33

Ciag arytmetyczny i ciag geometryczny Model populacyjny z czasem dyskretnym. Ciag rekurencyjny określajacy stan populacji można przedstawić jako x n+1 = s(1 + r)x n. albo inaczej rozdzielajac efekt śmiertelności (strata) od rozrodczości i przeżywalności młodych (zysk) Interpretacja parametrów : x n+1 = x n (1 s)x n + srx n. (1 s) śmiertelność (per capita), bo (1 s)x n określa całk. stratę, r rozrodczość (per capita) tzn. liczba młodych samic w jednym miocie, sr liczba młodych przeżywajacych do kolejnego sezonu. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 23 / 33

Ciag arytmetyczny i ciag geometryczny Zagęszczenie populacji opisuje ciag geometryczny, a zatem x n = x 1 (s(1 + r)) n 1. Czyli los populacji zależy od tego, czy q = s(1 + r) 1 albo równoważnie od znaku wielkości (1 s) + sr określajacej różnicę między śmiertelnościa i rozrodczościa (uwzględniajac a przeżywalność młodych przez jeden sezon) 1 Jeśli s(1 + r) < 1, czyli śmiertelność jest zbyt duża lub rozrodczość zbyt mała, to i populacja wymiera. lim x n = 0 2 Jeśli s(1 + r) > 1, to zagęszczenie populacji wzrasta nieograniczenie. lim x n = + Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 24 / 33

Ciag arytmetyczny i ciag geometryczny Stan całej populacji p n w n-tym sezonie wynosi (jeśli przyjmiemy, że w pierwszym roku samice stanowiły 60% całej populacji) x n 0,6, gdyż w każdym miocie jest 60% samic. Uwaga: To jest bardzo uproszczony model, który można rozbudowywać na wiele sposobów uwzględniajac np. zróżnicowanie przeżywalności młodych przez pierwszy sezon od przeżywalności pozostałych osobników, migrację osobników albo odłów, strukturę populacji np. wiekowa, wpływ konkurencji i przegęszczenia populacji wtedy np. r malałoby wraz ze wzrostem liczebności (model nieliniowy). Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 25 / 33

Szeregi liczbowe Paradoks dychotomii Rozpatrzmy zagadnienie postawione przez starożytnego filozofa Zenona z Elei (490-430p.n.e.), który przedstawił cztery argumenty przeciw ruchowi twierdzac, że byt jest niezmienny. Oto jeden z nich dotyczacy tzw. dychotomii. Paradoks: ruch jest niemożliwy Jeśli jakiś przedmiot znajdowałby się w ruchu i miał przebyć jakaś drogę to najpierw musiałby pokonać połowę tej drogi potem połowę reszty i.t.d (stad nazwa dychotomia). Jakkolwiek tedy mała jest droga, która musi pokonać przedmiot zawsze musi przebyć nieskończona ilość odcinków a tego przecież w skończonym czasie dokonać niepodobna. Ruch zatem jest niemożliwy. d długość drogi, która ma pokonać przedmiot. Czy dodanie do siebie nieskończenie wielu składników d 2 + d 2 + d 2 2 +... 3 ma Matematyka jakiś sens dla biologów i czy ta suma jest rzeczywiście Zajęcia 6. nieskończona? 13 listopada 2017 26 / 33

Szeregi liczbowe Paradoks dychotomii Rozpatrzmy zagadnienie postawione przez starożytnego filozofa Zenona z Elei (490-430p.n.e.), który przedstawił cztery argumenty przeciw ruchowi twierdzac, że byt jest niezmienny. Oto jeden z nich dotyczacy tzw. dychotomii. Paradoks: ruch jest niemożliwy Jeśli jakiś przedmiot znajdowałby się w ruchu i miał przebyć jakaś drogę to najpierw musiałby pokonać połowę tej drogi potem połowę reszty i.t.d (stad nazwa dychotomia). Jakkolwiek tedy mała jest droga, która musi pokonać przedmiot zawsze musi przebyć nieskończona ilość odcinków a tego przecież w skończonym czasie dokonać niepodobna. Ruch zatem jest niemożliwy. d długość drogi, która ma pokonać przedmiot. Czy dodanie do siebie nieskończenie wielu składników d 2 + d 2 + d 2 2 +... 3 ma Matematyka jakiś sens dla biologów i czy ta suma jest rzeczywiście Zajęcia 6. nieskończona? 13 listopada 2017 26 / 33

Szeregi liczbowe d 2 + d 2 2 + d 2 3 +... Długości dróg przebytych w kolejnych etapach tworza ciag geometryczny a 1 = d 2, a 2 = d 2 1 2, a 3 = d 2 1 2 1 2,... o ilorazie q = 1 2 i pierwszym wyrazie d 2. Zgodnie ze wzorem na sumę wyrazów ciagu geometrycznego obliczamy drogę przebyta po n etapach 1 q n S n = a 1 1 q = d ( ) 1 1 2 n 2 1 1. 2 Po przejściu do granicy dostajemy lim S n = d. Nie ma tu żadnego paradoksu przedmiot pokona cała drogę o długości d, a więc starożytny filozof nie miał racji. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 27 / 33

Szeregi liczbowe d 2 + d 2 2 + d 2 3 +... Długości dróg przebytych w kolejnych etapach tworza ciag geometryczny a 1 = d 2, a 2 = d 2 1 2, a 3 = d 2 1 2 1 2,... o ilorazie q = 1 2 i pierwszym wyrazie d 2. Zgodnie ze wzorem na sumę wyrazów ciagu geometrycznego obliczamy drogę przebyta po n etapach 1 q n S n = a 1 1 q = d ( ) 1 1 2 n 2 1 1. 2 Po przejściu do granicy dostajemy lim S n = d. Nie ma tu żadnego paradoksu przedmiot pokona cała drogę o długości d, a więc starożytny filozof nie miał racji. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 27 / 33

Szeregi liczbowe Szereg liczbowy Pojęcie szeregu liczbowego nadaje sens sumie nieskończonej liczby składników. Jeśli wyrazy szeregu oznaczymy przez a 1, a 2,..., to szereg zapisujemy następujaco a n = a 1 + a 2 + a 3 +... + a n +.... Definicja n=1 Mówimy, że szereg jest zbieżny do liczby g, jeśli ciag sum częściowych szeregu, czyli ciag n S n = jest zbieżny do g, czyli lim S n = g. k=1 a k Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 28 / 33

Szeregi liczbowe Warunek konieczny zbieżności szeregu Twierdzenie Warunkiem koniecznym zbieżności szeregu jest to, aby ciag jego wyrazów był zbieżny do 0. Dowód. Oznaczmy a n = S n S n 1. Skoro zakładamy, że dany szereg jest zbieżny do jakiegoś g, to zarówno lim S n = g, jak też lim S n 1 = g. Zatem lim a n = g g = 0. Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 29 / 33

Szeregi liczbowe Warunek z poprzedniego slajdu nie jest wystarczajacy! Okazuje się, że jeśli wyrazy szeregu nie zbiegaja do 0 dostatecznie szybko to szereg jest rozbieżny Przykład Wyrazy tzw. szeregu harmonicznego 1 n zbiegaj a do 0, ale szereg ten n=1 jest rozbieżny do +, gdyż można sprawdzić, że S 2 n+1 n 2, a wtedy lim S 2n+1 lim n 2 = +, czyli ciag sum częściowych zawiera podciag rozbieżny do nieskończoności, sam zatem również jest rozbieżny. 1 + 1 2 + 1 3 + 1 4 } {{ } 2 1 4 = 1 2 + 1 5 + 1 6 + 1 7 + 1 } {{ 8 } 4 1 8 = 1 2 + 1 9 + 1 10 + + 1 15 + 1 16 } {{ } 8 1 16 = 1 2 + Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 30 / 33

Szeregi liczbowe O ile q < 1, to szereg potęgowy, który zapisujemy jako + n=1 q n 1 jest zbieżny oraz (ze wzoru na sumę wyrazów ciagu geometrycznego) q n 1 = 1 + q + q 2 1 q n +... = lim 1 q = 1 1 q. n=1 Każda liczba rzeczywista z przedziału (0, 1) jest granica pewnego szeregu, który w systemie pozycyjnym dziesiętnym zapisujemy k=1 d k 10 k, gdzie d k sa liczbami całkowitymi od 0 do 9. Zapisujemy wtedy 0, d 1 d 2 d 3... Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 31 / 33

Szeregi liczbowe W systemie dwójkowym wykorzystywanym np. do komputerowej reprezentacji liczb mamy b k 2, k k=1 gdzie b k przyjmuja wartość 0 lub 1. Dowolna liczbę w systemie dziesiętnym możemy przedstawić jako sumę części całkowitej zapisanej na l miejscach przed przecinkiem i ułamkowej złożonej na ogół z nieskończenie wielu cyfr znaczacych po przecinku l d k 10 k d + k + 10 = k k=0 k=1 k= l d k 10 k. Przykład 0.33333(3) = 3 10 ( 1 + 1 10 + 1 ) 10 +... = 3 ( ) 1 2 10 1 1 = 3 10 10 9 = 1 3 10 Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 32 / 33

Szeregi liczbowe Stała Eulera Stała Eulera e można także przedstawić jako sumę następujacego szeregu e = 1 + 1 + 1 2 + 1 2 3 + 1 + 2 3 4 +... = 1 n! Przykłady kolejnych wartości silni n=0 2! = 2, 4! = 24, 6! = 720, 8! = 40 320, 10! = 3 628, 800, 3! = 6, 5! = 120, 7! = 5 040, 9! = 362 880, 11! = 39 916 800 Matematyka dla biologów Zajęcia 6. 13 listopada 2017 33 / 33