Plakaten `Pas på snitterne`
Transcription
Plakaten `Pas på snitterne`
Emneopgave 2011 Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel Differentialregning Emneopgave - Matematik A GSK Sommer 2011 Side 1 af 13 21-07-2011 Emneopgave 2011 Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel Indhold Anvendelse af differentialregning ..................................................................................................................... 3 Differentialkvotient ........................................................................................................................................... 4 Oversigt over regneregler.................................................................................................................................. 5 Grundprincippet ................................................................................................................................................ 5 Gennemgang af beviset for differentiation af produktet af to funktioner ....................................................... 7 Gennemgang af bevis for differentiation af brøkfunktion ................................................................................ 8 Differentialregningens anvendelse i en standard funktionsanalyse ................................................................. 9 Gennemførelse af standard funktionsanalyse. ............................................................................................... 11 Definitionsmængden ........................................................................................................................... 11 Skæringspunkter med x aksen/ nulpunkter ........................................................................................ 11 Fortegnsvariation for f(x)..................................................................................................................... 11 Monotoniforhold ................................................................................................................................. 11 Ekstrema for f ...................................................................................................................................... 12 Værdimængde for f ............................................................................................................................. 12 Graf for funktionen f(x)=x3-9x , x [-2;4] .................................................................................................. 13 Side 2 af 13 21-07-2011 Emneopgave 2011 Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel Anvendelse af differentialregning Differentialregning anvendes til at finde hældningen i et bestemt punkt x til en funktion. Differentialregning kan bruges til at bestemme monotoniforhold, vendetangenter, ekstrema osv. I praksis bruges differentialregning til mange forskellige ting, hvilket ses i følgende eksempler. Eks 1. Hastighed: På grafen til venstre ses at hvis f er tilbagelagt vej som funktion af tiden, er f´ netop hastigheden i punktet x. Differentialregning har desuden stor betydning i økonomiske spørgsmål, idet man ofte gerne vil finde et optimalt udbytte af en funktion. Eks 2. På ovenstående figur ses høstudbyttet, som en funktion f af en produktionsfaktor x (kunstgødning). Når f´(x)=0 får vi det bedste høstudbytte. Side 3 af 13 21-07-2011 Emneopgave 2011 Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel Differentialkvotient På nedenstående figur ses grafen for en funktion f, dens sekant og tangent i punktet (x, f(x)). Målet med at bestemme differentialkvotienten er, at vi derved kan finde forskriften, (og dermed hældningen) til tangenten, altså den differentierede funktion af f. Sekanten er en ret linje, som skærer grafen i to punkter. Vi kan ikke finde hældningen til tangenten, idet vi kun har et punkt. Vi indtegner sekanten for at vise, at tangenten opstår som grænsen for sekanten, når h 0. Differenskvotienten (= sekantens hældningskoefficient), findes vha. følgende formel: as f ( x h) f x h Hvis vi lader h gå mod 0, nærmer sekanten sig tangenten, og vi kan definere differentialkvotienten, som den grænseværdi, som differenskvotienten nærmer sig til, når h nærmer sig 0. Dette kan skrives: Side 4 af 13 21-07-2011 Emneopgave 2011 f ( x) Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel lim f ( x h) f x h0 h Oversigt over regneregler Den ikke differentierede Den differentierede f ( x) ax 2 f ( x) a f ( x) 2ax f ( x) x n ( f g )( x) f ( x) nx n1 ( f g )( x) f ( x) g ( x) f ( x) e x f ( x) e x 1 f ( x) x0 x f ( x) a x ln a ( f g )( x) f ( x) g ( x) (k f )( x) = k f (x) ( f g )( x) f ( x) g ( x) f ( x) g ( x) ( f ( g ( x))) f ( g ( x)) g ( x) f f ( x) g ( x) f ( x) g ( x) ( x) ( g ( x)) 2 g f ( x) ax b f ( x) ln( x) x0 f ( x) a x ( f g )( x) (k f )( x) ( f g )( x) ( f g )( x) f ( g ( x)) f g Grundprincippet I de efterfølgende afsnit kalder vi ∆x for h. Grundprincippet i beviserne er, at man indsætter funktionen i formlen: f ( x) lim f ( x h) f ( x) h0 h Sætning 1. Funktionen f, givet ved: har differentialkvotient: Side 5 af 13 21-07-2011 Emneopgave 2011 Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel Bevis: f ( x) lim a( x h) b (ax b) h0 h minus parentesen hæves, og a ganges ind i parentesen f ( x) lim ax ah b ax b h0 h f ( x) lim ah lim aa h0 h h0 Så differentialkvotienten er altså a. a er hældningen på en ret linje. Sætning 2: Funktionen f, givet ved: Har differentialkvotienten: Bevis: f ( x) lim a( x h) 2 ax 2 h0 h f ( x) lim a( x 2 h 2 2 xh) ax 2 h0 h f ( x) lim ah 2 2axh h0 h f ( x) lim ah 2ax 2ax h0 f ( x) lim a( x h) 2 ax 2 h0 h Så differentialkvotienten er altså 2ax Side 6 af 13 21-07-2011 Emneopgave 2011 Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel Gennemgang af beviset for differentiation af produktet af to funktioner Sætning: Funktionen f er givet ved: (f∙g)(x) Og har differentialkvotienten: (f∙g)´(x) = f´(x) ∙ g(x) + f(x) ∙ g´(x) Bevis: ( f g )( x) lim f g x h f g ( x) h0 h ( f g )( x) lim f x h g x h f x g x h0 h f(x+h) ∙ g(x) lægges nu til og trækkes fra igen. ( f g )( x) lim f x h g x h f x g x f x h g x f x h g x h0 h Der rykkes rundt på leddene ( f g )( x) lim f x h g x h f x h g x f x h g x f ( x) g ( x) h0 h f(x+h) sættes udenfor en parentes, og g(x) sættes uden for en parentes. ( f g )( x) lim f ( x h)( g ( x h) g ( x)) g ( x)( f ( x h) f ( x)) h0 h h f(x+h) og g(x) rykkes ned. ( f g )( x) lim lim g ( x h) g ( x ) f ( x h) f ( x ) f ( x h) g ( x) Vink: h 0 h h h 0 Da f er kontinuert er: ( f g )( x) f ( x) lim g ( x h) g ( x) lim f ( x h) f ( x) g ( x) h 0 h 0 h h Side 7 af 13 21-07-2011 Emneopgave 2011 Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel ( f g )( x) f ( x) g ( x) g ( x) f ( x) Så kan vi nu bytte rundt på leddene, så de står som i vores påstand: ( f g )( x) f ( x) g ( x) f ( x) g ( x) Differentialkvotienten til et produkt af to funktioner er givet ved, den første differentieret gange den anden udifferentieret plus den første udifferentieret gange den anden differentieret. Gennemgang af bevis for differentiation af brøkfunktion Sætning: Funktionen f er givet ved: f f ( x) ( x) g ( x) g og har differentialkvotienten: f f ( x) g ( x) f ( x) g ( x) ( x) ( g ( x)) 2 g Bevis: f g f ( x h) f ( x ) lim g ( x h) g ( x) ( x) h0 h Tælleren sættes på fælles brøkstreng. Der forlænges med g(x) og g(x+h). f g f ( x h) g ( x ) f ( x ) g ( x h) lim g ( x h) g ( x ) ( x) h0 h Vi omskriver brøken: lim f ( x h) g ( x) f ( x) g ( x h) f ( x) h0 g ( x h) g ( x ) h g Man kan lægge til og trække fra som man vil. Så her lægger vi f(x)g(x) til og trækker dem fra igen. Side 8 af 13 21-07-2011 Emneopgave 2011 Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel lim f ( x h) g ( x) f ( x) g ( x) f ( x) f ( x h) f ( x) g ( x) f ( x) h0 g ( x h) g ( x ) h g Så finder vi fælles faktorer som her er g(x) og f(x), og sætter dem uden for en parentes. lim g ( x)( f ( x h) f ( x)) f ( x)( g ( x h) g ( x)) f ( x) h0 g ( x h) g ( x ) h g Vi dele med h i både nævner og tæller f g lim g ( x) ( x) h0 f ( x h) f ( x ) g ( x h) g ( x ) f ( x) h h g ( x h) g ( x ) Vi evaluerer grænseværdien af hvert led og sætter lim ind foran de to brøker i tælleren og i nævneren. Da g(x) og f(x) ikke ændres når h0. f ( x) g Da vi ved at g ( x) lim f ( x h) f ( x) lim g ( x h) g ( x) f ( x) h0 h0 h h lim g ( x h) g ( x ) h0 f ( x) lim f ( x h) f x h0 h kan vi udskifte udtrykket med f´(x) og g´(x). Da g er kontinuert er: og derfor er: og vi får : f g ( x) f ( x) f ( x) g ( x) ( x) ( g ( x)) 2 g Differentialkvotienten til en brøkfunktion er altså nævneren udifferentieret gange tælleren differentieret minus tælleren udifferentieret gange nævneren differentieret, det hele divideret med nævneren i anden. Side 9 af 13 21-07-2011 Emneopgave 2011 Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel Differentialregningens anvendelse i en standard funktionsanalyse Funktionsanalyser beskriver i hovedtræk en funktion f’s karakteristika i form af følgende oplysninger: Definitionsmængden for f, Dm (f). o Grafens udstrækning målt på x-aksen. Nulpunkter for f. o Skæringspunkter med x-aksen. Fortegnsvariation for f. o Beskrivelse af grafens beliggenhed i forhold til x-aksen. Monotoniforhold for f. o Beskriver hvornår f er voksende eller aftagende. Globale og lokale ekstrema for f. o Punkter på grafen, som ligger højest eller lavest (maksimum eller minimum). Vendetangent-punkter for f o Punkter på grafen, hvor krumningen skifter fra konkav (f’(x) er aftagende) til konveks (f’(x) er voksende) eller omvendt. En vendetangent skærer desuden igennem grafen i røringspunktet. Vendetangenten findes ved at finde den dobbelte afledtes f´´(x) nulpunkter. Værdimængde for f, Vm(f). o Grafens udstrækning målt på y-aksen Evt. asymptoter bestemmes ved brøkfunktioner o Dvs. rette linier, som grafen f nærmer sig til. Der findes lodrette, vandrette og/eller skrå asymptoter. Differentialregningen i funktionsanalysen anvendes, når vi ved beregning ønsker at bestemme monotoniforhold, ekstrema og vendetangenter, da den grafiske metode ofte er for upræcis. Formålet med at bestemme ovenstående karakteristika er, at de anvendt i økonomiske problemtyper bl.a. kan fortælle os noget om produktions-, omkostnings- og overskudsfunktioner, herunder gennemsnitsprodukt, grænseprodukt (GP), de samlede enhedsomkostninger (SE), de variable enhedsomkostninger (VE), grænseomkostningerne (GROMK), den langsigtede og den kortsigtede prisundergrænse mm. Side 10 af 13 21-07-2011 Emneopgave 2011 Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel Gennemførelse af standard funktionsanalyse. , x 2 : 4 f ( x) x 3 9 x Definitionsmængden Dm( f ) 2 : 4 Skæringspunkter med x aksen/ nulpunkter f ( x) 0 x3 9x 0 x x2 9 0 Nulreglen benyttes: x0 . x2 9 0 d (0) 2 4 1 9 d 36 0 36 2 1 x3 x 3 x x=-3 kasseres da den ligger uden for vores Dm( f ) 2 : 4 Fortegnsvariation for f(x) I intervallet [-2;0] på x aksen er f(x) > 0 I intervallet [0;3] på x aksen er f(x) < 0 I intervallet [3;4] på x aksen er f(x) > 0 Monotoniforhold først differentieres f(x) til f ’(x) = 3x 2 9 f ( x) 0 3x 2 9 0 3x 2 9 x2 3 x 3 Side 11 af 13 21-07-2011 Emneopgave 2011 Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel f er voksende i [-2;-√3+ f er aftagende i [-√3;√3+ f er voksende i *√3;4+ Ekstrema for f Af monotoniforholdene for f, kan vi finde: f(-√3)=(-√3)3-9∙(-√3) f(-√3)=10,4 Så vi har et lokalt maksimum i (-√3,10,4) f(√3)=(√3)3-9∙(√3) f(√3)= -10,4 Så vi har lokalt (og globalt) minimum i (√3,-10,4) Værdimængde for f Vm(f)=[-10,4;28] Det globale minimum for grafen er f(√3) = -10,4, og Det globale maksimum for grafen er f(4)=28 Vendetangenten Vi finder vendetangenten ved at finde den dobbelte afledtes nulpunkter: X har altså vendetangent i punktet (0,0) Side 12 af 13 21-07-2011 Emneopgave 2011 Matematik A GSK- HHX Maria, Stine, Mikkel Graf for funktionen f(x)=x3-9x , x [-2;4] Side 13 af 13 21-07-2011