Bilder från föreläsning 10-11
Transcription
Bilder från föreläsning 10-11
SF1625 Envariabelanalys Modul 4: Tillämpningar av derivata Lars Filipsson Institutionen för matematik KTH 23-27 november 2015 Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Några förmaningar Vi har nu kommit ungefär halvvägs i kursen. Påminnelse: 1. Ansvar. Det är ens eget ansvar att lära sig kursen. 2. Kursmål. Här står precis vad man ska kunna göra. 3. Tidsåtgång. Ett par timmar varje dag utöver undervisning. 4. Seminarier. Den som klarar seminarierna klarar nästan alltid tentan. Den som inte klarar semin klarar nästan aldrig tentan. 5. Sikta på C+. Den som siktar på betyg E får alltid F. 6. Räkna och Förklara. Att bli bra på att räkna är nödvändigt men inte tillräckligt. Se till att ni kan förklara! Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Översikt över några viktiga derivatatillämningar 1. Förändringstakt. Derivata mäter förändringstakt, till exemel (men inte bara) hastighet. 2. Linjär approximation. Två exempel på nya användningar: Newton-Raphson (ekvationslösning), L’Hopital (gränsvärden). 3. Max/min-problem. Derivata kan användas för hitta funktioners största och minsta värden. 4. Kurvritning. Derivatan ger underlag för att rita grafen y = f (x) och svara på en mängd frågor om f . Dessutom: vad säger andraderivatan? och asymptoter. 5. Taylors formel. Som linjär approximation fast med polynom av högre grad. Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Förändringstakt 1. Harmonisk svängning. En massa är upphängd i en fjäder enligt figur på tavlan. Avvikelsen från jämviktsläget (i meter) ges vid tiden t sekunder av π . y = 2 sin 3t − 3 Bestäm den maximala farten hos massan. 2. Vattenytan stiger. Ett tråg enligt figur på tavlan fylls med vatten i en takt av 1 kubikmeter per minut. Hur snabbt stiger vattenytan i det ögonblick då djupet är 1/2 meter? Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Tillämpningar av linjär approximation Linjär approximation f (x) ≈ f (a) + f 0 (a)(x − a) kan användas för att lösa ekvationer. Om man vill lösa ekvationen f (x) = 0, så kan man börja med att gissa ett startvärde x0 , göra linjär approximation kring x0 och ta reda på när den linjära approximationen blir 0. Med andra ord: Man ersätter ekvationen f (x) = 0 med ekvationen f (x0 ) + f 0 (x0 )(x − x0 ) = 0 och löser ut x. Man får x = x0 − f (x0 ) . f 0 (x0 ) Sedan kan man upprepa proceduren få en följd av successiva (och förhoppningsvis bättre och bättre) approximationer av lösningen. Detta är Newton-Raphsons metod (se kapitel 4.2): xn+1 = xn − Lars Filipsson f (xn ) . f 0 (xn ) SF1625 Envariabelanalys Tillämpningar av linjär approximation Linjär approximation f (x) ≈ f (a) + f 0 (a)(x − a) kan användas för att räkna ut gränsvärden. Säg att f och g är två gånger deriverbara och f (a) = g(a) = 0. Då får vi (efter felanalys): f (a) + f 0 (a)(x − a) f 0 (a)(x − a) f 0 (a) f (x) = lim = lim = . x→a g(a) + g 0 (a)(x − a) x→a g 0 (a)(x − a) x→a g(x) g 0 (a) lim Det här är en tillämpning av Taylors formel (egentligen behövs felanalys!). I bokens kapitel 4.3 står att läsa om l’Hopitals regel: f (x) f 0 (x) 0 lim = = lim 0 x→a g(x) x→a g (x) 0 som gäller under vissa förutsättningar på f och g. Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Arbete 1. Visa att ekvationen ex + 2x + 1 = 0 har exakt en lösning. Approximera lösningen genom att utgå från startvärdet x0 = 0 och göra en iteration av Newton-Raphsons metod. ln(1 + x) ex − 1 och lim . x x x→0 x→0 2. Beräkna gränsvärdena lim Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Teori om max och min Definition. Om f (a) ≥ f (x) för alla x i definitionsmängden så sägs f (a) vara f :s största värde, eller globalt maximum. Definition. Om det finns en omgivning I till a sådan att f (a) ≥ f (x) för alla x ∈ I som tillhör definitionsmängden till f , så sägs f (a) vara ett lokalt maximum till f . Och a sägs då vara en lokal maxpunkt. Motsvarande definitioner med ≤ ger betydelserna av globalt och lokalt minimum. Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Lokala extrempunkter Definition. En global extrempunkt är en punkt som antingen är en global maxpunkt eller en global minpunkt. Definition. En lokal extrempunkt är en punkt som antingen är en lokal maxpunkt eller en lokal minpunkt. Motsvarande definitioner görs för extremvärden. (Obs: terasspunkter är inte extrempunkter.) Definition. Om f 0 (a) = 0 så sägs a vara en kritisk eller stationär punkt till f . Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Gör så här! Hitta max och min: De enda punkter där f kan anta lokala/globala max/min är kritiska punkter, ändpunkter och punkter där derivata saknas. Obs. Det finns ingen garanti för att f har max/min! Det krävs alltid ett argument för detta! Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Arbete Uppgift 1. Avgör om g(x) = xe−2x , −1 < x < 1, antar något största respektive minsta värde. Vad är de i så fall? Uppgift 2. Avgör om h(x) = x − arccos x antar något största respektive minsta värde. Vad är de i så fall? Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys En gammal tentauppgift Dagens tentaproblem. Låt f (x) = e−x sin x. A. Bestäm alla kritiska (stationära) punkter till funktionen f . B. Avgör vilka av de kritiska punkterna som är lokala maxpunkter. Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Kurvritning Låt f vara given av f (x) = ln x . Skissa grafen y = f (x). x (Skissa grafen betyder: bestäm definitionsmängden för f , finn f 0 (x) och ange var f är deriverbar. Hitta derivatans nollställen och gör ett teckenschema för derivatan. Bestäm med hjälp av detta var f är strängt växande resp strängt avtagande och hitta alla lokala och globala extrempunkter. Beräkna ev intressanta gränsvärden, i det här fallet gränsvärdena när x går mot ±∞. Kontrollera var grafen skär koordinataxlarna. Rita kurvan.) Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Svarar på massor av frågor ln x . Med hjälp av det arbete x vi gjorde då kan vi nu svara på massor av frågor om f : Nyss skissade vi grafen till f (x) = Vad är f :s största resp minsta värde? Vad är värdemängden till f ? Är det sant att f (x) ≤ 1 för alla x? Hur många lösningar har ekvationen f (x) = 1/10? Hur många lösningar har ekvationen f (x) = −1/10? För denna typ av frågor krävs oftast en komplett derivataundersökning av funktionen. Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Andraderivatans betydelse Konvexitet. Om man tar två punkter på funktionsgrafen och drar en linje genom dem – ligger då grafen mellan punkterna alltid över eller under linjen, oavsett vilka punkter man väljer? Under: konvex. Över: konkav. Andraderivatan. Om f 00 (x) > 0 för alla x i ett intervall I så är f konvex i I. Om f 00 (x) < 0 för alla x i ett intervall I så är f konkav i I. Uppgift: Undersök om f (x) = ex , g(x) = ln x och h(x) = x 2 är konvexa eller konkava. Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Arbete Uppgift: Hur lång tid tar det att hoppa från 10 meter på Eriksdalsbadet? (Tips: vad är accelerationen? Gör antaganden om verkligheten, ställ upp en matematisk modell och räkna ut svaret på frågan.) Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Asymptoter En asymptot är en linje som funktionsgrafen kommer hur nära som helst. Det finns tre fall: 1. Lodrät. Om limx→a± f (x) = ±∞ så är linjen x = a en lodrät asymptot. 2. Vågrät. Om limx→±∞ f (x) = L så är linjen y = L en vågrät asymptot. 3. Sned. Om limx→±∞ (f (x) − ax − b) = 0 så är linjen y = ax + b en sned asymptot. Uppgift: Finn alla asymptoter till y = x + Lars Filipsson x x2 − 1 SF1625 Envariabelanalys Dagens tentaproblem 1. Betrakta funktionen f som ges av f (x) = xe1/x . A. Bestäm definitionsmängden till f . B. Beräkna de fyra gränsvärdena limx→±∞ f (x) och limx→0± f (x) C. Bestäm alla lokala extrempunkter till f . D. Skissa med hjälp av ovanstående kurvan y = f (x) 2. Visa olikheten ln (cos x) + x tan x ≥ x 2 /2, då −π/2 < x < π/2 , till exempel genom att studera funktionen f given av f (x) = ln (cos x) + x tan x − x 2 /2. Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Feltermen i linjär approximation Linjär approximation. Om f är deriverbar i a så gäller att f (x) ≈ f (a) + f 0 (a)(x − a), för x nära a. Nu ska vi undersöka vad ”nära” egentligen betyder! Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Feltermen i linjär approximation Sats. Om f är 2 gånger deriverbar i ett intervall som innehåller a och x så gäller för något c mellan a och x att f 00 (c) (x − a)2 . 2! Alltså: Felet i den linjära approximationen, dvs skillnaden mellan f (x) och f (a) + f 0 (a)(x − a), är precis f (x) = f (a) + f 0 (a)(x − a) + f 00 (c) (x − a)2 . 2! för något tal c mellan x och a. Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Upp till Bevis! Bevis av feltermen i linjär approximation. Vi söker felet i approximationen f (x) ≈ f (a) + f 0 (a)(x − a). Nu är alltså x fixerat. Vi hittar på en ny funktion g som beror på t och ges av g(t) = f (t)−f (a)−f 0 (a)(t −a)− f (x) − f (a) − f 0 (a)(x − a) (t −a)2 . (x − a)2 Man kollar lätt att g(a) = 0 och g(x) = 0. Då finns enligt medelvärdessatsen en punkt b mellan a och x sådan g 0 (b) = 0. Nu kan vi upprepa samma resonemang för funktionen g 0 , dvs g 0 (a) = 0 och g 0 (b) = 0, så det måste finnas en punkt c mellan a och b sådan att g 00 (c) = 0. Men om vi deriverar g två gånger ser vi att f (x) − f (a) − f 0 (a)(x − a) . (x − a)2 Att detta är noll ger oss precis vad vi skulle bevisa. g 00 (c) = f 00 (c) − 2 Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Taylors formel Taylors formel. Om f är n + 1 gånger deriverbar i ett intervall som innehåller a och x så gäller att f (x) ≈ f (a) + f 0 (a)(x − a) + f (n) (a) f 00 (a) (x − a)2 + · · · + (x − a)n . 2! n! Felet i approximationen ges av f (n+1) (c) (x − a)n+1 (n + 1)! för något c mellan a och x. Det approximerande polynomet kallas Taylorpolynomet av grad n till f kring punkten a. Om a = 0 så talar man ofta om Maclaurinpolynom. Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Exempel på Taylors formel Taylors formel. Om f är n + 1 gånger deriverbar i ett intervall som innehåller a och x så gäller att f (x) ≈ f (a) + f 0 (a)(x − a) + f (n) (a) f 00 (a) (x − a)2 + · · · + (x − a)n . 2! n! Felet i approximationen ges av f (n+1) (c) (x − a)n+1 (n + 1)! för något c mellan x och a √ Uppgift: Bestäm TP av grad 2 till f (x) = x kring punkten √ x = 100 och använd det för att hitta ett närmevärde till 104. Analysera felet! Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys Exempel på Taylors formel Några standardutvecklingar. För x nära 0 gäller att ex ≈ 1 + x x2 x3 + + + ... 1! 2! 3! ln(1 + x) ≈ x − x2 x3 x4 + − + ... 2 3 4 sin x ≈ x − x3 x5 x7 + − + ... 3! 5! 7! cos x ≈ 1 − x2 x4 x6 + − + ... 2! 4! 6! (1 + x)α ≈ 1 + αx + α(α − 1) 2 α(α − 1)(α − 2) 3 x + x + ... 2! 3! Lars Filipsson SF1625 Envariabelanalys