Matemaatiline analüüs III 1 4. Diferentseeruvad funktsioonid 1. Diferentseeruvus antud punktis. Olgu funktsiooni f : D R määramispiirkond D R selles p

Seotud dokumendid
Matemaatiline analüüs IV 1 3. Mitme muutuja funktsioonide diferentseerimine 1. Mitme muutuja funktsiooni osatuletised Üleminekul ühe muutuja funktsioo

Polünoomi juured Juure definitsioon ja Bézout teoreem Vaadelgem polünoomi kus K on mingi korpus. f = a 0 x n + a 1 x n a n 1 x

vv05lah.dvi

Sügis 2018 Kõrgema matemaatika 2. kontrolltöö tagasiside Üle 20 punkti kogus tervelt viis üliõpilast: Robert Johannes Sarap, Enely Ernits, August Luur

IMO 2000 Eesti võistkonna valikvõistlus Tartus, aprillil a. Ülesannete lahendused Esimene päev 1. Olgu vaadeldavad arvud a 1, a 2, a 3,

12. Marek Kolk, Kõrgem matemaatika, Tartu Ülikool, Algfunktsioon ja määramata integraal Sisukord 12 Algfunktsioon ja määramata integraal 1

MATEMAATILINE ANALÜÜS I. ESIMESE KONTROLLTÖÖ NÄITEÜLESANDED (1) Leida funktsiooni y = sin x + ln(16 x 2 ) määramispiirkond. (2) Leida funktsiooni y =

ma1p1.dvi

XV kursus

lvk04lah.dvi

prakt8.dvi

Tartu Ülikool Matemaatika-informaatikateaduskond Puhta Matemaatika Instituut Algebra õppetool Riivo Must Mõned katsed üldistada inversseid poolrühmi M

19. Marek Kolk, Kõrgem matemaatika, Tartu Ülikool, Arvridade koonduvustunnused Sisukord 19 Arvridade koonduvustunnused Vahelduvat

Treeningvõistlus Balti tee 2014 võistkonnale Tartus, 4. novembril 2014 Vastused ja lahendused 1. Vastus: 15, 18, 45 ja kõik 0-ga lõppevad arvud. Olgu

Word Pro - diskmatTUND.lwp

Ruutvormid Denitsioon 1. P n Ütleme, et avaldis i;j=1 a ijx i x j ; kus a ij = a ji ; a ij 2 K ja K on korpus, on ruutvorm üle korpuse K muutujate x 1

Diskreetne matemaatika I Kevad 2019 Loengukonspekt Lektor: Valdis Laan 20. juuni a.

8.klass 4 tundi nädalas, kokku 140 tundi Hulkliikmed ( 45 tundi) Õppesisu Hulkliige. Hulkliikmete liitmine ja lahutamine ning korrutamine ja jagamine

Matemaatika ainekava 8.klass 4 tundi nädalas, kokku 140 tundi Kuu Õpitulemus Õppesisu Algebra (65 t.) Geomeetria (60 t.) Ajavaru kordamiseks (15 õppet

KM 1 Ülesannete kogu, 2018, s

Matemaatilised meetodid loodusteadustes. I Kontrolltöö I järeltöö I variant 1. On antud neli vektorit: a = (2; 1; 0), b = ( 2; 1; 2), c = (1; 0; 2), d

loeng7.key

Word Pro - digiTUNDkaug.lwp

TALLINNA PAE GÜMNAASIUMI AINEKAVAD GÜMNAASIUM AINEVALDKOND: MATEMAATIKA

Mittekorrektsed ülesanded 2008

Relatsiooniline andmebaaside teooria II. 6. Loeng

KITSAS JA LAI MATEMAATIKA Matemaatikapädevus Matemaatikapädevus tähendab matemaatiliste mõistete ja seoste süsteemset tundmist, samuti suutlikkust kas

Matemaatiline maailmapilt MTMM Terje Hõim Johann Langemets Kaido Lätt 2018/19 sügis

Sissejuhatus mehhatroonikasse MHK0120

raamat5_2013.pdf

ITI Loogika arvutiteaduses

QUANTUM SPIN-OFF - Experiment UNIVERSITEIT ANTWERPEN

6

pkm_2010_ptk6_ko_ja_kontravariantsus.dvi

7 KODEERIMISTEOORIA 7.1 Sissejuhatus Me vaatleme teadete edastamist läbi kanali, mis sisaldab müra ja võib seetõttu moonutada lähteteadet. Lähteteade

6. KLASSI MATEMAATIKA E-TASEMETÖÖ ERISTUSKIRI Alus: haridus- ja teadusministri määrus nr 54, vastu võetud 15. detsembril E-TASEMETÖÖ EESMÄRK Tas

III teema

Kontrollijate kommentaarid a. piirkondliku matemaatikaolümpiaadi tööde kohta 7. klass (Elts Abel, Mart Abel) Test Ül. 6: Mitmes töös oli π aseme

Praks 1

Funktsionaalne Programmeerimine

Microsoft Word - Sobitusahelate_projekteerimine.doc

VL1_praks6_2010k

(geomeetria3_0000.eps)

Infix Operaatorid I Infix operaatorid (näiteks +) ja tüübid (näiteks ->) kirjutatakse argumentide vahele, mitte argumentide ette. Näiteks: 5 + 2, 2*pi

DIGITAALTEHNIKA DIGITAALTEHNIKA Arvusüsteemid Kümnendsüsteem Kahendsüsteem Kaheksandsüsteem Kuueteistkü

Kontrollijate kommentaarid a. matemaatikaolümpiaadi piirkonnavooru tööde kohta Kokkuvõtteks Ka tänavu püüdsime klasside esimesed 2 ülesa

(Tõrked ja töökindlus \(2\))

Image segmentation

efo03v2pkl.dvi

Praks 1

elastsus_opetus_2005_14.dvi

6

Osakogumite kitsendustega hinnang Kaja Sõstra 1 Eesti Statistikaamet Sissejuhatus Valikuuringute üheks oluliseks ülesandeks on osakogumite hindamine.

Automaatjuhtimise alused Automaatjuhtimissüsteemi kirjeldamine Loeng 2

M16 Final Decision_Recalculation of MTR for Elisa

Microsoft Word - Errata_Andmebaaside_projekteerimine_2013_06

Programmi Pattern kasutusjuhend

Eesti koolinoorte LIII matemaatikaolümpiaad 28. jaanuar 2006 Piirkonnavoor Hindamisjuhised Lp hindaja! 1. Juhime Teie tähelepanu sellele, et alljärgne

Microsoft Word - A-mf-7_Pidev_vorr.doc

M16 Final Decision_Recalculation of MTR for EMT

1 / loeng Tekstitöötlus Sisend/väljund Teksti lugemine Sõnad

Neurovõrgud. Praktikum aprill a. 1 Stohhastilised võrgud Selles praktikumis vaatleme põhilisi stohhastilisi võrke ning nende rakendust k

PALMIKRÜHMAD Peeter Puusempa ettekanded algebra ja geomeetria õppetooli seminaril 11., 18. ja 25. jaanuaril a. 1. Palmikud ja palmikrühmad Ajalo

Diskreetne matemaatika I praktikumiülesannete kogu a. kevadsemester

IVXV võtmerakendus Spetsifikatsioon Versioon jaan lk Dok IVXV-SVR-1.4.0

Antennide vastastikune takistus

Microsoft Word - 1-1_toojuhend.doc

TARTU ÜLIKOOL MATEMAATIKA-INFORMAATIKA TEADUSKOND Matemaatilise statistika instituut Cliona Georgia Dalberg Eesti elektritarbimise prognoos Magistritö

(Microsoft Word - Matsalu Veev\344rk AS aktsion\344ride leping \(Lisa D\) Valemid )

Fyysika 8(kodune).indd

lcs05-l3.dvi

Microsoft PowerPoint - loeng2.pptx

Praks 1

Aili_A-mf-4_adiab.doc

I Generaatori mõiste (Java) 1. Variantide läbivaatamine Generaator (ehk generaator-klass) on klass, milles leidub (vähemalt) isendimeetod next(). Kons

Microsoft Word - 56ylesanded1415_lõppvoor

Tala dimensioonimine vildakpaindel

elastsus_opetus_2015_ptk5.dvi

Failiotsing: find paljude võimalustega otsingukäsk find kataloog tingimused kataloog - otsitakse sellest kataloogist ja tema alamkataloogidest tingimu

pkm_2010_ptk1_Sissejuh.dvi

ISS0010_5osa_2018

Vilistlaste esindajate koosolek

Scala ülevaade 1 Meetodid, muutujad ja väärtused. Süntaks 2 Lihtsad tüübid ja väärtused. 3 OOP, case-klassid ja mustrisobitus. 4 Puhta Scala väärtusta

Keemia koolieksami näidistöö

Andmed arvuti mälus Bitid ja baidid

1. AKE Ajalise keerukuse empiiriline hindamine

Microsoft Word - essee_CVE ___KASVANDIK_MARKKO.docx

Mining Meaningful Patterns

Tartu Ülikool Matemaatika-informaatikateaduskond Matemaatilise statistika instituut Võrgupeo külastaja uurimine Andmeanalüüs I projekt Koostajad: Urma

29 th International Physics Olympiad Reykjavik, Iceland Eksperimentaalne võistlus Esmaspäev, 6. juuli 1998 Kasutada olev aeg: 5 tundi Loe esmalt seda:

Microsoft Word - VG loodus

Excel Valemite koostamine (HARJUTUS 3) Selles peatükis vaatame millistest osadest koosnevad valemid ning kuidas panna need Excelis kirja nii, et

Ülesanded

Eesti koolinoorte 66. füüsikaolümpiaad 06. aprill a. Vabariiklik voor. Gümnaasiumi ülesannete lahendused 1. (AUTOD) (6 p.) Kuna autod jäävad sei

Programmeerimiskeel APL Raivo Laanemets 17. mai a.

Andmebaasid, MTAT loeng Normaalkujud

VL1_praks2_2009s

Word Pro - digiTUNDkaug.lwp

Väljavõte:

Matemaatiline analüüs III 4. Diferentseeruvad funktsioonid. Diferentseeruvus antud punktis. Olgu funktsiooni f : D R määramispiirkond D R selles paragravis mingi (lõplik või lõpmatu) intervall ning olgu a D selle intervalli sisepunkt. Teatavasti nimetatakse funktsiooni f punktis a diferentseeruvaks, kui eksisteerib lõplik piirväärtus f (a) : mida nimetatakse funktsiooni f tuletiseks punktis a. f (a + ) f (a), 0 Meenutame nende mõistete geomeetrilist sisu. Võtame läbi funktsiooni f graafiku punktide (a, f (a)) ja (x, f (x)) sirge (ek lõikaja), selle võrrand on Y = f (a) + (X a), kus (X, Y ) on vaadeldava sirge punkt. Protsessis x a võtab see võrrand kuju Y = f (a) + f (a) (X a) ek Y f (a) X a = f (a). Selle võrrandiga määratud sirge läbib punkti (a, f (a)), teda nimetatakse funktsiooni f graafiku puutujaks punktis a. Niisiis, punktis a diferentseeruva funktsiooni f korral defineeritakse selles punktis tema graafiku puutuja kui punkte (a, f (a)) ja (x, f (x)) läbiva lõikaja piirseis protsessis x a. Tuletis f (a) on võrdne puutuja tõusunurga tangensiga. Funktsiooni diferentseeruvuse mõiste analüütiline sisu seisneb selles, et punktis a diferentseeruvat funktsiooni saab lokaalselt (s.t. selle punkti ümbruses) lineaarselt läendada. Nimelt, kui täistame T (x) := f (a)+f (a) (), siis T : R R on lineaarne funktsioon (selgitada!) ja f (x) T (x) = 0 (veenduda!). Seega saab suvalise ε > 0 korral leida punkti a sellise ümbruse U δ (a) = (a δ, a + δ), et iga x U δ (a) puul ketib võrratus f (x) T (x) < f(x) T (x) x a < ε. Diferentseeruvate funktsioonide uurimiseks vajame järgmist lemmat, mida mõnedes õpikutes nimetatakse ka diferentsiaalarvutuse põilemmaks. Lemma. Funktsioon f on punktis a diferentseeruv parajasti siis, kui leidub selline punktis a pidev funktsioon G f : D R, et f (x) = f (a) + G f (x) (). () Sel juul f (a) = G f (a). Tõestus. Tarvilikkus. Olgu f diferentseeruv punktis a. Defineerime { f(x) f(a), kui x a, G f (x) := x a f (a), kui x = a,

2 4. Diferentseeruvad funktsioonid siis G f on punktis a pidev (kontrollida!) ja ketib võrdus () (veenduda!). Piisavus. Kui võrdus () ketib ning G f on punktis a pidev, siis seega on f koal a diferentseeruv ja f (a) = G f (a). G f (x) = G f (a), Järeldus 2. Kui funktsioon f on punktis a diferentseeruv, siis on ta selles punktis pidev. Tõestus (iseseisvalt!). Tuletise definitsioonist lätudes saab leida litsamate elementaarfunktsioonide tuletised. Näited.. Kui f (x) = c =const, siis f (a) = 0 iga a korral (kontrollida!). 2. Kui f (x) = cx, kus c on konstant, siis f (a) = c iga a korral (kontrollida!). 3. Kui f (x) = x n, siis f x (a) n a n n x a k=0 xn k a k (kontrollida!) = na n (selgitada!). 4. Funktsioon f (x) = x ei ole punktis a = 0 diferentseeruv (veenduda!). 5. Leiame eksponentfunktsiooni f (x) = e x tuletise. Selleks arvutame suvalise a R puul piirväärtuse f (a) 0 e a+ e a 0 e a+ e a = e a 0 e = e a. (2) e (Piirväärtuse 0 arvutamiseks teeme muutujavaetuse z := e, siis = ln (z + ). e Kui 0, siis ka z 0, ning z 0 z 0 =.) Seosest (2) saame, et ln(z+) (e x ) = e x iga x R korral. 6. Funktsiooni f (x) = sin x korral on f sin (a + ) sin a (a) 0 ( cos a + ) 0 2 0 ( ) 2 cos a + 2 sin 2 0 sin 2 2 = cos a. Niisiis, (sin x) = cos x iga x R korral. 7. Analoogiliselt veendutakse, et (cos x) = sin x iga x R korral (kontrollida!). 2. Diferentseerimisreeglid. Allpool toodud diferentseerimisreeglid on meile matemaatilise analüüsi eelnevatest kursustest ästi tuttavad. (I) Kui funktsioonid f : D R ja g : D R on punktis a diferentseeruvad, siis ka funktsioonid f+g ja f g on selles punktis diferentseeruvad ning (f ± g) (a) = f (a)±g (a). Tõestus (iseseisvalt!). (II) Kui funktsioon f on punktis a diferentseeruv, siis ka funktsioon λf on iga λ R korral selles punktis diferentseeruv ning (λf) (a) = λf (a). Tõestus (iseseisvalt!).

Matemaatiline analüüs III 3 (III) Kui funktsioonid f : D R ja g : D R on punktis a diferentseeruvad, siis ka nende korrutis fg : D R, x f (x) g (x) on selles punktis diferentseeruv funktsioon ning (fg) (a) = f (a) g (a) + f (a) g (a). Tõestus. Kuna f on punktis a pidev, siis (fg) (x) (fg) (a) f (x) g (x) f (a) g (a) f (x) (g (x) g (a)) + g (a) () g (x) g (a) f (x) = f (a) g (a) + f (a) g (a). + g (x) (IV) Kui funktsioonid f : D R ja g : D R on punktis a diferentseeruvad ning g (a) 0, siis ka funktsioon f g : D R, x f (x) g (x), kus D := {x D g (x) 0}, on selles punktis diferentseeruv ja ( ) f (a) = f (a) g (a) f (a) g (a) g g (a) 2. Tõestus. Kõigepealt märgime, et a on mingi alamintervalli D D sisepunkt (selgitada!). Vaatleme algul jutu, kus f on konstantne funktsioon väärtusega. Siis (x) (a) g g g(x) g(a) g (x) g (a) g (a) g (x) = g (a) 2 ( g (a)). Rakendades nüüd eelmist väidet, saame ( ) ( f (a) = f ) ( ) (a) = f (a) (a) + f (a) g g g g (a) = f (a) g (a) g (a) 2 + f (a) g (a) = f (a) g (a) f (a) g (a) g (a) 2. Näited.. Iga polünoom P (x) = a n x n + a n x n +... + a 0 on igas punktis x R diferentseeruv ning P (x) = na n x n + (n ) a n x n 2 +... + a

4 4. Diferentseeruvad funktsioonid (veenduda!). 2. Kui f (x) = tan x ( x R { π ± kπ k = 0,, 2,...}), siis 2 f (x) = ( ) sin x = (sin x) cos x sin x (cos x) cos x cos 2 x = cos2 x + sin 2 x cos 2 x = cos 2 x. 3. Analoogiliselt saadakse, et (cot x) = (veenduda!). sin 2 x iga x R {±kπ k = 0,, 2,...} korral Meile ästi tuntud liitfunktsiooni diferentseerimise reegli (nn. aelareegli) tõestamiseks kasutame lemmat. Lause 3. Olgu funktsioon f : D R punktis a diferentseeruv. Kui f (D) E ja funktsioon g : E R on punktis b := f (a) diferentseeruv, siis ka liitfunktsioon on punktis a diferentseeruv ja g f : D R, x g (f (x)) (g f) (a) = g (b) f (a). Tõestus. Lemma koaselt leiduvad sellised vastavalt punktides a ja b pidevad funktsioonid G f : D R ja G g : E R, et Seega f (x) = f (a) + G f (x) () ja g (y) = g (b) + G g (y) (y b). g (f (x)) = g (b) + G g (f (x)) (f (x) b) = g (f (a)) + G g (f (x)) (f (a) + G f (x) () f (a)) = g (f (a)) + G g f (x) G f (x) (). Täistame G g f := (G g f) G f, see funktsioon on punktis a pidev (põjendada!), niisiis saame võrdusest g (f (x)) = g (f (a)) + G g f (x) () lemma põjal, et g f on punktis a diferentseeruv ja (g f) (a) = G g f (x) = g (f (a)) f (a) (kontrollida!). Lõpuks tõestame pöördfunktsiooni diferentseerimise reegli. Meenutame, et (vt. 3, teoreem 8) kui f : D R on intervallis D pidev rangelt monotoonne funktsioon, siis tal on pidev pöördfunktsioon, mille määramispiirkonnaks on mingi intervall D. Seejuures, kui a on intervalli D sisepunkt, siis b := f (a) on intervalli D sisepunkt (kontrollida!). Lause 4. Olgu pidev rangelt monotoonne funktsioon f : D R punktis a diferentseeruv. Pöördfunktsioon g : D R on punktis b := f (a) diferentseeruv parajasti siis f (a) 0. Sel juul g (b) = f (a). (3) Tõestus. Tarvilikkus. Kuna g (f (x)) = x iga x D korral, siis lause 3 koaselt g (f (a)) f (a) =. Siit järeldub, et f (a) 0 ja ketib võrdus (3).

Matemaatiline analüüs III 5 Piisavus. Olgu f (a) 0. Kuna f (x) f (a) iga x D korral, siis on funktsioon F : D {a} R, x korrektselt defineeritud, seejuures F (x) = (selgitada!). Täistades y = f (x) f (a) (ek x = g (y)), saame funktsioonide f ja g pidevusest, et y b parajasti siis, kui x a (selgitada!). Seega g (y) g (b) y b y b F (x) = f (a). Näited. 4. Leiame valemi (3) abil logaritmfunktsiooni y = f (x) = ln x (x (0, )) tuletise. Kuna f on eksponentfunktsiooni g (y) = e y (y R) pöördfunktsioon, siis f (x) = g (y) = e y = e ln x = x (x (0, )). 5. Olgu y = f (x) = arcsin x (x [, ]). Tegemist on pideva rangelt monotoonse funktsiooni x = g (y) = sin y ( y [ π 2, π 2 ]) pöördfunktsiooniga, seega valemi (3) koaselt f (x) = cos y = sin 2 y = x 2 (x (, )). 6. Analoogiliselt tuletatakse valem (arccos x) = x 2 (x (, )) (iseseisvalt!). 7. Analoogiliselt saame, et (arctan x) = ja (arccot x) = (isesisvalt!). +x 2 +x 2 3. Lagrange i keskväärtusteoreem. Funktsiooni lokaalsed ekstreemumid. Alustame litsa, kuid olulise täelepanekuga tuletise seosest funktsiooni ekstreemumitega. Meenutame, et kui funktsiooni f määramispiirkonna D sisepunktil a on ümbrus U δ (a) omadusega f (x) f (a) iga x U δ (a) korral, siis öeldakse, et funktsioonil f on punktis a lokaalne maksimum. Kui f (x) f (a) iga x U δ (a) korral, siis kõneldakse lokaalsest miinimumist. Kui funktsioonil on vaadeldavas punktis kas lokaalne maksimum või lokaalne miinimum, siis öeldakse, et tal on lokaalne ekstreemum. Lause 5 (Fermat teoreem, tarvilik tingimus lokaalseks ekstreemumiks). Olgu funktsioon f : D R intervalli D sisepunktis a diferentseeruv ning olgu tal selles punktis lokaalne ekstreemum. Siis f (a) = 0. Tõestus. Konkreetsuse mõttes olgu funktsioonil f punktis a lokaalne maksimum. Olgu δ > 0 selline arv, et f (x) f (a) iga x U δ (a) korral. Siis ja 0 kõikide x (a δ, a) korral 0 kõikide x (a, a + δ) korral

6 4. Diferentseeruvad funktsioonid f(x) f(a) (selgitada!). Diferentseeruvuse eelduse tõttu eksisteerivad piirväärtused x a f(x) f(a) 0 ja + 0 ning need peavad olema võrdsed (selgitada!). Seega f (a) = x a f(x) f(a) = 0. x a Lokaalse miinimumi korral on tõestus analoogiline. Geomeetriliselt täendab lause 5 väide seda, et kui punktis a diferentseeruval funktsioonil on selles punktis lokaalne ekstreemum, siis tema graafikule punktis (a, f (a)) võetud tuletis on paralleelne x-teljega (selgitada!).rõutame, et tegemist on vaid tarviliku, üldjuul mitte piisava tingimusega. Litsaks kontranäiteks on funktsioon y = x 3, mis on punktis a = 0 diferentseeruv, tuletis selles punktis ja funktsioon is võrduvad nulliga, kuid punkti 0 igas ümbruses saab funktsioon nii positiivseid kui ka negatiivseid väärtusi. Lause 6 (Rolle i teoreem). Olgu f : [a, b] R pidev funktsioon, mis vaemikus (a, b) on diferentseeruv. Kui f (a) = f (b), siis leidub selline c (a, b), et f (c) = 0. Tõestus. Kõigepealt märgime seda, et Weierstrassi tuntud teoreemi koaselt (vt. 3, teoreem 7) on funktsioonil f lõigus [a, b] nii globaalne maksimum kui ka globaalne miinimum. Kui f on konstantne funktsioon, siis f (x) = 0 iga x [a, b] puul. Mittekonstantse funktsiooni f korral saab leida sellise z (a, b), et kas f (z) > f (a) või f (z) < f (a). Mõlemal juul peab väemalt üks globaalsetest ekstreemumitest paiknema vaemikus (a, b), olgu see punktis c (a, b). Lause 5 koaselt f (c) = 0. Geomeetriliselt täendab tõestatud väide seda, et kui funktsiooni f graafiku punkte (a, f (a)) ja (b, f (b)) läbib selline lõikaja, mis on x-teljega paralleelne, siis on nende vael selline graafiku punkt (c, f (c)), milles võetud puutuja on x-teljega paralleelne. Ei ole mingit põjust arvata, et see väide vaid x-teljega paralleelsete lõikajate ja puutujate puul ketib. Järgmine väide - nn. keskväärtusteoreem - ütlebki, et läbi graafiku punktide (a, f (a)) ja (b, f (b)) tõmmatud lõikajaga saab teatud punktis graafikule võtta selle lõikajaga paralleelse puutuja. Lause 7 (Lagrange i keskväärtusteoreem). Olgu f : [a, b] R pidev funktsioon, mis vaemikus (a, b) on diferentseeruv. Siis leidub selline c (a, b), et f (c) = Tõestuseks defineerime uue funktsiooni g (x) := f (x) f (b) f (a) b a f (b) f (a). (4) b a (), (x [a, b]). See on lõigus [a, b] pidev ning vaemikus (a, b) diferentseeruv, sealjuures g (a) = g (b), niisiis saame funktsioonile g rakendada Rolle i teoreemi. (Geomeetriliselt kõneldes, me pöörame funktsiooni f graafikut punkti (a, f (a)) ümber nii, et lõikaja, mis läbib punkte (a, f (a)) = (a, g (a)) ja (b, g (b)), oleks x-teljega paralleelne). Rolle i teoreemi koaselt leidub selline punkt c (a, b), et s.t. ketib (4). 0 = g (c) = f (c) f (b) f (a) b a

Matemaatiline analüüs III 7 Märkus. Tingimus (4) esitatakse titi kujul (selgitada!). f (a + ) f (a) = f (a + θ) mingi θ (0, ) korral Keskväärtusteoreemi abil on mugav kirjeldada funktsiooni f : [a, b] R monotoonsusomadusi. Lause 8. Olgu f : [a, b] R pidev funktsioon, mis vaemikus (a, b) on diferentseeruv. (a) Kui leiduvad sellised arvud m ja M, et m f (x) M iga x (a, b) korral, siis m (z y) f (z) f (y) M (z y) (a y z b). (b) Kui f (x) = 0 iga x (a, b) korral, siis f on konstantne. (c) Kui f (x) > 0 (f (x) 0) iga x (a, b) korral, siis f on rangelt kasvav (kasvav) funktsioon. (d) Kui f (x) < 0 (f (x) 0) iga x (a, b) korral, siis f on rangelt kaanev (kaanev) funktsioon. Tõestus. (a) Juul z = y on väide triviaalne. Kui z > y, siis keskväärtusteoreemi koaselt leidub c (a, b) omadusega m f (c) = f (z) f (y) z y M, mis on samaväärne tõestatava tingimusega. (b) Kui f (x) = 0 iga x (a, b) korral, siis rakendame väidet (a), võttes m = M = 0. (c) Kui f (x) > 0 iga x (a, b) korral, siis (keskväärtusteoreemi koaselt ketivas) tingimuses (4) on f (c) > 0, mistõttu f (z) f (y) = f (c) (z y) > 0, kui z > y. Seega on f rangelt kasvav. Analoogiliselt tõestatakse väite teine pool (iseseisvalt!). (d) (Iseseisvalt!). 4. Caucy keskväärtusteoreem ja L Hospitali reegel. Lause 9 (Caucy keskväärtusteoreem). Olgu f : [a, b] R ja g : [a, b] R pidevad funktsioonid, mis vaemikus (a, b) on diferentseeruvad, ning olgu g (x) 0 iga x (a, b) korral. Siis leidub selline c (a, b), et f (b) f (a) g (b) g (a) = f (c) g (c). (5) Tõestus. Kõigepealt märgime, et g (b) g (a), sest vastasel juul rauldaks g Rolle i teoreemi tingimusi ning g (x) võrduks nulliga väemalt ües punktis x (a, b). Moodustame funktsiooni f (b) f (a) (x) := f (x) (g (x) g (a)) g (b) g (a)

8 4. Diferentseeruvad funktsioonid ja paneme täele, et : [a, b] R on pidev ja vaemikus (a, b) diferentseeruv, seejuures (b) = (a) (kontrollida!). Rolle i teoreemi koaselt (c) = 0 mingis punktis c (a, b). Kuna (x) = f f (b) f (a) (x) g (b) g (a) g (x), siis saamegi seose (5). Märkus. Analoogiliselt Lagrange i keskväärtusteoreemiga saab ka valemile (5) anda teistsuguse kuju: f (a + ) f (a) g (a + ) g (a) = f (a + θ) g (a + θ) mingi θ (0, ) korral. Caucy keskväärtusteoreem annab litsa meetodi funktsioonide piirväärtuse arvutamiseks määramatuste 0 0 ja puul. või Lause 0 (L Hospitali reegel). Olgu a R. Kui kas f (x) g (x) = 0 (6) + + f (x) g (x) = (7) + + f ning eksisteerib piirväärtus (x) + =: L, siis g (x) + f(x) = L. g(x) Analoogiline tulemus ketib ka vasakpoolse ja kaepoolse piirväärtuse puul. f Tõestus. Piirväärtuse (x) + olemasolust tuleneb, et avaldis f (x) on määratud g (x) g (x) ulgas (a, a + ] mingi > 0 korral, seega on funktsioonid f ja g ulgas (a, a + ] diferentseeruvad, seejuures g (x) 0 iga x (a, a + ] korral. A. Vaatleme algul jutu (6). Defineerime uued funktsioonid F : [a, a + ] R ja G : [a, a + ] R seostega F (x) := { f (x), kui x (a, a + ], 0, kui x = a ja G (x) := { g (x), kui x (a, a + ], 0, kui x = a. Siis F ja G on pidevad ning vaemikus (a, a + ) diferentseeruvad (selgitada!), seejuures on G (x) = g (x) 0 iga x (a, a + ) korral. Caucy keskväärtusteoreemi koaselt saab iga x (a, a + ) korral leida c (a, x) omadusega f (x) g (x) F (x) F (a) = G (x) G (a) = F (c) G (c) = f (c) g (c) (selgitada!). Protsessis x a+ ketib c a+ (sest c on punktide a ja x vael), niisiis f (x) + g (x) f (c) c a+ g (c) = L. B. Juul (7) on tõestus keerulisem. Olgu ε suvaline positiivne arv, vae > 0 nii väikese, et

Matemaatiline analüüs III 9 ) funktsioonid f ja g oleksid ulgas (a, a + ) diferentseeruvad, 2) f (x), g (x) ja g (x) on nullist erinevad iga x (a, a + ) korral ja 3) f (c) L g (c) < ε iga x (a, a + ) korral. Fikseerime x 0 (a, a + ) ning olgu x (a, a + ) suvaline. Rakendame lõigus otspunktidega x ja x 0 Caucy keskväärtusteoreemi. Selle koaselt leidub nende punktide vael punkt c omadusega f (x) f (x 0 ) g (x) g (x 0 ) = f (c) g (c), järelikult (põjendada!). Täistades f (x) f (t) g (x) g (t) L < ε kõikide x, t (a, a + ) korral (8) ϕ (x) := g(x 0) g(x) f(x 0) f(x) ning märkides, et + ϕ (x) = (kontrollida!), saame seostest (8) ja f (x) f (x 0 ) g (x) g (x 0 ) = f (x) f(x 0) f(x) g (x) g(x 0) g(x) võrratuse f (x) ϕ (x) g (x) L < ε ek f (x) g (x), = f (x) ϕ (x) g (x) (x (a, a + )) Lϕ (x) < ε ϕ (x) (x (a, a + )), millest omakorda järeldub f (x) g (x) L f (x) Lϕ (x) g (x) + Lϕ (x) L (9) < ε ϕ (x) + L ϕ (x) (x (a, a + )) Vae δ > 0 nii väikese, et δ ja iga x (a, a + δ) korral ketib võrratus ϕ (x) < ε ek ϕ (x) < ε + (x (a, a + δ)). (0) Võrratustest (9) ja (0) tuleneb tingimus f (x) g (x) L < ε (ε + ) + L ε (x (a, a + δ)), mis täendabki, et + f(x) g(x) = L. Analoogiliselt tõestatakse väited vasakpoolsete piirväärtuste korral. Litne on näa, et kui väited ketivad nii parem- kui vasakpoolsete piirväärtuste jaoks, siis ketivad nad ka kaepoolsete piirväärtuste puul.

0 4. Diferentseeruvad funktsioonid Märkus 2. Analoogilised väited (analoogiliste tõestustega) ketivad juul, kui piirprotsess on kas x või x. 5. Kõrgemat järku tuletised. Taylori valem. Olgu funktsioon f : D R intervalli D sisepunktis a ja selle ümbruses U δ (a) = (a δ, a + δ ) diferentseeruv. juul on määratud funktsioon f : (a δ, a + δ ) R, x f (x) ja me võime püstitada küsimuse tema diferentseeruvusest punktis a. Kui vastus on positiivne, s.t. eksisteerib funktsiooni f tuletis f (a) := (f ) (a), siis seda nimetame esialgse funktsiooni f teiseks (ek teist järku) tuletiseks punktis a ja ütleme, et f on punktis a kaks korda diferentseeruv. Eeldades, et f on kaks korda diferentseeruv punkti a mingis ümbruses U δ2 (a) = (a δ 2, a + δ 2 ) U δ (a), uurime funktsiooni f : (a δ 2, a + δ 2 ) R, x f (x) diferentseeruvust punktis a. Positiivse vastuse korral saame funktsiooni f kolmanda (ek kolmandat järku) tuletise f (a) := (f ) (a). Üldiselt, kui funktsioonil f on punkti a ümbruses U δn (a) = (a δ n, a + δ n ) olemas (n )-järku tuletis f (n ) : (a δ n, a + δ n ) R, x f (n ) (x), mis punktis a on diferentseeruv, siis öeldakse, et f on punktis a n korda diferentseeruv, ja funktsiooni f (n ) tuletist ( f (n )) (a) nimetatakse funktsiooni f n-järku tuletiseks punktis a. Olgu f : D R punktis a n korda diferentseeruv funktsioon. Me seame endale eesmärgiks leida niisugune polünoom, mis võimalikult ästi läendaks seda funktsiooni punkti a mingis ümbruses. Kui n =, siis sobib selleks esimese astme polünoom T (x) := f (a)+f (a) () (vt. punkt ). Kui f on punktis a kaks korda diferentseeruv (s.t. n = 2), siis defineerime T 2 (x) := f (a) + f (a) () + 2 f (a) () 2 ja paneme täele, et T 2 (a) = f (a), T 2 (a) = f (a) ja T 2 (a) = f (a), mis muuulgas ütleb, et funktsioonide f ja T 2 väärtused punktis a langevad kokku ja neil on üine puutuja. See annab põjust arvata, et punkti a teatavas ümbruses on T 2 funktsioonile f eaks läendiks. Üldjuul, kui f on n korda diferentseeruv, moodustame polünoomi T n (x) := f (a) + f (a) () + 2 f (a) () 2 +... + n! f (n) (a) () n = n k=0 k! f (k) (a) () k Sel

Matemaatiline analüüs III (siin f (0) := f), mida nimetatakse n-järku Taylori polünoomiks. Vaetu kontroll näitab, et T n (k) (a) = f (k) (a) kõikide k = 0,,..., n korral. Samal ajal on litne veenduda, et kui mingi n-astme polünoom P (x) = a 0 + a () +... + a n () n rauldab tingimust P (k) (a) = f (k) (a) iga k = 0,,..., n korral, siis P = T n, s.t. a k = f (k) (a) (kontrollida!). See asjaolu õigustabki sellist polünoomide T k! n valikut. Allpool (vt. lause 2) näeme, et tegelikult on T n kõikide n-astme polünoomide ulgas (teatavas mõttes) parim läend funktsioonile f punkti a ümbruses. Täistame R n+ (a, x) := f (x) T n (x), seega f (x) = f (a) +! f (a) () +... + n! f (n) (a) () n + R n+ (a, x). Seda valemit nimetatakse funktsiooni f Taylori valemiks punktis a ja avaldist R n+ (a, x) nimetatakse Taylori valemi jääkliikmeks, sellele saab anda erinevaid esitusi. Toome järgnevas mõned tätsamad jääkliikme kujud. Olgu b U δ (a) fikseeritud ja t U δ (a) muutuv suurus. Täistame F (t) := R n+ (t, b) = f (b) n k=0 k! f (k) (t) (b t) k, siis F (t) = n k=0 n = + n k= k=0 k! f (k+) (t) (b t) k n k= k! f (k) (t) ( ) k (b t) k k! f (k+) (t) (b t) k n! f (n+) (t) (b t) n (k )! f (k) (t) (b t) k = n! f (n+) (t) (b t) n (kontrollida!). Moodustame abifunktsiooni G (t) := (b t) r, kus r on mingi naturaalarv. Olgu := b a. Caucy keskväärtusteoreemi koaselt leidub selline arv θ (0, ), et F (a) F (b) G (a) G (b) = F (a + θ) G (a + θ). Seejuures F (a) = R n+ (a, b), F (b) = G (b) = 0, G (a) = (b a) r, F (a + θ) = n! f (n+) (a + θ) ( θ) n n, G (a + θ) = r ( θ) r r, täendab, F (a) (b a) r = rn! f (n+) (a + θ) ( θ) n r+ n r+,

2 4. Diferentseeruvad funktsioonid millest R n+ (a, b) = F (a) = rn! f (n+) (a + θ) ( θ) n r+ n+ Me saime (asendades fikseeritud b muutujaga x U δ (a)) jääkliikme nn Sclömilci üldkujul R n+ (a, x) = rn! f (n+) (a + θ ()) ( θ) n r+ () n+. Sellest saadakse juul r = jääkliige Caucy kujul ja juul r = n + Lagrange i kujul R n+ (a, x) = n! f (n+) (a + θ ()) ( θ) n () n+ R n+ (a, x) = (n + )! f (n+) (a + θ ()) () n+. Märgime, et kuna eelduse koaselt on f (n+) ulgas U δ (a) pidev, siis on mingis väiksemas ümbruses U δ (a) U δ (a) tõkestatud (põjendada!). Seega (põjendada!). Võtame eelneva arutelu kokku järgmiseks teoreemiks. R n+ (a, x) () n = 0 () Teoreem (Taylori teoreem). Kui funktsioon f : D R on intervalli D sisepunkti a mingis ümbruses U δ (a) n+ korda pidevalt diferentseeruv, siis leidub selline arv θ (0, ), et f (x) = f (a) +! f (a) () +... + n! f (n) (a) () n + (n + )! f (n+) (a + θ ()) () n+. (2) Seejuures rauldab jääkliige R n+ (a, x) = f (n+) (a + θ ()) () n+ (n+)! (). tingimust Järgmise lause koaselt on esitus (2) teatavas mõttes üeselt määratud. Lause 2. Olgu funktsioon f : D R on intervalli D sisepunkti a mingis ümbruses U δ (a) n + korda pidevalt diferentseeruv ja olgu P (x) = n k=0 a kx k selline polünoom, et k=0 f (x) n k=0 a k () k () n = 0. (3) Siis a k = f (k) (a) (k = 0,..., n). k! Tõestus. Asendame valemisse (3) f (x) seosest (2), saame ( n ( ) ) () k k! f (k) (a) a k () n + (n + )! f (n+) (a + θ ()) () = 0.

Matemaatiline analüüs III 3 See võrdus on võimalik vaid juul a k = k! f (k) (a) (k = 0,..., n) (selgitada!). Näide. Leiame eksponentfunktsiooni f (x) = e x esituse Taylori valemi abil punkti a = 0 ümbruses. Valemi (2) koaselt e x = +! x + 2! x2 +... + n! xn + eθx (n + )! xn+ (kontrollida!). Jääkliige R n+ (0, x) = eθx (n+)! xn+ kirjeldab viga, mida me teeme, kui asendame funktsiooni väärtuse e x polünoomiga + x +! 2! x2 +... + n! xn. Selle vea indamiseks paneme täele, et kui b > 0, siis e θx (n + )! xn+ bn+ (n + )! e3 ( x b). b Seejuures n+ n = 0 (selgitada!), niisiis (n+)! n R n+ (0, x) = 0 iga x R korral (selgitada!) ek e x x k = iga x R korral. k! k=0