Tehniška matematika (TM3a)
Transcription
Tehniška matematika (TM3a)
Tehniška matematika 3a Eksponentna enačba in pravokotni trikotnik Avtorji: Gordana Radić, Peter Kitak, Tine Zorič 1 Uvod V tretjem nadaljevanju Tehniške matematike, ki je v Elektrotehniški reviji (ER) izšla novembra 2014, smo • zapisali definicijo logaritma; • predstavili lastnosti logaritmiranja; • vpeljali Pitagorov izrek; • definirali kotne funkcije v pravokotnem trikotniku. Eksponentna in logaritemska funkcija sta elementarni funkciji, ki ju v naravi najdemo na vseh mogočih poljih, zato bomo v nadaljevanju izpostavili nekaj primerov in vas prepričali, da sta ti funkciji resnično pomembni. Več bomo povedali tudi o lastnostih eksponentne funkcije, saj smo se v reviji osredotočili zgolj na logaritemsko funkcijo. Ne bomo pa pozabili niti na kotne funkcije, ki jih bomo razširili na poljuben kot, medtem ko smo se v ER osredotočili zgolj na ostre kote. 2 Eksponentna funkcija Eksponentna funkcija je realna funkcija s predpisom f (x) = ax kjer je a > 0 in a 6= 1. Izbrano število a imenujemo osnova in glede na osnovo a je graf eksponentne funkcije naslednji: 1 Iz obeh grafov lahko vidimo, da je eksponentna funkcija vedno pozitivna, medtem ko je funkcija naraščajoča za osnovo večjo od ena (a > 1) in padajoča za osnovo manjšo od ena (0 < a < 1). Kot smo posredno povedali že v reviji, je v tehniki najpomembnejša eksponentna x funkcija, ki ji izberemo za osnovo število e. Torej, to sta funkciji f (x) = ex in f (x) = e−x = 1e . Z naslednjim zgledom si poglejmo, kako določimo funkcijski predpis eksponentne funkcije. √ 1 x Zgled. Zapiši predpis eksponentne funkcije f (x) = a , ki poteka skozi točko T − 2 , 55 . Graf funkcije poteka čez točko T , zato mora zadoščati pogoju √ 1 5 = a− 2 . 5 Očitno bo potrebno določiti osnovo a, zato enačbo preoblikujemo √ 5 1 = 1 a2 √5 5 1 = √ 5 a √ √ Da se znebimo ulomkov, enačbo množimo s 5 a (s tem številom lahko množimo, saj je a 6= 0): √ √ √ 5· a = 5 √ \: 5 √ a = √55 · √55 √ √ √ a = 5 5 5 = 5 Torej, a = 5 in je zato funkcijski predpis iskane funkcije enak f (x) = 5x . Primeri. (1) Zapiši predpis eksponentne funkcije f (x) = ax , če graf poteka čez presečišče premic y = −2x+5 in 3x − y + 15 = 0. Rešitev: Naloga spominja na zgled, le da je točko, čez katero poteka funkcija, še potrebno izračunati. Torej, poiščimo presečišče premic. y −2x + 5 −2x − 3x −5x x = = = = = y 3x + 15 15 − 5 10 −2 \ : (−5) Vsaka točka v ravnini je podana z dvema koordinatama, zato določimo še y koordinato y = −2x + 5 = −2 · (−2) + 5 = 4 + 5 = 9 Izračunali smo, da graf funkcije poteka čez točko T (−2, 9). Na povsem enak način kot v zgledu 1 dobimo, da je osnova enaka in je 3 x 1 f (x) = = 3−x . 3 2 (2) Zapiši predpis eksponentne funkcije f (x) = b · ax + c, ki ustreza pogojem f (0) = 4, f (1) = 3 in f (2) = 1. Rešitev: Najprej upoštevajmo pogoje in poglejmo kaj dobimo • f (0) = 4 : 4 = b · a0 + c oziroma 4 = b + c • f (1) = 3 : 3 = b · a1 + c oziroma 3 = ba + c • f (2) = 1 : 1 = b · a2 + c Dobimo tri enačbe s tremi neznakami, zato z odštevanjem prve in druge enačbe eliminirajmo število c: 1 = b − ba oziroma 1 = b(1 − a), nato pa ponovno z odštevanjem prve in tretje enačbe eliminiramo c: 3 = b − ba2 oziroma 3 = b(1 − a2 ). Ker smo v obeh primerih eliminirali isto konstanto, smo dobili dve enačbi z dvema neznakama, ki pa ju znamo rešiti. b = b 1 3 = 1−a 1 − a2 Enačbo lahko pomnožimo z 1 − a2 = (1 − a)(1 + a), saj je 1 − a2 6= 0. Seveda zaradi tega, ker je a 6= 1 in a 6= −1. 1+a = 3 a = 2. Potem pa je 1 1 1 = = = −1. 1−a 1−2 −1 Na koncu izračunamo še c iz prvega pogoja b= c = 4 − b = 4 − (−1) = 4 + 1 = 5. Tako smo dobili, da je funkcijski predpis iskane eksponentne funkcije f (x) = −2x + 5. 2.1 Eksponentna enačba Preden se lotimo reševanja eksponentnih enačb, je potrebno poznati pravila za računanje s potencami. Če sta a in b poljubni pozitivni realni števili ter x in y realni števili, potem je (i) ax · ay = ax+y - če sta osnovi enaki, se potenci seštejeta (ii) ax : ay = ax−y - če sta osnovi enaki, se potenci odštejeta (iii) (ax )y = ax·y (iv) (ab)x = ax · bx x x (v) ab = abx 3 (v) a0 = 1 in a−x = 1 ax Eksponentna enačba se imenuje eksponentna, ker neznanke nastopajo v eksponentu. Če sta a in b različni realni števili, potem lahko rešujemo naslednje oblike eksponentnih enačb. (i) Če sta na levi in desni strani enačbe eksponentni funkciji z isto osnovo, potem morata biti eksponenta nujno enaka af (x) = ag(x) ⇒ f (x) = g(x) (ii) Če sta na levi in desni strani enačbe eksponentne funkcije eksponenta enaka, vendar sta njuni osnovi različni, potem je nujno eksponent enak 0. af (x) = bf (x) ⇒ f (x) = 0 (iii) Če se eksponentni funkciji na levi in desni strani enačbe razlikujeta tako v osnovi kot v eksponentu, bomo za reševanje potrebovali logaritme, ki jih bomo definirali v naslednjem poglavju, zato bomo tudi to obliko enačbe reševali šele v naslednjem razdelku. Primeri. Reši enačbe. (1) 2x−1 = 45 Rešitev: Sumimo, da lahko vse zapišemo z osnovo 2. 5 2x−1 = 22 2x−1 = 22·5 2x−1 = 210 Dobimo prvo obliko enačbe, zato je x − 1 = 10 oziroma x = 11. (2) 3 3x−7 2 = 1 27 Rešitev: Sumimo, da se da vse zapisati z osnovo 3. 3x−7 3 2 = 313 3x−7 3 2 = 3−3 Dobimo prvo obliko enačbe, zato je 3x − 7 2 3x − 7 3x x = −3 = −6 = 1 = 13 4 \·2 0,8x 5 64 (3) = 4 125 Rešitev: Ker nastopata v osnovi tako število 4 kot število 5, sumimo, da bosta eksponenta enaka 54 x 5 43 = 3 4 5 4 x 4 55 43 3 x 5 \ · 5 · 4 = 4 3 x 5 5 4 4 4 5 5 x · 53 = 43 · 4 5 x 4 4 53+ 5 x = 43+ 5 x 4 15 Dobimo drugo obliko enačbe, zato je 3 + x = 0 oziroma x = − . 5 4 (4) 3 · 36x−3 = 3 Rešitev: Najprej so nam trojke odveč“, zato lahko enačbo preprosto s tem delimo ” 36x−3 = 1 36x−3 = 360 Dobimo prvo obliko enačbe, zato je x − 3 = 0 oziroma x = 3. √ 4 2x−5 2 3 = (5) 8 16 Rešitev: Sumimo, da se da vse zapisati z osnovo 2. 1 3 2 24 = 4 2 1 = 2 4 −4 15 = 2− 4 2x−5 3 3· 2x−5 2 3 22x−5 Dobimo prvo obliko enačbe, zato je 2x − 5 = − (6) 25 x+1 15 5 oziroma x = . 4 2 √ 3 25 =√ √ 5· 65 Rešitev: Sumimo, da se da vse zapisati z osnovo 5. 1 2 x+1 5 = 52(x+1) = 2x+2 (52 ) 3 1 53 2 53 5 = 1 52x+2 = 50 Torej je 2x + 2 = 0 oziroma je x = −1. 5 1 5 22 · 5 6 (7) e x−1 2 e2 =√ e Rešitev: Vse lahko zapišemo z osnovo e. e x−1 2 e x−1 2 = e2 1 e2 2− 12 = e Dobimo prvo obliko enačbe, zato je x−1 = 32 2 x−1 = 3 x = 4 (8) 4x+1 + 4x = 320 Rešitev: Ker imamo v enačbi seštevanje, vsa zgoraj navedana pravila odpadejo. Zato enačbo poskusimo preoblikovati tako, da seštevanja več ne bo. Seštevanja se znebimo z operacijo izpostavljanja. 4x · 4 + 4x = 320 4x (4 + 1) = 320 4x · 5 = 320 \:5 x 4 = 64 4x = 43 Dobimo prvo obliko eksponentne enačbe, zato je x = 3. (9) 11x+2 − 2 · 11x = 1309 Rešitev: Ponovno se moramo znebiti odštevanja, zato poglejmo ali se bo dalo kaj izpostaviti. 11x · 112 − 2 · 11x 11x (112 − 2) 11x · 119 11x = = = = 1309 1309 1309 11 \ : 119 Torej, x = 1. (10) 2x−4 + 3 · 2x−2 − 2x−1 = 20 Rešitev: Navadno izpostavimo število z najmanjšim eksponentom, saj je računanje v tem primeru najenostavnejše. 2x−4 + 3 · 2x−4 · 22 − 2x−4 · 23 2x−4 (1 + 3 · 22 − 23 ) 2x−4 · 5 2x−4 2x−4 Dobimo, da je x − 4 = 2 oziroma x = 6. 6 = = = = = 20 20 20 4 22 \:5 (11) 7x+2 + 2 · 7x−1 = 345 Rešitev: Ponovno bo potrebno nekaj izpostaviti. 7x−1 · 73 + 2 · 7x−1 7x−1 (73 + 2) 7x−1 · 345 7x−1 7x−1 = = = = = 345 345 345 1 70 Potem pa je x − 1 = 0 oziroma x = 1. 2.2 Logaritemska funkcija Logaritemska funkcija je funkcija, ki je inverzna eksponentni funkciji in ima predpis f (x) = loga x. Zaradi povezave z eksponentno funkcijo, število a še vedno imenujemo osnova, za katero velja, da je a > 0 in je a 6= 1. Da si bomo logaritemsko funkcijo lažje predstavljali, narišimo njen graf. Iz slike vidimo, da je logaritemska funkcija definirana zgolj za pozitivna realna števila in je naraščajoča, če je a > 1, ter padajoča za 0 < a < 1. Že v ER smo povedali, da so v preteklosti logaritemsko funkcijo uporabljali predvsem zato, da so z višje računske operacije prešli na nižjo računsko operacijo; danes pa je v tehniki pomembna predvsem za določanje neznanih eksponentov“ v eksponentni funkciji, saj velja zveza ” y = loga x ⇔ ay = x. Torej, za vsako pozitivno realno število x obstaja natanko eno število y, da je ay = x. Število x imenujemo logaritem z osnovo a števila x. Kljub temu, da obstaja kar nekaj pravil za računanje z logaritmi, si je z nastankom kalkulatorja smiselno zapomniti zgolj naslednje lastnosti: (i) loga 1 = 0 in loga a = 1 7 (ii) loga ax = x (iii) Ker večina kalkulatorjev pozna zgolj desetiške in naravne logaritem, si poglejmo, kako logaritem prevedemo na novo osnovo: loga x = log x log a ali loga x = ln x ln a Zgled. Reši enačbi. (i) log3 (2x + 5) = 1 Iz lastnosti (i) je takoj jasno, da je 2x + 5 = 3, kar pomeni, da je x = −1. (ii) log2x (x3 + 7x) = 3 Po definiciji logaritma je x3 + 7x = (2x)3 . Dobimo polinomsko enačbo, ki jo znamo rešiti. x3 + 7x 0 0 0 8x3 7x3 − 7x 7x(x2 − 1) 7x(x − 1)(x + 1) = = = = Očitno so rešitve te polinomske enačbe x = 0, x = 1 in x = −1. Ker pa je osnova logaritma, v tem primeru 2x, vedno pozitivno število, dve rešitvi takoj odpadeta. Tako je rešitev logaritemske enačbe x = 1. 2.3 Uporaba eksponentne in logaritemske funkcije V tem poglavju si bomo pogledali, kje vse lahko uporabimo eksponentno in logaritemsko funkcijo. Ker je teh primerov resnično preveč, jih bomo omenili le nekaj. Primeri. 1. Število bakterij v mleku se pri določeni temperaturi eksponentno povečuje. Podvoji se vsakih 45 minut. (a) Kolikokrat se število bakterij poveča v šestih urah? (b) Po kolikšnem času se število bakterij poveča desettisočkrat? (c) Kako se število bakterij spreminja s časom, če je na začetku b takih bakterij? Rešitev: Pomemben podatek je, da je vsakih 45 minut število bakterij podvojeno. Torej, enačba y = 2n , kjer je n število, ki pove kolikokrat je preteklo 45 minut v opazovanem času, opisuje kolikokrat se je število bakterij povečalo. (a) Ker je 6 ur = 8 · 45 minut, se je število bakterij v tem času povečalo za 28 = 256−krat. 8 (b) Iz enačbe 2n = 10000 dobimo, da je n = log2 10000 = log 10000 log 104 4 = = ' 13, 2877. log 2 log 2 log 2 Torej, čas, v katerem se bakterije povečajo desettisočkrat je enak n · 45 min = 13, 288 · 45 min = 597, 9465 min = 9, 97 ur. (c) Če je t čas v urah, potem je ob času t = 0 število bakterij b, zato moramo našo začetno funkcijo še pomnožiti z b. Zdaj pa zamenjajmo spremenljivko n s spremenljivko t, pri čemer je 3 45 h = h, 1n = 45 min = 60 4 zato je funkcija, ki opisuje število bakterij ob času t (v urah) enaka 3 y = b · 2 4 t. (2) Število radioaktivnih izotopov cezija se zmanjšuje eksponentno. Če je N0 število izotopov na začetku, je število izotopov v času t (v letih) enako t N (t) = N0 · 2− 33 . Kdaj se število izotopov zmanjša na polovico prvotnega števila? Rešitev: Zanima nas, v kolkšnem času t, je N (t) = N0 , zato 2 t N0 = N0 · 2− 33 2 1 t = 2− 33 2 \ : N0 Dobimo eksponentno enačbo, kjer vidimo, da lahko vse osnove zapišemo z osnovo 2. t 2−1 = 2− 33 Potem pa je −1 = − 33 = t t 33 Torej, čez 33 let se bo število radioaktivnih izotopov cezija zmanjšalo za pol. (3) Če nek živ organizem vsebuje 16 g izotopa C 14 , koliko (a) izotopa C 14 ta organizem vsebuje po 5715 letih? (b) let je star organizem, ki vsebuje le še 4 grame izotopa C 14 ? Rešitev: Z ugotavljanjem razpada izotopa 14 arheologi določajo starost organizma. C 14 se nahaja v tkivih živih organizmov in s smrtjo prične razpadati. Z matematično funkcijo C(t) = A · e−0,000121t 9 določimo količino ogljika C, če je začetna vsebnost ogljika v organizmu A. V našem primeri, je bilo na začetku v tkivu 16 gramov izotopa C 14 , zato količino ogljika po t letih določimo s funkcijo C(t) = 16 · e−0,000121t (a) Vemo, da je t = 5715 let, zato je ogljika v tem mrtvem organizmu še C(5715) = 16 · e−0,000121·5715 ' 8 gramov. (b) Podano imamo vsebnost ogljika, torej 4 = 16 · e−0,000121t 1 1 = e0,000121t 4 e0,000121t = 4 0, 000121t = ln 4 ln 4 t = 0, 000121 \ : 16 \ : 0, 000121 Torej, organizem je star približno t = 11457 let. (4) Neka banka ponuja za vezavo evrov 2, 5% obresti letno; obresti pripisuje letno. (a) Koliko denarja bo imel vlagatelj po treh letih, če je vložil 2400 EUR? (b) Po kolikšnem času bo dobil vlagatelj iz začetnega zneska 15 000 EUR znesek 17 395,40 EUR? Rešitev: Obrazec, po katerem računamo velikost zneska pri vezavi pri letnem obrestovanju po n letih je G(n) = G0 1 + p n 100 , kjer je G0 začetna anuiteta in p letna obrestna mera v %. Na opisani banki bodo torej velikost zneska računalo po obrazcu n 2, 5 = G0 · 1, 025n . G0 (n) = G0 1 + 100 (a) Po treh letih bomo na banki imeli G(3) = 2400 · 1, 0253 ' 2584, 54 EUR. (b) Znane podatke vstavimo v enačbo in dobimo, da je 17395, 4 1, 16 log1,025 1, 16 log 1, 16 1, 025 = 15000 · 1, 025n = 1, 025n = n = n Toliko denarja bomo imeli čez približno 6 let. 10 \ : 15000 (5) Na Zemlji je trenutno 7 milijard ljudi in ocenjena rast prebivalstva je 1, 1%? (a) Koliko prebivalcev bo na Zemlji čez 10 let? (b) Čez koliko let bo na Zemlji 8 milijard ljudi? Rešitev: Z eksponentno funkcijo lahko opišemo tudi rast prebivalstva, če vemo začetno število prebivalstva, ki jo označujemo N0 , prirastek, ki ga označimo s k in število let, za katero računamo spremembo, ki ga označimo s t. Potem je N (t) = N0 · ekt . Na Zemlji so ti podatki znani, zato verjetno število prebivalcev računamo po formuli N (t) = 7 · e0,011t . (a) Čez deset let bo na Zemlji verjetno N (10) = 7 · e0,011·10 = 7 · e0,11 = 7, 81 milijard ljudi. (b) Da bomo izračunali čez koliko časa bo na Zemlji 8 milijard ljudi, bo potrebno rešiti enačbo 8 = 7 · e0,011t 8 = e0,011t 78 ln 7 = 0, 011t ln 78 = t 0, 011 Na Zemlji bo 8 milijirad ljudi čez 12, 14 let oz. čez približno 12 let 1 mesec in 20 dni. (6) Učitelj v srednji šoli razloži snov in drugo uro sledi spraševanje. Koliko odstotkov pravilnih odgovorov bo imel Jure, če se ni učil, če je šel skozi snov trikrat in koliko bo imel pravilnih odgovorov, če je šel skozi snov desetkrat? Rešitev: Psihologi so eksperimentalno dokazali, da s funkcijo f (x) = 0,8 1+e−0,2x določimo relativni delež (odstotke) pravilnih odgovorov na postavljene probleme, če vprašanje prej x krat ponovimo. Tako bomo imeli (a) brez ponovitve f (0) = 0, 4 = 40% pravilnih odgovorov; (b) s tremi ponovitvami f (3) = 0,8 1+e−0,2·3 (c) z desetimi ponovitvami f (10) = = 0, 52 = 52% pravilnih odgovorov in 0,8 1+e−0,2·10 = 0, 70 = 70% pravilnih odgovorv. (7) V nekem trenutku je v radioaktivnem vzorcu 1012 atomov. Razpolovilni čas jeder je 30 dni. Izračunajte število jeder po 70 dneh. Rešitev: Zmanjševanje števila jeder radioaktivnega elementa opišemo z enačbo 11 −t t N = N0 · 2 0,5 , kjer je N0 število jeder na začetku, N število jeder po času t in t0,5 čas, v katerem se število jeder zmanjša na polovico začetne vrednosti. Za izračun uporabimo zgornjo formulo 70dni N = 1012 · 2− 30dni = 2, 0 · 1011 Po 70 dneh je v vzorcu še 2, 0 · 1011 jeder. (8) S seizmogramom smo zaznali 107 krat večjo jakost potresa, kot je jakost še komaj zaznavnega potresa. Kolikšna je bila stopnja potresa po Richtarjevi lestvici? Rešitev: Richterjeva lestvica za merjenje jakosti potresnih sunkov je predstavljena v spodnji tabeli: Učinki potresa potresa se ne čuti, zaznajo pa ga inštrumenti rahlo nihanje, ki ga zaznajo le občutljivi ljudje tresenje kot ga povzroči tovornjak tresenje povzroča nihanje visečih predmetov drevesa šelestijo, zazvonijo cerkveni zvonovi pokanje sten, odpada omet promet obstane, podirajo se dimniki slabo grajene stavbe se podrejo zemlja razpoka, podre se večina stavb, plinovodi, el. vodi in vodovodi poškodovani obstane le nekaj stavb, požari, poplave, plazovi popolno uničenje, tla so vzvalovana in razpokana Moč potresa < 3, 5 3, 5 − 3, 9 4, 0 − 4, 4 4, 5 − 4, 9 5, 0 − 5, 4 5, 5 − 5, 9 6, 0 − 6, 4 6, 5 − 6, 9 7, 0 − 7, 4 7, 5 − 7, 9 >8 Richterjeva lestvica je podana z logaritemsko funkcijo R = log II0 , kjer je I0 jakost komaj zaznavnega potresa in I jakost potresa, ki jo zazna seizmogram in jo izračuna z I0 . Uporabimo to enačbo, v katero vstavimo I = 107 · I0 . Potem je R = log 107 · I0 = log 107 = 7. I0 Torej, jakost potresa je bila 7. stopnje. (9) Določi glasnot zvoka v decibelih, če je jakost zvoka j = 0, 1 mW2 . Rešitev: Občutljivost ušesa za zvok je približno logaritemsko odvisna od jakosti zvoka, zato je glasnost zvoka (G) v decibelih podana z enačbo G = 10 log jj0 , 12 kjer je j jakost zvoka in j0 = 10−12 mW2 jakost zvoka, ki ga še komaj slišimo oziroma meja slišnosti. Vrednosti glasnosti zvoka v dB so predstavljena v spodnji tabeli. Izvor zvoka Glasnost v dB meja slišnosti 0 šelestenje listja 10 šepetanje 20 normalni pogovor 60 promet v mestu 70 sesalnik za prah 80 Niagarski slapovi 90 maksimalna glasnost slušalk za poslušanje glasbe 100 koncert tik pod odrom, strela 110 meja bolečine 130 vzlet reaktivnega letala 140 poškodba, udrtje bobniča, jok modrega kita 160 Uporabimo formulo za izračun glasnosti zvoka v dB: G = 10 log 10−1 0, 1 = 10 log −12 = 10 log 10−1+12 = 10 log 1011 = 10 · 11 = 110. 10−12 10 Glasnost zvoka je bila 110 dB. 3 Pravokotni trikotnik Pravokotni trikotnik je tisti trikotnik, v katerem en kot meri 90◦ . Stranico nasproti tega kota imenujemo hipotenuza, ostali stranici pa sta kateti. Navadno oglišče pri kotu 90◦ označimo s črko C in hipotenuzo z c. Zavedati se je treba, da je pravokotni trikotnik enostaven objekt, vendar je kljub temu v njem moč zapisati ogromno zvez, ki jih danes poznamo pod različnimi imeni. 13 3.1 Višinski izrek Višina trikotnika, ki poteka iz oglišča C proti hipotenuzi (označimo jo vc ), hipotenuzo razdeli na dva dela. Del pod kateto a označimo z a1 in del pod kateto b z b1 . Pri tem sta daljici a1 in b1 projekciji katet a in b na hipotenuzo. Tako je c = a1 + b 1 Ugotovimo, da so koti v modrem in oranžnem trikotniku enaki, zato sta trikotnika ∆AV C in ∆CV B podobna. Potem pa je b1 vc = . vc a1 Iz tega takoj dobimo višinski izrek, ki se glasi vc2 = a1 · b1 Ta izrek pove, da je kvadrat višine na hipotenuzo enak produktu projekcij katet na hipotenuzo. √ Uporabljamo ga predvsem za konstrukcijo daljic z dolžino x, kjer je x ∈ N. Zgled. Skonstruiraj daljico dolžine √ 8 enot. Ker je 8 = 4 · 2, narišimo krožnico premera 4 + 2 = 6 enot. Talesov izrek pravi, da je vsak trikotnik z dolžino hipotenuze 8 enot in ogliščem C na krožnici pravokotni trikotnik. Pomagajmo si z višinskim izrekom. Vemo, da je 8 = 4 · 2, zato hipotenuzo dolžine 6 enot razdelimo na dve stranico a1 = 4 enote in b1 = 2 enoti. V tem trikotniku potegnimo višino do krožnice, da dobimo še točko C. 14 Višinski izrek sedaj pravi, da je vc2 = a1 · b1 = 8 √ Torej, višina tega trikotnika meri 8 enot. 3.2 oziroma vc = √ 8. Evklidov izrek Še enkrat si poglejmo pravokotni trikotnik, kjer vc razdeli hipotenuzo na dva dela. Če dobro pogledamo, vidimo, da imamo na sliki tri podobne trikotnike; modrega ∆AV C, oranžnega ∆CV B in celotnega ∆ACB. Najprej upoštevajmo, da sta ∆AV C in ∆ACB podobna, nato pa še podobnost trikotnikov ∆CV B in ∆ACB. Dobimo, da je a a1 = a c in b1 b = . b c Odtod hitro izpeljemo, da je a2 = c · a1 in b2 = c · b1 Dobili smo, da je kvadrat katete enak produktu hipotenuze in√projekcije te katete nanjo. Tudi ta izrek se v glavnem uporablja za kostrukcijo daljic z dolžinami x, kjer je x ∈ N. Zgled. Iz c = 4 in a1 = 2 dobimo, da je a2 = c · a1 = 4 · 2 = 8. Narišimo polkrog premera 4 enot. Premer tega polkroga naj bo hipotenuza pravokotnega trikotnika. Na hipotenuzi označimo a1 = 2 enoti, nato pa potegnemo višino tega trikotnika vse do krožnice, da dobimo še točko C. 15 Evklidov izrek sedaj pravi, da je a2 = c · a1 = 8 3.3 oziroma a= √ 8. Pitagorejske trojke Pitagorov izrek lahko izpeljemo tudi s pomočjo Evklidovega izreka. Namreč, če oba Evklidova izreka seštejemo, dobimo a2 + b2 = c · a1 + c · b1 = c · (a1 + b1 ) = c · c = c2 . Kot smo povedali že v ER, je kvadrat hipotenuze v pravokotnem trikotniku enak vsoti kvadratov katet. Pri tem poljubna tri naravna števila, ki zadoščajo Pitagorovem izreku, imenujemo Pitagorejska trojka in jo označimo z (a, b, c). Ker Pitagorejske trojke v razreševanju pravokotnega trikotnika igrajo pomembno vlogo, je seveda zanimivo vprašanje, na kakšen način je mogoče do njih priti. Če nad poljubnima naravnima številoma n < m opravimo naslednje računske operacije a = m2 − n2 b = 2nm c = n2 + m2 je dobljena trojka števil (a, b, c) vedno Pitagorejska trojka. Ker je takih parov naravnih števil neskončno mnogo, je tudi Pitagorejskih trojk neskončno mnogo. Če sta n in m zaporedni naravni števili, je po zgornjem predpisu dobljena Pitagorejska trojka vedno originalna Pitagorejska trojka. Zato si v naslednji razpredelnici oglejmo, katere originalne Pitagorejske trojke dobimo z zaporedjem dveh zaporednih naravnih števil: n m 1 2 2 3 3 4 4 5 a b c 3 4 5 +2 +2 +8 5 12 13 +2 +12 +12 7 24 25 +2 +16 +16 9 40 41 +2 +20 +20 16 Zanimiva je ugotovitev, da se b in c v vsaki naslednji vrstici povečata za prejšnji prirastek +4, a pa v vsaki naslednji vrstici le za 2. Razlika c − b pa je vedno 1. Zgled. Po tabeli lahko za (n, m) = (5, 6) avtomatsko zapišemo (a, b, c) = (11, 60, 61). Če imata števili (n, m) = (xn0 , xm0 ) največji skupni delitelj x, velja, da je (a, b, c) = x2 · (a0 , b0 , c0 ), kjer je (a0 , b0 , c0 ) originalna Pitagorejska trojka za (n0 , m0 ). Zgled. Če je (n, m) = (4, 6) = (2 · 2, 2 · 3) je na osnovi zgornje razpredelnice takoj (a, b, c) = 22 · (a0 , b0 , c0 ) = 4 · (5, 12, 13) = (20, 48, 52). Če vsa števila v originalni Pitagorejski trojki pomnožimo z istim naravnim številom, je dobljena trojka ponovno Pitagorejska trojka. Tako velja 2 · (3, 4, 5) = (6, 8, 10), 3 · (3, 4, 5) = (9, 12, 15), itd. Prvo med zadnjimi Pitagorejskimi trojkami bi lahko dobili tudi iz (n, m) = (1, 3), kjer je a = m2 − n2 = 9 − 1 = 8 b = 2mn = 2 · 3 · 1 = 6 c = n2 + m2 = 9 + 1 = 10 Torej, ne velja vedno, da je a < b. Če števili a in b v Pitagorejski trojki zamenjamo, je dobljena trojka ponovno Pitagorejska trojka. Vse tako dobljene trojke imenujemo neoriginalne. Ker pa je za izračun pravokotnega trikotnika pomembno le to, da vrednosti stranic tvorijo Pitagorejsko trojko, originalnost in neoriginalnost v praktičnih izračunih ne igrata nobene vloge. 4 Kotne funkcije Vsako kotno funkcijo v drugem, tretjem in četrtem kvadrantu lahko izrazimo s kotno funkcijo iz prvega kvadranta. Ravno zaradi tega je koristno, da si nekatere vrednosti kotnih funkcij v prvem kvadrantu zapomnimo. α sin α cos α tan α cot α 0◦ 30◦ 1 0 √2 3 1 √2 3 0 3 √ +∞ 3 17 45◦ √ 2 √2 2 2 1 1 60◦ 90◦ √ 3 1 2 1 0 2 √ 3 +∞ √ 3 0 3 Pomembno je, da si zapomnimo te vrednosti za sinusne in kosinusne funkcije, saj sta z njima z tan α = sin α cos α in cot α = cos α 1 = sin α tan α določeni tudi ostali dve trigonometrični funkciji. V ER pa smo povedali tudi, da kotne funkcije najraje prikazujemo na enotski krožnici, saj pri danem kotu α lahko odčitamo vse kotne funkcije za izbrani kot. 4.1 Vrednosti kotnih funkcij za kote (90◦ − α) in (90◦ + α) Če je α ostri kot (0◦ < α < 90◦ ), je kot 90◦ − α še vedno ostri kot, zato se nahaja v prvem kvadrantu Iz slike je razvidno zaradi podobnih trikotnikov, da je sin (90◦ − α) = cos α in cos (90◦ − α) = sin α Naj bo α ponovno ostri kot. Potem je 90◦ + α topi kot (90◦ < α < 180◦ ), zato se nahaja v drugem kvadrantu. Poglejmo si kotne funkcije na enotski krožnici. 18 Očitno je spet iz podobnih trikotnikov sin (90◦ + α) = cos α 4.2 in cos (90◦ + α) = − sin α Kotne funkcije v ostalih kvadrantih Kot smo že napovedali, je moč tudi kote v tretjem in četrtem kvadrantu opisati s koti iz prvega kvadranta. Tako je Za kote simetrično položene glede na ordinato imajo sinusne funkcije enak predznak in kosinusne funkcije nasproten predznak. Za kote simetrično položene glede na absciso imajo pa sinusne funkcije nasproten predznak in kosinusne funkcije enak predznak. Danes je kalkulator osnovno orodje vsakega tehnika, zato se postavi vprašanje, ali je nujno vedeti kako kotne funkcije topih in vdrtih kotov izražamo z ostrimi koti. Za sam izračun kotne funkcije pri podanem kotu bi bil odgovor ne, vendar pa je za izpeljavo nekaterih trigonometričnih izrazov to nujno potrebno. Pri reševanju geometrijskih problemov je dobro poznati še (i) adicijske izreke - to so kotne funkcije vsote in razlike kotov; 19 (ii) vsote in razlike kotnih funkcij. Izpeljavo teh obrazcev bomo izpeljali v enem izmed prihajajočih nadaljevanj, saj še ne poznamo skalarnega produkta med vektorji. 4.3 Kvadrat sinusne funkcije V elektrotehniki igrajo sinusne funkcije izredno pomembno vlogo. Tako bo v izmeničnih tokokrogih imela sinusno obliko moč p, ki se bo vsak trenutek porabljala na ohmskem uporu R, in bo odvisna od kvadrata sinusne funkcije toka 2 p(t) = i2 (t) · R = Im · R · sin2 (ωt). Za razumevanje pojava moramo poznati tako fizikalno kot matematično ozadje kvadrata sinusne funkcije. Izhajamo iz dveh že znanih trigonometričnih odvisnosti: cos2 α + sin2 α = 1 cos2 α − sin2 α = cos(2α). in Če drugo enakost odšetejemo od prve, dobimo 2 sin2 α = 1 − cos(2α) oziroma sin2 α = 1 1 − cos(2α). 2 2 Če upoštevamo tole zvezo v izrazu za trenutno moč sinusnega toka na ohmskem uporu, dobimo p(t) = 2 2 Im · R Im ·R − · cos(2ωt) = P − P · cos(2ωt), 2 2 2 kjer je P = Im2·R . Potem pa trenutna vrednost moči sinusnega toka na ohmskem uporu niha z dvojno krožno frekvenco z amplitudo, ki je enaka povprečni vrednosti moči. 20 Literatura [1] si.openprof.com, dne 2. marca 2015. [2] www2.arnes.si, dne 2. marca 2015 [3] A. Robnik, et. al, Elementarne funkcije, kompleksna števila, DZS, Ljubljana, 2004. 21