Något om Funktioner och Mathematica
Transcription
Något om Funktioner och Mathematica
HH/ITE/BN Funktioner och Mathematica 1 Något om Funktioner och Mathematica Bertil Nilsson 2015-08-15 y r a bΘ x 2 Funktioner och Mathematica HH/ITE/BN ť Förord På följande sidor presenteras en elementär "streetwise guide" till funktioner med flitig användning av Mathematica. Framställningen är fåordig, fri från pedanteri men i någon mening fullständig. Det man väsentligen behöver veta om begrepp, terminologi, beteckningar och teori för att modellera och lösa problem i framtida kurser och yrkesliv som ingenjör, naturvetare eller lärare klarläggs och typiska exempel ges. ť Funktionsbegreppet Sedan lång tid har man betraktat en funktion som ett uttryck där det ingår en eller flera variabler. Släktskapet med begreppet ekvation är flytande ska vi se och ibland är det inte någon större skillnad när vi betraktar en funktion i sin mer generella form avbildning. I sin enklaste form kan man se en funktion som en process eller maskin vilken man matar med objekt och som sedan utifrån vissa regler producerar nya objekt. Det vanligaste fallet som vi känner sedan tidigare är att maskinen matas med ett tal x och därefter levererar ett tal y, så kallad envariabelanalys. Om vi döper funktionen till f skriver vi y f x och kallar x för den oberoende variabeln eftersom den i någon mening kan matas in fritt och y kallas för den beroende variabeln då den beror både på x och f. Man brukar säga att y är värdet eller bilden av x under funktionen f eller att x avbildas av f. Sådana här funktionssamband brukar avbildas i vårt vanliga koordinatsystem. y 8 6 4 2 y x 2 y 1 f x 2 4 y f x 1 2 3 x Exempel: De vanligaste reglerna som används är naturligtvis våra vanliga räkneregler och funktionen brukar helt enkelt beskrivas med dessa. Exempelvis har vi den funktion f vilken "tar ett tal adderar 1 och slutligen kvadrerar summan" som f x x 1 2 . Vi kan nu rita in de bilder y f x vi får för exempelvis x 3, 2 . Plot x 1 2 , x, 3, 2 , PlotStyle Green, PlotRange All, AxesLabel "x", "y" y 8 6 4 2 3 2 1 1 2 x Som väntat ligger Mathematica nära det matematiska språket. Här definierar vi funktionen i senaste exemplet. f x : x 1 2 Notera speciellt hakparenteser kring den oberoende variabeln och att det ska vara ett _ "underscore" direkt efter variabeln för att skilja den från annat x som kanske råkar vara i Notebooken. Konstruktionen med : är lite teknisk. Med endast = så förenklar (beräknar) Mathematica högerledet så långt det är möjligt redan vid definitionstillfället till skillnad mot : som innebär att definitionen hålles symboliskt som den är inskriven och beräknas först när f x efterfrågas. Det finns anledning att ha båda möjligheterna! Vi kan nu beräkna funktionens värde i de punkter vi önskar, såväl enskilda som en lista av dem. f 2 ,f 3, 4, 8 9, 16, 9, 81 De tal som man vill mata in till funktionen, det vill säga alla tänkbara värden på den oberoende variabeln, kallas för definitionsmängden D f till f. De värden som den beroende variabeln sedan kan anta då x genomlöper D f kallas värdemängden V f till f. Vanligtvis brukar man välja D f till de tal som maskinen "står pall för", den så kallade naturliga definitionsmängden. Men det finns ofta anledning att inskränka den till en mindre mängd. Exempel: Vi ser att till funktionen f x x 1 2 kan vi mata in vilket tal som helst, det vill säga x definitionsmängd. Eftersom en kvadrat bara kan anta ickenegativa värden har vi att V f gäller däremot en naturlig Dg 1, och Vg 3, . 0, , så D f är dess naturliga . För funktionen g x 3 x 1 HH/ITE/BN Funktioner och Mathematica Plot3 x 1 , x, 0, 10 , PlotStyle 3 Orange, AxesLabel "x", "y" y 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 2 4 6 8 10 x Mängden av alla punkter x, f x ; x y D f i planet kallas funktionskurvan eller grafen G f . Denna fås enklast genom att rita funktionen i Mathematica som vi gjort ovan. Detta ska man göra så ofta man hinner eftersom mycket information finns att hämta inför nästa steg i ett modelleringsarbete. Vi sammanfattar situationen i en liten bild. y f x Vf Gf Df Exempel: Bestäm värdemängden V f till funktionen f x Lösningsförslag: Eftersom D f Plot 1 3 x, x, 1 3x, D f 1, 1 så har vi att max f 1, 1 , PlotStyle 1 x x 1, 1 . 3 1 4, min f Red, AxesLabel 1 3 1 2 Vf 2, 4 . "x", "y" y 4 3 2 1 1.0 0.5 1 2 0.5 1.0 x y En viktig frågeställning är om det finns någon entydig väg tillbaka i bilden. Alltså givet s V f finns då ett x D f så y Ej injektiv Injektiv y s y s att ekvationen s f x har precis en lösning x ? Om detta är möjligt kallas funktionen injektiv och betyder helt enkelt att linjen y s får skära G f i högst en punkt. x x För en sådan funktion f kan vi då definiera en ny funktion för återresan. Denna kallas för inversen till f och betecknas med f 1 för att markera släktskapet. Obs Ska ej förväxlas med upphöjt till 1 Naturligtvis gäller då D f 1 V f och V f 1 D f . y y Gf Vf Df x f 1 x y Att bestämma inverser kan verka lite akademiskt, men är mycket vanligt i matematisk modellering. Krav c på en modell ställs i "verkliga" världen c V f så det gäller att lösa ekvationen c f x med avseende på modellparametern x D f . Om vi döper om variabelnamnen i inversen visar sig släktskapet väldigt tydligt i det att G f och G f Exempel: Bestäm inversen till y f x 2x 1 är varandras spegelbilder i linjen y x. 1. Lösningsförslag: Vi försöker lösa x som funktion av y. Om detta är möjligt utan att behöva göra några val under processen har vi entydighet. Eftersom vi har en rät linje kan vi förvänta oss en odramatisk resa y y f 1 x 1 2 x 1 . Här är D f Vf Df 1 Vf 1 . Till slut ritar vi f x , f 1 f x 2x 1 x och spegeln. x f 1 y 1 2 y 1 4 Funktioner och Mathematica HH/ITE/BN 1 Plot2 x 1, x 1 , x, x, 2, 2 , PlotRange 2, 2 , 2, 2 , 2 AspectRatio Automatic, PlotStyle AxesLabel Red, Blue, Orange, Dashing "x", "y" , PlotLegends 0.025 , "Expressions" y 2 1 2x 1 x1 2 1 1 2 2 x x 1 2 Exempel: En funktion behöver inte ha samma beskrivning i hela sin definitionsmängd. Den kan gott variera och då säger man att den är styckvis definierad. I Mathematica används funktionen Piecewise, pw för att definiera en sådan. 1 x Plot x x 1 2 2 x 1 x 3 , x, 4, 4 , PlotStyle Red, AxesLabel "x", "y" 3 y 4 3 2 1 4 2 1 2 4 x Exempel: Ibland behöver man rita mätdata som en funktion. Här USA:s befolkningsmängd under några år en gång i tiden. Vi känner alltså bara funktionen punktvis men känner att vi har tillräckligt på fötterna för att fylla igen med räta linjer däremellan. År ListPlotRest Joined 1790 1800 1810 1820 1830 1840 1850 befolkning 106 True, PlotRange 3.9 5.3 7.2 0, 25 , AxesLabel 9.6 12 17 23 "år", "befolkning , PlotStyle Orange, 106 " befolkning 10 6 25 20 15 10 5 1790 1800 1810 1820 1830 1840 1850 Om två funktioner f och g är sådana att V f år Dg kan man bilda en ny funktion genom sammansättningen y hx g f x . Detta skrivs också y h x g f x och utläses "g ring f ". Observera ordningen! Naturligtvis kan man sätta samman flera funktioner i en kedja förutsatt värdemängden för en funktion är en delmängd av den efterföljande funktionens definitionsmängd. I schematisk form används variabler som mellanresultat för omlastning till nästa maskin. Kaffe genom tvättmaskinen går bra, men omvänd ordning med tvätt genom kaffebryggaren är förenat med stora besvär! x y u u f x y gu g f x HH/ITE/BN Funktioner och Mathematica 5 Exempel: Antag att f x x2 och g x x 1 så har vi exempelvis sammansättningarna y x2 1 vilka är helt olika funktioner. Så ordningen är mycket viktig! y h2 x g f x : x2 ; g x f x : x h1 x f gx x 1 2 och 1 f g x x 1 2 g f x x2 1 Plot Evaluate f g x , g f x , x, 2, 2 , PlotStyle Red, Blue , AxesLabel "x", "f g x , g f x " , PlotLegends "Expressions" f g x ,g f x 8 6 1 x2 4 1 x2 2 2 1 1 2 x I analys i en variabel säger vi att vi har en funktion som "avbildar ett tal på ett nytt tal" vilket skrivs . Det finns inget som hindrar att man har både fler oberoende variabler och flera beroende variabler vilket inte helt överraskande kallas analys i flera n variabler m . Exempel: Om vi mäter temperaturen T i vår lektionssal är det sannolikt att den varierar med platsen i rummet, T x, y, z , eftersom vi har tre rumskoordinater, längd x, bredd y och höjd z för att beskriva läget av termometern. Alltså en funktion 3 . Eftersom vi alla är små värmekaminer, med effekt som en stark glödlampa, finns det också anledning anta att temperaturen ökar med tiden sedan lektionen startade, så vi kan bygga på till T x, y, z, t : 4 . Vid samma tidpunkt t har vi då olika temperaturer på olika platser i rummet, men om vi å andra fixerar en plats i rummet kommer temperaturen där att variera allt eftersom tiden t går. Exempel: När en byggingenjör gör en slutkontroll på ett bygge kanske det är av intresse att veta hur plant golvet är, det vill säga är mycket vanliga i ingenjörssammanhang och brukar felet i höjdled i förhållande till en nollnivå. Just sådana här samband 2 kallas "flygande mattor", z f x, y . Genom att markera i grafen kan man även rotera den med musen. Hand i hand med dessa mattor brukar man se nivåkurvor, likt isobarer på en väderkarta, vilket är kurvor i xy-planet som sammanbinder punkter på mattan som har samma höjd. Ofta brukar man färglägga området mellan dessa (eng. fringe plot), typ temperaturkartor i en väderleksprognos! Plot3D Sin x Cos y Sin x y , x, 0, 2 Π , y, 0, 2 Π , ContourPlot Sin x Cos y Sin x y , x, 0, 2 Π , y, 0, 2 Π , Det finns gott om begrepp och teori kring funktioner. Vi nöjer oss med lite terminologi och hänvisar den intresserade till en lärobok, t.ex. PB, för mer rigorös framställning av teorin. 6 Funktioner och Mathematica Om f x B för alla x D f säges f vara en uppåt begränsad funktion. Om f x A för alla x D f säges f vara en nedåt begränsad funktion. B för alla x HH/ITE/BN Om A f x x1 , x2 D f och x1 x2 f x1 D f säges f vara en begränsad funktion. f x2 säges f vara en växande funktion. Strängt växande om x1 , x2 D f och x1 x2 f x1 f x2 säges f vara en avtagande funktion. Strängt avtagande om Om f är strängt växande eller avtagande för alla x D f säges f vara strängt monoton. En funktion kallas jämn om f D f . Exempelvis y x f x för alla x byts mot . byts mot . x2 är en jämn funktion. En funktion kallas udda om f x f x för alla x D f . Exempelvis y x3 är en udda funktion. Om f x p f x säges f vara en periodisk funktion med periodiciteten p. Om f ax b y a f x b f y , x, y D f och a, b konstanter säges f vara en linjär funktion. Som vi kanske kan ana gör kravet på entydighet, det vill säga ett y f x för varje x, att vi inte kan beskriva alla samband som vi är intresserade av i fysik och ingenjörssammanhang. Man brukar väsentligen skilja på funktioner i några olika skepnader, vilka vi behandlar i tur och ordning. Explicit form y f x . Man sätter in ett x och räknar fram ett entydigt y relativt smärtfritt. För att en beskrivning ska få kallas funktion i klassisk mening krävs att den är entydig, så att för varje x får det bara avbildas ett y. Implicit form f x, y 0. För att bestämma y från givet x krävs att man löser en ekvation. Detta kan kan vara förenat med stora komplikationer. Parameterform t xt, yt, . Funktionskurvan eller grafen kan beskrivas med en parameter. ť Explicita funktioner Här bor alla de elementära funktioner som vi kanske känner igen en del av sedan tidigare. Absolutbelopp Absolutbeloppet skrivs x och på tallinjen betyder x avståndet från talet x till origo och x och V . 0, och definieras av Funktionen har D . -2-5=-7=7 x x Plot Abs x , x, då x x då x -2 0 0 5, 5 , PlotStyle 5 Brown, AxesLabel y avståndet mellan talen x och y. x "x", "y" y 5 4 3 2 1 4 2 2 x 4 I en del teoretiska överläggningar har man nytta av triangelolikheten x y x y . Den kan enkelt visas med absolutbeloppet och har sin geometriska grund och därmed namnsättning i det faktum att i en triangel är alltid längden av en sida kortare än summan av de två andra. Exempel: Antag att vi behöver två brädor med längderna 2 respektive 3 m för att läggas efter varann i ett utrymme om 5 m. På grund av oundvikliga produktionsfel kan inte tillsågning ske exakt utan de två längderna kommer att representeras av x med felet 0.004 respektive y med felet 0.005. Vad kan man säga om felet i x y ? Lösningsförslag: Enligt förutsättning har vi att x Triangelolikheten ger nu en övre gräns för felet x y 2 3 x 2 2 0.004 och y 3 x y 2 3 0.005 och söker skillnaden mellan x y 3 0.004 0.005 0.009 y och 2 3. HH/ITE/BN Funktioner och Mathematica 7 Polynom Ett polynom y n i i 0 ci x pn x c0 c2 x c2 x2 cn xn är en summa (eller mer noggrannt en linjärkombination) av monom xi . Man säger att polynomet är av grad n. Här har vi exempel på några Plotx, x2 x3 , x, 3, 1 2, 2 , PlotStyle Red, Blue, Orange , "x", "x, x2 3, 1 x3 " AxesLabel x, x 2 3, 1 x 3 5 2 1 1 x 2 5 Polynom är mycket vanliga i tillämpad matematik. Anledningen är enkel; vanliga operationer med polynom som addition, subtraktion, multiplikation, derivation och integration resulterar i ett nytt polynom. Grafen till ett n:te grads polynom "svänger" högst n 1 gånger. En polynomekvation av n:te graden pn x 0 har alltid n stycken rötter eller nollställen x1 , x2 , , xn . De komplexa rötterna förekommer alltid komplexkonjugerade. Man säger ibland att lösningsmängden är x x1 , x2 , , xn . Enligt faktorsatsen x x1 x x2 x xn . Speciellt har vi kan man då skriva pn x Andragradsekvationen x2 ax b a 2 0 har rötterna x1,2 a 2 2 b. Det finns även formler för tredje- och fjärdegradsekvationer, som framtogs av de italienska matematikerna Niccolo Fontana Tartaglia (1500-1557) och Gerolamo Cardano (1501-1576), men dessa är så krångliga att det är mycket sällsynt att en yrkesmatematiker har dem i minnet lika bra som Mathematica har. Däremot existerar det inte några formler för femtegradsekvationer och högre. Detta visades av den norske matematikern Niels Henrik Abel (1802-1829). Man brukar nöja sig med en ren numerisk lösning för polynomekvationer av ordning högre än två. Solvex3 2 x2 1 x 4 0 7 x 3 3 71 9 7 1 2 6 3 3 9 58 2 x2 x 4 5 x4 4.92068 , x 58 1. , x 1 1 6 3 71 9 58 3 3 71 9 58 , 6 1 3 3 71 9 58 6 0 0.422733 1.10772 , x 2 x2 3 , x 58 71 2.84547 , x NSolvex5 x 9 1 NSolvex3 x 71 3 x 3 7 1 2 3 2 x 3 1. , x 0.422733 1.10772 0 0.039662 0.779807 , x 0.039662 0.779807 Räta linjen Räta linjen y kx m är det enklaste polynom (av grad 1) som man som ingenjör ska vara mycket god vän med! Här brukar k kallas riktiningskoefficient eftersom den anger hur den räta linjen lutar. Parametern m anger var linjen skär y-axeln. I figuren nedan har vi en bukett räta linjer y kx m med samma m men varierande k. Man brukar tala om positiv respektive negativ riktningskoefficient beroende på dess uppenbara geometriska innebörd. 8 Funktioner och Mathematica y HH/ITE/BN y k 0 x,y x1 ,y1 k 0 m Θ x0 ,y0 m k 0 x x Man kan visa att k tan Θ , där Θ är linjens lutningsvinkel i förhållande till positiva x-axeln. Räta linjen y kx m brukar också dyka upp som enpunktsformeln y y0 k x x0 , där x0 , y0 är en känd punkt på linjen. Denna är en direkt konsekvens av tan Θ , ty k y y0 tan Θ y x x0 y0 kx x0 y kx y0 kx0 kx m. Andragradspolynom Ett andragradspolynom y Plot1 c0 3 x2 , 5 1 2x c2 x2 kallas parabel. c1 x x2 , x, 1, 1 , AxesLabel "x", "y" y 6 5 4 3 2 1 1.0 0.5 0.5 1.0 x Rationell funktion En rationell funktion är en kvot av polynom y pm x pn x . Dessa är mycket populära i den matematik som utgör grunden i CAD–system för hantering av skulpterade ytor, exempelvis en bilkaross eller animerad film. Rationella funktioner dyker också upp i ämnet reglerteknik. Där söks nollställen till såväl täljare som nämnare, då m n är polynomdivision av intresse och då m n gäller partialbråksuppdelning. Detta har plågat generationer av ingenjörer med omfattande handarbete. Med Mathematica är det lite smidigare. Solvex3 x x 0, x 1 0 0, x 0, x Solvex2 x x 1, x 1 0 0, x x3 x 0 1 Apart Polynomdivision x x3 1 2 2 x2 2x 2 x 1 x pbu 11 4 3 x x 1 4 3 3 2 x x 1 Partialbråksuppdelning Together pbu x 3 Apart x3 8x 1 x 1 x 5 3 x2 x3 2 2 1 24 x 2 HH/ITE/BN Funktioner och Mathematica 9 Potensfunktion Uttryck av formen aΑ , a 0 och Α n Speciellt har vi skrivsättet a1 n kallar vi potenser med basen a och exponenten Α. Vi har de viktiga potenslagarna. 1 3. a 2. a1 a 4. aΑ a Β a för heltal n 4 x x x3 8 Β aΑΒ aΑ Β 6. aΑ bΑ ab Α 2 säger vi kvadratroten och skriver enbart 1 x a. 1, 1 . x3 . x2 1 4 aΑ 5. x och rötterna till ekvationen x2 12 1 4 ,x 18 x1 4 Lösningsförslag: Vi har direkt med potenslagarna f x Simplify Α 14 1 8 1. Då n x2 Skilj speciellt på Exempel: Förenkla f x 1 aΑ 1. a0 x 2 14 x3 x1 4 1 2 x 2 18 x3 1 4 x1 8 14 34 x5 8 . 0 x2 x5 8 Exempel: Lös ekvationen 3x 1 Lösningsförslag: 3x 12 Solve3x x 1 1 3x 3x 3x 12. 3 3x 3x 12, x, Reals 4 3x 12 3x 12 31 x 1. Endast reella lösningar, tack 1 Exempel: Lös ekvationen 2x 2 3 2x Lösningsförslag: Potenslagar 2x Solve2x 2 2x 3 2 7 . 2 7 2 3 2x 22 2x 3 2x 7 2 4 7 2 3 2x 1 2 2x 2x 2 1 x 1. 7 , x, Reals Endast reella lösningar, tack 2 x 1 Vi fixerar nu Α och definierar en potensfunktion y f x xΑ , x 0. Det principiella utseendet beror på valet av Α. Potensfunktionen är alltid ickenegativ och de två till vänster är strängt växande och den till höger strängt avtagande. y y 4 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 3 2 y xΑ , Α 1 1 0.5 1.0 y 1.5 2.0 x 20 15 y xΑ , 0 Α 1 y xΑ , Α 0 10 5 0.5 1.0 1.5 2.0 x 0.5 1.0 1.5 2.0 x Exponentialfunktion y Om vi till skillnad mot potensfunktionen låter basen a 0 vara fix och variera exponenten x har vi en exponentialfunktion x y f x a . Exponentialfunktionen är alltid positiv och dess principiella utseende beror av a, strängt växande alternativt strängt avtagande. y 4 4 3 3 2 1 2 1 2 a 1 1 1 2 x 2 1 0 a 1 1 2 x 10 Funktioner och Mathematica HH/ITE/BN De vanligaste baserna är den naturliga basen 2.71828 som är ett irrationellt tal, den historiska basen 10 och den i datorsammanhang förekommande basen 2. I Mathematica får man antingen från palette eller med escapesekvensen ee . 2x Exempel: Sök reella lösningar till ekvationen x 2 8 0. x 2 x Lösningsförslag: Vi har en andragradsekvation i x , ty 2x 2 x 8 0 2 x 8 0 1 Eftersom x 0 duger bara x 2 varav x ln 2 . Mathematica levererar även den komplexa roten om vi vill 2x Solve x 2 x 8 0, x, Reals 1 8 1 3. Endast reella lösningar, tack log 2 Logaritmfunktion Om vi låter a vara ett positivt tal skilt från 1, har exponentialfunktionen y ax en entydig lösning x för givet y 0. Denna lösning kallas a-logaritmen för y och skrives x loga y . Talet a kallas logaritmens bas. Detta kan uttryckas i ord som "loga y är det tal som man ska upphöja a till för att få y". Beteckningen loga y är inte standardiserad, ibland ser man även a log y . Släktskapet med exponentialfunktionen är alltså x loga y y ax Genom att snegla på potenslagarna får vi de viktiga logaritmlagarna för x, y 1. loga 1 2. loga a 0 3. loga xy x 1 4. loga y loga x 0. 5. loga x y loga y loga x loga y 6. logb x y loga x loga x loga b basbyte Exempel: Visa basbyteslagen ovan. Lösningsförslag: Utgå från x x b y b y och ta a- respektive b-logaritmen loga x loga b y logb x b y logb 5. loga x logb x y loga b 2. y logb b loga x y loga b logb x y 1 Om vi låter basen a 1 vara fix och variera x 0 har vi en logaritmfunktion y nämnda viktiga baserna och 10 och även 2 har fått speciella beteckningar Naturliga logaritmen ln x 10 logaritmen lg x 2 logaritmen lb x f x Eliminera y loga x logb x loga b loga x som är strängt växande. De tidigare log x log10 x log2 x I Mathematica används funktionen Log[x] för ln x . Om man vill ha någon annan bas a måste detta anges Log[a,x]. Till vänster x och y ln x som är varandras ser vi en bukett med lite olika baser a, och till höger sammanfattar vi de viktiga syskonen y inverser. y y 4 2 y 3 1 x Ökande bas 2 y ln x 1 1 2 3 4 5 1 x 2 1 1 1 2 2 2 3 4 x HH/ITE/BN Funktioner och Mathematica Exempel: Lös ekvationen ln 1 x Lösningsförslag: ln 1 x ln x Solve Log 1 x 1 1 1 11 ln x . ln 1 x ln ln x ln 1 x ln x 1 x x 1 ln23 x 2 x x 1 . Log x , x 1 x 1 Exempel: Lös ekvationen ln x 2 ln x 3ln 2 . Lösningsförslag: Ta hjälp av logaritmlagarna ln x 2 ln x x 0 3ln 2 ln x 2 x 8 x 2 eller x 2 0 x 4. Här är x 2 falsk rot med hänsyn till kravet ovan, ty logaritmlagen ln ab Detta vet naturligtvis Mathematica Solve Log x x 2 Log x ln b gäller ju bara om a 0 och b 0. 3 Log 2 , x 4 Exempel: Lös ekvationen lnx2 1 ln x 1 2ln x 3. Lösningsförslag: Logaritmlagar, konjugat- och kvadreringsregeln lnx2 x 1 x 1 x 1 för x ln a x 3 2 x 1 x 3 Log x 1 2 x2 7x 10 0 x1 1 ln x 1 2ln x Testa falska x2 1 x 1 x senare 3 x 3 2 2 och x2 5. Här duger endast x2 5 ty ln x bara definierad ln ln 2 x x x x 10x 0. Detta vet Mathematica SolveLogx2 x 1 2 Log x 3 , x 5 Exempel: Lös ekvationen ln Lösningsförslag: ln Solve Log x x x x 2 2 ln x 2 ln x . ln x ln 2 ln x x 2 x 2 1 . Log x , x 2 1 Exempel: Lös ekvationen lg 1 Lösningsförslag: Vi får lg 1 Solve Log 10, 1 x x x 1 1 1 lg x , där lg s lg x lg 1 log10 s . x lg 10 lg x lg 1 x lg 10x 1 x 1 . 9 Log 10, x , x 1 x 9 Exempel: För vilka x och y gäller sambandet ln x y Lösningsförslag: Med välkänd logaritmlag får vi ln x Solve x y ln x y ? ln y ? ln x ln y ln xy . Alltså ? sann om x y xy y x . x 1 x y, y x y x 1 Så för varje givet x 1 finns ett entydigt y 1 sådant att ? gäller. Alltså gäller det för oändligt många x och y. Men omvänt för varje givet x finns det då oändligt många y som det är falskt för. Detta sista fall brukar vara det vanliga när man försöker använda den "distributiva logaritmlagen" på t.ex. en tenta. Så sant för oändligt många och falskt för oändligt många!! 12 Funktioner och Mathematica HH/ITE/BN Trigonometriska funktioner Vi sammanfattar de viktigaste egenskaperna och satserna kring godtyckliga trianglar. Area A 1 bh 2 b Vinkelsumma Α Β Γ 180 Likformighet om alla vinklar är lika a a' b b' c c' a b a' b' 2 2 Cosinussatsen c Sinussatsen 2 a sin Α a b c' c sin Γ b c b a a' g g 2abcos Γ sin Β b a h a b' b Notera det vanligaste sättet att namnge vinklar och sidor. Vinklar med grekiska bokstäver och motstående sida med motsvarande latinska. Ett vanligt beräkningsmoment är att bestämma samtliga vinklar och sidor då en tillräckligt stor blandning av dessa är kända. Detta kallas att solvera triangeln. Om en av vinklarna är större än 90 säges triangeln vara trubbig och spetsig om samtliga vinklar är mindre än 90 . Ett mycket viktigt specialfall är om en vinkel är 90 , då säger vi att det är en rätvinklig triangel. För denna känner vi igen de viktiga begreppen Rätvinklig triangel Hypotenusa c Kateter a och b Pytagoras sats a2 b2 c2 cos Α b c närliggande katet sin Α a c motstående katet hypotenusan tan Α a b motstående katet närliggande katet c hypotenusan sin Α cos Α a Α 1 cot Α b De ovan refererade funktionerna sin och cos kan defineras för godtyckliga argument t . Detta åskådliggörs enklast i enhetscirkeln, en cirkel med radien 1. Som enhet för vinkeln t används nu inte grader utan radian. Denna definieras som den vinkel som motsvarar en längdenhet av bågen. Radian [rad] är helt dominerande i matematik som enhet för vinkel. 1varv 2Π rad 360 2Π 360 . Så 1rad 57.3 I enhetscirkeln utgår vi från 1, 0 och låter detta motsvara vinkeln t 0 och räknar sedan moturs som positivt och medurs som negativt. För att täcka upp t får vi alltså veva på flera varv åt båda hållen. Värdet av de två funktionerna cos t och sin t för givet t kan sedan avläsas som "skuggan" på x- respektive y-axeln av den punkt på periferin som svarar mot en cirkelbåge med längden t framvevad åt rätt håll beroende på om t är positiv eller negativ. Se figur till vänster nedan. I den mittersta har vi ritat in sin t cos t ytterligare två ofta använda trigonometriska funktioner, nämligen tan t och cot t 1 tan t . Det hör till att kunna dessa funktioners värde för de vinklar som ingår i en triangel genererad av en halv kvadrat respektive halv liksidig triangel, se tabell nedan. y y 1 cot t ,1 t rad t 1 1,tan t sin t sin t t 1 cos t 1 x t 1 cos t 1 1 x 1 cos t sin t tan t cot t 0 0 1 0 0 Ej def . Π 6 30 3 2 1 2 1 Π 4 45 1 1 2 2 1 Π 3 60 1 2 3 2 Π 2 90 0 1 3 3 Ej def . 3 1 1 3 1 Både cos och sin är periodiska med periodiciteten 2Π, det vill säga cos t n2Π cos t och sin t n2Π sin t för n . Funktionernas värde i andra kvadranter får vi genom att titta i enhetscirkeln och "spegla" första kvadranten på för ändamålet lämpligt sätt. Exempelvis cos t cos Π Π cos 2 cos t t t sin t sin t cos t sin Π t sin t sin t Π sin 2 t cos t Av första raden framgår speciellt att cos är en jämn funktion och sin en udda funktion. Eftersom variabelnamn inte har någon HH/ITE/BN Funktioner och Mathematica 13 betydelse sammanfattar vi och ritar y cos x Dcos y sin x Dsin y tan x x Dtan Π 2 Vcos 1, 1 Vsin 1, 1 nΠ Vtan , Plot Cos x , Sin x , x, 10, 10 , PlotStyle Blue, Red , AxesLabel "x", "cos x ,sin x " , Ticks Range 3, 3 Π, Automatic cos x ,sin x 1.0 0.5 3Π 2Π Π Π 2Π 3Π x 0.5 1.0 Π PlotTan x , x, 10, 10 , PlotStyle Orange, Exclusions Range 5, 5 , 2 AxesLabel "x", "tan x " , Ticks Range 3, 3 Π, Automatic tan x 6 4 2 3Π 2Π Π Π 2Π 3Π x 2 4 6 Det finns ett stort antal trigonometriska formler härledda ur de basala additions- och subtraktionsformlerna cos x y cos x cos y sin x sin y sin x y sin x cos y cos x sin y Den grundläggande av dessa är cos x y cos x cos y sin x sin y . Detta kan enkelt visas med metoder som kommer senare i kursen, men också med hjälp av två rätvinkliga trianglar som delar samma hypotenusa, som här för enkelhets skull har längden 1. Med markerade vinklar och sträckor ser vi lätt sambandet. De tre andra får vi sedan genom att i tur och ordning göra Π de fiffiga valen y y och y 2 y, följt av förenkling med speglingsuttrycken ovan. De absolut viktigaste att känna till är cos2 x cos 2x sin 2x sin2 x 2 sin y sin y x sin x sin y cos y cos y 1 y x y x cos x y cos x cos y 1 Trigonometriska ettan 2 cos x sin x 2sin x cos x Trig. 1:an 2 2cos x 1 å igen 1 2 2sin x Dubbla vinkeln Dubbla vinkeln I en del utländsk litteratur och i utdata (indata också om man vill) från Mathematica påträffar man ofta funktionerna sec Α 1 cos Α , Sec Α och cosec Α 1 sin Α , Csc Α . Dessa är en kvarleva från navigering på de gamla segelfartygens tid och anses numera, åtminstone i Europa, som lite exotiska , och ingår därför inte i den svenska skolundervisningen. Det samma får nog gälla för cot Α 1 tan Α , Cot Α . Vill man inte se dessa är det lämpligt att också aktivera följande i en inputcell, vilket är gjort i hela kursmaterialet Tillämpad matematik. 14 Funktioner och Mathematica $PrePrint . Csc z Sec z Cot z 1 1 1 HH/ITE/BN Defer Sin z , Defer Cos z , Defer Tan z &; Inversen till de trigonometriska funktionerna kallar vi arcusfunktioner och skriver arccos x , arcsin x och arctan x . Som vanligt ligger Mathematica nära med ArcCos[x], ArcSin[x]och ArcTan[x]. I amerikansk litteratur och på räknedosor är den "inversa" namnsättningen sin 1 x , cos 1 x och tan 1 x vanlig. Även Mathematica använder dem gärna vid resultatutskrift. För att dessa inverser ska existera är man tvungen att göra en restriktion av definitionsmängderna ovan. Vi sammanfattar och uppmanar läsaren att projicera bilderna på enhetscirkeln! cos x ,arccos x sin x ,arcsin x tan x ,arctan x Π Π 2 1 Π 2 Π 2 1 Π 1 Π 1 2 x Π 2 x Π 2 2 Π 1 1 Π x Π 2 1 2 Π 1 Darccos 2 1, 1 , Varccos 0, Π Darcsin 1, 1 , Varcsin Π Π , 2 2 , Darctan , Varctan Π Π , 2 2 I många sammanhang, bland annat vid lösning av differentialekvationer som vi återkommer till i en senare kurs, får man uttryck på formen asin Ωt bcos Ωt , där a och b är reella konstanter och Ω den så kallade vinkelhastigheten med enheten [rad/s]. Uttrycket a2 brukar ofta skrivas om till en ren sinusvåg med hjälp av en rätvinklig triangel med kateterna a, b och hypotenusan asin Ωt a2 bcos Ωt a b2 2 a 2 b a2 b2 cos a2 b2 sin Ωt a2 och identifierar amplitud R b sin Ωt 2 a sin Ωt b2 och fasvinkel sin cos Ωt a 1 2 2 b a cos Ωt 1 och b 1 2 2 b b2 . a 1 b2 Summaformel för sinus a som naturligtvis mäts i radianer. Punkten R , b R ligger på enhetscirkeln och fasvinkeln bestäms likt argumentet för ett komplext tal. Var och en av de oändligt många vinklar som löser ekvationerna a Rcos kan göra anspråk på att kallas för fasvinkel. På grund av periodiciteten hos cos och sin skiljer de sig åt med en b Rsin multipel av 2Π så alla ger "samma effekt". Ofta nöjer man sig med den så kallade principalvinkeln som ligger i intervallet Π, Π . När man räknar för hand gäller det att se till så man hamnar i rätt kvadrant!! Om a 0 eller b 0 är det ju enkelt annars går det bra b arctan a att beräkna fasvinkeln som Π eftersom arctan levererar vinklar i första och fjärde kvadranten. Den avslutande om a 0 b a korrektionen kommer sig naturligtvis av att vi kan ha dividerat bort "negativ" information, ty b a b a och b . a Det är inga problem i Mathematica om vi använder versionen med två argument ArcTan[a,b]som alltid levererar rätt vinkel i intervallet Π, Π och givetvis i radianer. 1 Exempel: Enkla trigonometriska ekvationer av typen sin 2t 2 som löses genom att rita (gör det!) och studera situationen i enhetscirkeln ska man klara för hand. Dra en rät linje parallell med x-axeln ("cos"-axeln) genom 1 2 på y-axeln ("sin"-axeln). Vi ser att denna linje skär enhetscirkeln i två punkter som enligt värdetabellen på sid 12 motsvarar vinklarna periodiciteten 2Π får vi lösningarna 2t Π 4 2nΠ eller 2t Π Π 4 2nΠ, för n Π 4 , vilket förenklas till t respektive Π Π 8 nΠ eller t Π , 4 så med 3Π 8 nΠ för n . Naturligtvis räknar vi alltid i radianer! Ekvationslösaren Solve är gjord för att lösa polynomekvationer, men gör oftast tappra försök även då det ingår lite andra elementära funktioner, så här kommer skolbokslösningen i repris 1 SolveSin 2 t , t Simplify 2 1 t ConditionalExpressionΠ c1 8 3 , c1 , t ConditionalExpressionΠ c1 8 , c1 HH/ITE/BN Funktioner och Mathematica 15 För att få lösningarna i ett speciellt intervall, är det bara att hjälpa Solve med detta. Exempelvis principalvinklarna. 1 SolveSin 2 t , t Π Π, t 2 7Π t 5Π , t Π , t 8 3Π , t 8 8 8 Åven svårare saker, som man endast efter lite möda reder ut för hand, går fint. Solve2 Cos 2 t 2 2 Sin t 3 Cos t 0, t 5Π t ConditionalExpression2 Π c1 t 6 Π ConditionalExpression2 Π c1 2 Π , t , c1 , c1 ConditionalExpression2 Π c1 , t ConditionalExpression2 Π c1 , c1 2 5Π , c1 6 , Vi rör oss dock på mycket tunn is, en till synes harmlös ändring i ekvationen gör att det inte längre går att hitta analytiska lösningar utan endast (väl så bra ;-) numeriska, även om Solve kämpar på ett tag och levererar dessa på ett lite kryptiskt sätt. För en ingenjör i verkligheten är det då (nästan alltid :-) läge att visualisera situationen med Plot och bestämma just den rot man söker med hjälp av den generella numeriska ekvationslösaren FindRoot som håller i alla väder! Låt oss hänga på ett t i slutet på vänsterledet i ekvationen så blir det just ett sådant här läge! f 2 Cos 2 t 2 2 Sin t 3 Cos t t; Plot f, t, 2 Π, 2 Π , AxesLabel "t", "f t " f t 10 5 6 4 2 2 4 6 t 5 10 FindRoot f t 0, t, 1 0.802453 ť Implicita funktioner Med en implicit funktion menas samband på formen f x, y 0, där det är svårt, onödigt eller rent av omöjligt att skriva om på explicit form y f x . För givet x måste vi alltså lösa en ekvation för att få y. Detta är i det allmänna fallet långt ifrån odramatiskt. Det finns gott om tillämpningar där man hamnar i detta läge, inte minst lösningar till första ordningens differentialekvationer som vi ska se i en senare kurs. Vi nöjer oss här med att visa hur man ritar i Mathematica. Först enhetscirkeln, sedan ett annat litet konstverk ContourPlotx2 y2 1, x, ContourPlot Sin 2 x 1.0 1, 1 , y, Cos 3 y 1, x, 1, 1 , ContourStyle 2 Π, 2 Π , y, Orange, 2 Π, 2 Π , ContourStyle Dashed 6 4 0.5 2 , 0 0.0 2 0.5 4 6 1.0 1.0 0.5 0.0 0.5 1.0 6 4 2 0 2 4 6 ť Parameterform I många sammanhang har man ofta anledning att studera en partikels läge som funktion av tiden t, t.ex. några viltvårdare som pejlar 2 . Naturligtvis är det lika lätt att stryka eller lägga en vargs läge på kartan som funktion av tiden t, x, y x t , y t , alltså till en koordinatfunktion, t.ex. positionen x t , y t , z t som funktion av tiden t av den satellit som används vid GPS-pejlingen. Vi 3 har nu istället . 16 Funktioner och Mathematica y t h x t km y t km 0 0.5 0 0.1 0.47 0.39 0.2 0.45 0.72 0.5 0.3 0.42 0.93 1.0 0.4 0.39 0.99 1.0 0.5 0.6 0.4 HH/ITE/BN 0.2 0.2 0.4 x 0.6 1.5 Det typiska är att varje koordinat beskrivs av en funktion av en variabel, den så kallade parametern. Man kan naturligtvis använda vilket namn man vill på parametern, bara det inte krockar med något annat. Vanliga namn är t (tiden), Θ, (vinkel) och lite mer allmänt u. Så vi har generellt parameterform u f u,gu, . Exempel: Cirkeln är ett enkelt exempel som inte ryms inom den explicita funktionsformen. Här med centrum i origo och radien 2. Alltså Θ xΘ,yΘ 2cos Θ , 2sin Θ , Θ 0, 2Π . ParametricPlot 2 Cos Θ , Sin Θ , Θ, 0, 2 Π , PlotStyle Blue, AxesLabel "x", "y" , AspectRatio Automatic y 2 1 2 1 1 2 x 1 2 Exempel: Här en partikelbana vid avloppet i ett badkar. ParametricPlot3D t Sin 5 t , t Cos 5 t , t , t, 0, Π , PlotStyle Thickness 0.03 , ColorFunction Function x, y, z, t , Hue t Notera att vanliga explicita funktioner är ett specialfall av parameterformen, ty Explicit form y f x,x Df xu yu u ,u f u D f Parameterform Exempel: En lodrät linje ryms inte inom den explicita funktionsformen, men med omskrivningen ovan blir det enkelt att rita. Här linjen x 2, som vi väljer att rita för y 1, 1 . ParametricPlot 2, u , u, 1, 1 , PlotStyle Red, AxesLabel "x", "y" y 1.0 0.5 1 2 3 4 x 0.5 1.0 Naturligtvis är det lika enkelt att rita en vanlig rät linje, exempelvis y 2x 1, x 1, 3 . HH/ITE/BN Funktioner och Mathematica ParametricPlot u, 2 u 1 , u, 1, 3 , PlotStyle 17 Orange, AxesLabel "x", "y" y 4 2 1 x 1 2 3 2 Exempel: Vi vill rita en cirkel utgående från dess allmänna ekvation x x0 2 y y0 2 r2 , där x0 , y0 är centrumkoordinaterna och r dess radie. Vi skriver om denna implicita form till parameterform x t x0 r cos Θ x x0 2 y y0 2 r2 3, 2 och r 4. , t 0, 2Π . Provkör slutligen med x0 , y0 y t y0 r sin Θ ParametricPlot 3 4 Cos Θ , 2 4 Sin Θ , Θ, 0, 2 Π , PlotStyle Blue, AxesLabel "x", "y" , AspectRatio Automatic, PlotRange 2, 8 , Epilog Blue, Text " x0 ,y0 ", 3, 2 , 1, 0 3, 7 , y 6 4 x0 ,y0 2 2 2 4 6 x 8 2 Om man har behov att "mörka" delar av cirkelbågen, görs detta enkelt genom att inskränka intervallet för parametern. Π ParametricPlot 3 AxesLabel Epilog 4 Cos Θ , 2 4 Sin Θ "x", "y" , AspectRatio Green, Text " , 2 Π, PlotStyle Green, 2 Automatic, PlotRange 2, 8 , 3, 7 , Θ, x0 ,y0 ", 3, 2 , 1, 0 , y 6 4 x0 ,y0 2 2 2 4 6 8 x 2 Exempel: Dividera båda sidor i cirkelns ekvation x möjlighet att välja olika r under "x" respektive "y", x0 2 x x 2 a0 Parametrarna a och b kallas ellipsens halvaxlar. x t x0 a cos Θ y y 2 x x 2 a0 b 0 1 , t y t y0 b sin Θ y y0 y y 2 b 0 2 r2 med r2 så får vi x x0 2 r y y0 2 r 1. Här har vi nu 1 vilket är ekvationen för en ellips, "en tillplattad cirkel". 0, 2Π . Provkör slutligen med x0 , y0 3, 2 och a 4, b 2. 18 Funktioner och Mathematica HH/ITE/BN ParametricPlot 3 4 Cos Θ , 2 2 Sin Θ , Θ, 0, 2 Π , PlotStyle Red, AxesLabel "x", "y" , AspectRatio Automatic, PlotRange 2, 8 , Epilog Red, Text " x0 ,y0 ", 3, 2 , 1, 0 1, 5 , y 5 4 3 x0 ,y0 2 1 2 2 4 6 8 x 1 En vanlig kurvform är den polära formen. En punkt i planet x, y kan pekas ut från origo y genom att man anger en vinkel från positiva x–axeln till punktens syftlinje och sedan talar om hur långt man ska gå i denna riktning. Om vinkeln är Θ och sträckan i denna riktning är r Θ får vi följande entydiga översättning till parameterform x Θ ,y Θ rΘ Θ x Polär form r rΘ,Θ Dr xΘ yΘ r Θ cos Θ ,Θ r Θ sin Θ Dr Parameterform I vår omvärld finns det gott om exempel på spiraler och rosetter som ofta anges på polär form. Vi tar några. Exempel: På ett segelfartyg kan man se vackert ihoprullade tåg, se fig. Detta är exempel på en så kallad Arkimedes spiral r Θ aΘ. I Mathematica finns naturligtvis en funktion för att rita kurvor på polär form. Namnet på denna kan man gissa. PolarPlot Θ, Θ, 0, 12 Π , PlotStyle Thickness 0.05 , Orange , AxesLabel y 30 20 10 30 20 10 10 20 30 x 10 20 30 Exempel : Tillväxten av vissa blommor, tänder på en del rovdjur, galaxer eller pärlbåtssnäckan chambered nautilus i figuren sker enligt en så kallad logaritmisk spiral r Θ a bΘ . "x", "y" HH/ITE/BN Funktioner och Mathematica Θ 10 PolarPlot , Θ, PlotRange 16 Π, 2.1 Π , PlotStyle 2, 2 , 2, 2 , AxesLabel 19 Orange, "x", "y" y 2 1 2 1 1 2 x 1 2 Vi avslutar med en propeller PolarPlot Sin 3 t , t, 0, 2 Π , PlotStyle Blue, AxesLabel "x", "y" y 0.5 0.5 0.5 x 0.5 1.0 och när vi väl lyft får lite oläslig programkod, "Mathematicapornografi", generera en så kallad fraktal för att visa på möjligheterna att visualisera med Mathematica. poles 1 , 1 ,1 ,1 ; 2 m TableN j i , i, 1, 1, 201 m4 Dom 2 , j, 1, 1, ; 201 4 m , i, 10 ; 4 m Map Position Abs poles , Min Abs poles ListDensityPlot m, ColorFunction "SiennaTones" m3 1, 1 &, m, 2 ;