background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

Oznaczenia:

N

{123, . . .}

N

atural

Z

{0, ±1, ±2, ±3, . . .}

Z

ahl

Q

=

(

p
q

p, q ∈ ∧ q 6= 0

)

Q

uotient

R

= zbiór liczb rzeczywistych.

R

eal

N

Z

Q

R

N

⊂ ⊂ ⊂ R

1

Przekształcenia wyrażeń algebraicznych, wzory skró-
conego mnożenia.

Definicja 1.

Wyrażeniem algebraicznym nazywamy jedną lub kilka wielkości algebraicznych:

liczb, symboli literowych, połączonych znakami działań, takimi jak dodawanie „+”, odejmowanie
”, mnożenie „·”, dzielenie „:”, potęgowanie „(·)

n

”, pierwiastkowanie „

n

·” itp. oraz różnego

rodzaju nawiasami. Nawiasy pozwalają ustalić kolejność wykonywania działań arytmetycznych.

Przykłady wyrażeń algebraicznych:

a

2

− 3

b − a

,



+

b



2

a − b

,

+ 1

x

+

x

:

1

x

2

x

.

Definicja 2.

Tożsamość algebraiczna to taka równość dwu wyrażeń algebraicznych, że po wsta-

wieniu dowolnych wartości liczbowych w miejsce symboli literowych równość jest prawdziwa.

Podstawowe tożsamości algebraiczne - WZORY SKRÓCONEGO MNOŻENIA:

(a ± b)

2

a

2

± 2ab b

2

(1)

(a ± b)

3

a

3

± 3a

2

+ 3ab

2

± b

3

(2)

(c)

2

a

2

b

2

c

2

+ 2ab + 2ac + 2bc

(3)

a

2

− b

2

= (a − b)(b)

(4)

a

3

− b

3

= (a − b)(a

2

ab b

2

)

(5)

a

3

b

3

= (b)(a

2

− ab b

2

)

(6)

a

4

− b

4

= (a − b)(b)(a

2

b

2

)

(7)

a

n

− b

n

= (a − b)(a

n

1

a

n

2

· · · ab

n

2

b

n

1

),

n > 1, n ∈ N

(8)

(b)

n

=

n

X

k

=0

 

n
k

!

a

n

−k

b

k

,

gdzie n ∈ N,

 

n

k

!

=

n!

(n − k)!k!

.

(9)

Definicja 3.

Przekształceniem tożsamościowym nazywamy dowolne przekształcenie danego wy-

rażenia algebraicznego, które produkuje wyrażenie tożsamościowo mu równe.

Przekształceniem wyrażeń algebraicznych nazywamy sprowadzenie ich do równoważnych (na ogół
prostszych) postaci, np. w celu skrócenia danego wyrażenia, usunięcia niewymierności z mianow-
nika itp.:

a(a − b− a

2

ab − a

2

=

b

a − b

,

a

a −

b

=

a



+

b



a − b

.

1

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

2

Funkcje trygonometryczne.

2.1

Kąt i jego miara

Definicja 4.

Części płaszczyzny ograniczone dwiema półprostymi wychodzącymi ze wspól-

nego punktu nazywamy kątami, przy czym kąt α jest kątem wypukłym, zaś β kątem wklęsłym.
Półproste nazywamy ramionami tych kątów, a punkt ich wierzchołkiem.

α

O

β

p

q

Miara stopniowa stosowana w geometrii oparta jest na podziale pełnego kąta na 360 równych
części, tzn. 360

. Dalszego podziału dokonuje się w systemie sześćdziesiątkowym, tzn. 1

= 60

(minut), 1

= 60

′′

(sekund).

1

Do ilościowego opisu kąta stosuje się również tzw. miarę łukową.
Miarą łukową kąta nazywamy liczbę α będącą stosunkiem długości łuku okręgu o środku w O,
zawartego wewnątrz kąta, do promienia okręgu r. Jednostką miary łukowej jest radian (rad)
będący miarą kąta, którego długość łuku okręgu jest równa promieniowi okręgu.
1 rad

= 57

17

448

′′

= 57,2958

l

r

α

O

p

q

α =

l

r

Kąt, którego jedno ramię wyróżniamy jako początkowe, a drugie jako końcowe nazywamy
kątem skierowanym.

α

O

p

q

Kąt skierowany otrzymujemy przez obrót na płaszczyźnie półprostej wycho-
dzącej z ustalonego punktu O. Jeżeli kierunek obrotu jest przeciwny do ruchu
wskazówek zegara, to przyjmujemy, że kąt ma miarę dodatnią, a jeżeli kieru-
nek jest zgodny z ruchem wskazówek zegara, to kąt ma miarę ujemną.

2.2

Funkcje trygonometryczne kąta skierowanego

Niech α będzie miarą dowolnego kąta skierowanego na płaszczyźnie XOY . Wówczas

1

W geodezji kąt płaski mierzy się w gradusach. Kąt pełny odpowiada 400 gradusom.

2

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

1

1

1

x

y

α

(

x

,

y

)

r

x

y

sin(·) : R ∋ α 7→ sin α =

y
r

,

cos(·) : R ∋ α 7→ cos α =

x

r

,

tg(·) : R \



π

2

kπ k ∈ Z



∋ α 7→ tg α =

y
x

,

ctg(·) : R \ {kπ k ∈ Z} ∋ α 7→ ctg α =

x
y

.

2.3

Związki między funkcjami trygonometrycznymi tego samego ar-
gumentu

α

R

sin

2

α + cos

2

α = 1

α

R\

{

π

2

+:k∈Z

}

tg α =

sin α

cos α

,

α

R\{kπk∈Z}

ctg α =

cos α

sin α

,

α

R\

{

2

k∈Z

}

tg α · ctg α = 1.

2.4

Funkcje trygonometryczne podwojonego argumentu oraz sumy i
różnicy argumentów

sin(α ± β) = sin α cos β ± cos α sin β,

cos(α ± β) = cos α cos β ∓ sin α sin β,

sin 2α = 2 sin α cos α,

cos 2α = cos

2

α − sin

2

α = 2 cos

2

α − 1 = 1 − 2 sin

2

α.

2.5

Okresowość funkcji trygonometrycznych

Funkcje sin(·) i cos(·) są funkcjami okresowymi o okresie podstawowym 2π, natomiast funkcje
tg(·) i ctg(·) są funkcjami okresowymi o okresie podstawowym π, tzn.

sin(α + 2) = sin α,

k ∈ Z,

cos(α + 2) = cos α,

k ∈ Z,

tg(α ) = tg α,

k ∈ Z,

ctg(α ) = ctg α,

k ∈ Z.

2.6

Parzystość funkcji trygonometrycznych

Funkcja cos(·) jest funkcją parzystą, zaś pozostałe funkcje są nieparzyste, tzn.:

cos(−α) = cos α,

sin(−α) = − sin α, tg(−α) = tg α, ctg(−α) = − ctg α.

3

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

2.7

Znaki funkcji trygonometrycznych w poszczególnych ćwiartkach

Zakres kąta; α ∈

(090

)

(90

180

)

(180

270

) (270

360

)



0,

π

2





π

2

, π





π,

3
2

π





3
2

π, 2π



sin α

+

+

cos α

+

+

tg α

+

+

ctg α

+

+

2.8

Wartości funkcji trygonometrycznych podstawowych argumentów

α =

Kąt w stopniach

0

30

45

60

90

180

270

360

Miara łukowa

0

π

6

π

4

π

3

π

2

π

3
2

π

2π

sin α

0

1
2

2

2

3

2

1

0

1

0

cos α

1

3

2

2

2

1
2

0

1

0

1

tg α

0

3

3

1

3

×

0

×

0

ctg α

×

3

1

3

3

0

×

0

×

2.9

Wzory redukcyjne

β =

π

2

− α

π

2

α

π − α

π α

3
2

π − α

3
2

π α

2π − α 2π α

sin β

cos α

cos α

sin α

− sin α − cos α − cos α − sin α

sin α

cos β

sin α

− sin α − cos α − cos α − sin α

sin α

cos α

cos α

tg β

ctg α

− ctg α

− tg α

tg α

ctg α

− ctg α

− tg α

tg α

ctg β

tg α

− tg α

− ctg α

ctg α

tg α

− tg α

− ctg α

ctg α

UWAGA! Wzory redukcyjne można zapamiętać stosując dwie zasady:
ZASADA I:

Ustalanie znaku, patrz 2.7.

ZASADA II:

W „okolicach”

π

2

i

3
2

π funkcja zmienia się na kofunkcję (tzn. sin(·) na cos(·), cos(·)

na sin(·), tg(·) na ctg(·) i ctg(·) na tg(·)).

2.10

Wykresy funkcji trygonometrycznych

Niech będzie argumentem funkcji trygonometrycznych. Wtedy mamy następujący opis tych
funkcji = sin x= cos x= tg = ctg x.

4

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

1

1

1

1

x

y

x

1

1

π

−π

arc(x)

x

y

Rysunek 1: Konstrukcja sinusoidy.

1

1

1

1

y

x

x

1

1

π

−π

arc(x)

x

y

Rysunek 2: Konstrukcja cosinusoidy.

1

1

π

2π

−π

2π

π

2

π

2

x

y

y

= sin x

Rysunek 3: Wykres funkcji sin(·) (sinusoida).

1

1

π

2π

−π

2π

π

2

π

2

x

y

y

= cos x

Rysunek 4: Wykres funkcji cos(·) (cosinusoida).

5

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

1

2

1

2

π

2π

−π

2π

π

2

π

2

x

y

y

= tg x

3π

2

3π

2

Rysunek 5: Wykres funkcji tg(·) (tangensoida)

1

2

1

2

π

2π

−π

2π

π

2

π

2

x

y

y

= ctg x

Rysunek 6: Wykres funkcji ctg(·) (cotangensoida).

6

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

3

Funkcje odwrotne do funkcji trygonometrycznych.

Funkcje cyklometryczne (funkcje kołowe) to funkcje odwrotne do funkcji trygonometrycznych
ograniczonych do pewnych przedziałów. Funkcje trygonometryczne rozpatrywane na całym zbio-
rze R nie są oczywiście różnowartościowe, ale jeśli zawęzimy dziedziny do pewnych przedziałów

(sin :



π

2

,

π

2



→ h−11i; cos : h0, πi → h−11i; tg :



π

2

,

π

2



→ R; ctg h0, πi → R), to tak

określone funkcje będą już różnowartościowe i mają funkcje odwrotne.

Definicja 5.

Funkcję odwrotną do funkcji sin (sinus) obciętej do przedziału



π

2

,

π

2



nazywamy

arc sin (arkus sinus). Mamy zatem

arc sin y ⇐⇒ sin dla − 1 6 6 1, −

π

2

6

6

π

2

.

Dziedziną funkcji arc sin jest przedział

D

arc sin

h−11i, zaś zbiorem wartości przedział

R

arc sin

=



π

2

,

π

2



.

1

1

−π

π

2

π

2

x

y

y

= sin x

1

1

π

2

π

2

y

x

y

= arc sin x

Rysunek 7: Wykresy funkcji = sin = arc sin x.

Definicja 6.

Funkcję odwrotną do funkcji cos (cosinus) obciętej do przedziału h0, πi nazywamy

arc cos (arkus cosinus). Mamy zatem

arc cos y ⇐⇒ cos dla − 1 6 6 10 6 π.

Dziedziną funkcji arc cos jest przedział

D

arc cos

h−11i, zaś zbiorem wartości przedział

R

arc cos

h0, πi.

1

1

π

−π

π

2

π

2

x

y

y

= cos x

1

1

π

y

x

π

2

y

= arc cos x

Rysunek 8: Wykresy funkcji = cos = arc cos x.

7

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

Definicja 7.

Funkcję odwrotną do funkcji tg (tangens) obciętej do przedziału



π

2

,

π

2



nazy-

wamy arc tg (arkus tangens). Mamy zatem

arc tg y ⇐⇒ tg dla x ∈ R, −

π

2

< y <

π

2

.

Dziedziną funkcji arc tg jest

D

arc tg

= R, zaś zbiorem wartości przedział

R

arc tg

=



π

2

,

π

2



.

1

1

π

−π

π

2

π

2

x

y

y

= tg x

π

2

π

2

y

x

y

= arc tg x

Rysunek 9: Wykresy funkcji = tg = arc tg x.

Definicja 8.

Funkcję odwrotną do funkcji ctg (cotangens) obciętej do przedziału (0, π) nazy-

wamy arc ctg (arkus cotangens). Mamy zatem

arc ctg y ⇐⇒ ctg dla x ∈ R< y < π.

Dziedziną funkcji arc ctg jest D

arc ctg

= R, zaś zbiorem wartości przedział

R

arc ctg

= (0, π).

1

1

π

−π

π

2

π

2

x

y

y

= ctg x

π

y

x

y

= arc ctg x

Rysunek 10: Wykresy funkcji = ctg = arc ctg x.

Uwaga 9.

Wykresy funkcji cyklometrycznych otrzymujemy odbijając symetrycznie względem pro-

stej y x wykresy funkcji trygonometrycznych ograniczonych do pewnych przedziałów:

8

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

1

1

π

2

π

2

y

x

y

= arc sin x

y

= arc sin x

y

= arc sin x

y

= sin x

y

= sin x

y

= sin x

y

x

π

2

π

2

y

x

y

= arc tg x

y

= arc tg x

y

= arc tg x

y

= tg x

y

= tg x

y

= tg x

y

x

1

2

3

1

π

y

x

π

2

y

x

= cos x

= cos x

= cos x

= arc cos x

= arc cos x

= arc cos x

π

y

x

y

x

= ctg x

= ctg x

= ctg x

= arc ctg x

= arc ctg x

= arc ctg x

3.1

Podstawowe tożsamości z funkcjami cyklometrycznymi

arc sin + arc cos =

π

2

dla każdego x ∈ h−11i.

(10)

arc tg + arc ctg =

π

2

dla każdego x ∈ R.

(11)

9

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

4

Wielomiany i działania na nich.

Definicja 10.

Jednomianem jednej zmiennej nazywamy wyrażenie postaci ax

n

, gdzie jest

ustaloną liczbą rzeczywistą, zwaną współczynnikiem jednomianujest liczbą naturalną, a x
jest zmienną.
Jednomianem m zmiennych nazywamy wyrażenie postaci ax

n

1

1

x

n

2

2

· · · x

n

m

m

, gdzie jest ustaloną

liczbą rzeczywistą, zwaną współczynnikiem jednomianun

1

, n

2

, . . . , n

m

∈ N, a x

1

, x

2

, . . . , x

m

zmiennymi.

Przykłady jednomianów:

2xz7ax

3

y

2

z.

Wyrażenia algebraiczne

a

b

, 2

nie są jednomianami.

Definicja 11.

Wielomianem nazywamy wyrażenie będące sumą jednomianów lub jednomianem.

Wielomianem stopnia n zmiennej rzeczywistej nazywamy wyrażenie, które ma postać

a

n

x

n

a

n

1

x

n

1

. . . a

2

x

2

a

1

a

0

,

gdzie a

n

, a

n

1

, . . . , a

2

, a

1

, a

0

∈ R, a

n

6= 0 i n ∈ N.

Liczby a

n

a

n

1

, . . . , a

2

a

1

a

0

nazywamy współczynnnikami wielomianu.

Jeżeli a

n

a

n

1

. . . a

2

a

1

= 0 i a

0

6= 0, to taki wielomian nazywamy wielomianem stałym,

a jego stopień równa się zeru.
Jeżeli a

n

a

n

1

. . . a

2

a

1

a

0

= 0, to taki wielomian nazywamy wielomianem zerowym.

Przyjmuje się, że stopień wielomianu zerowego nie jest określony.

Uwaga 12.

Funkcja liniowa f (x) = ax b, gdzie a ∈ \ {0}, b ∈ R, jest wielomianem stopnia

pierwszego, natomiast funkcja kwadratowa f (x) = ax

2

bx c, gdzie a ∈ \ {0}, b, c ∈ R, jest

wielomianem stopnia drugiego.

Dwa wielomiany są równe wtedy i tylko wtedy, gdy są wielomianami tego samego stopnia i
mają równe współczynniki przy odpowiednich potęgach zmiennej.
Na przykład wielomiany (x) = 2x

3

x

2

− 3+ 1 i Q(x) = 1 − 3x

2

+ 2x

3

są równe.

Jeżeli w wielomianie jednej zmiennej w miejsce zmiennej podstawimy ustaloną liczbę, to po
wykonaniu wskazanych działań otrzymamy wartość wielomianu dla tej liczby. W wielomianie m
zmiennych należy podstawić ciąg liczb, aby otrzymać wartość liczbową wielomianu dla tego
ciągu.
W zbiorze wielomianów tych samych zmiennych wykonalne są następujące działania:

dodawanie

odejmowanie mnożenie.

Aby dodać wielomian musimy dodać wyrazy podobne oraz uporządkować je.
Mnożenie wielomianów polega na wymnożeniu przez siebie wyrazów obu wielomianów.
Działania dodawania i mnożenia są działaniami przemiennymi oraz łącznymi.

Przykład 13.

Niech (x) = x

2

− 1 i Q(x) = 2x

3

− x

2

− 1. Wtedy

(x) + Q(x) = 2x

3

− 2,

(x− Q(x) = 2x

3

+ 2x

2

,

(x· Q(x) = 2x

5

− x

4

− 2x

3

+ 1.

10

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

Dzielenie wielomianów wykonujemy podobnie do dzielenia liczb całkowitych.

Przykład 14.

Niech (x) = x

4

− 1 i (x) = + 1. Wtedy

(x)

(x)

=

x

4

− 1

+ 1

x

3

− x

2

x − 1.

Wielomian W jest podzielny przez wielomian P , jeżeli istnieje wielomian Q, taki że

(x) = (x)Q(x).

Np. wielomian x

2

− 1 jest podzielny przez wielomian + 1, gdyż x

2

− 1 = (+ 1)(x − 1).

Twierdzenie 15

(Twierdzenie o dzieleniu z resztą wielomianów)Dla każdego wielomianu W i

każdego niezerowego wielomianu P istnieją wielomiany Q i R, takie że

QP R

i stopień wielomianu R jest mniejszy od stopnia wielomianu P lub wielomian R jest wielomianem
zerowym.

Wielomian nazywamy resztą z dzielenia W przez P .

Przykład 16.

Niech (x) = x

4

− x

2

(x) = x

2

− 2. Wtedy

(x)

(x)

=

x

4

− x

2

x

2

− 2

x

2

+ 1 +

2

x

2

− 2

x

4

− x

2

= (x

2

+ 1)(x

2

− 2) + 2.

Zatem wielomian R(x) = 2 jest resztą z dzielenia przez .

Jeżeli jest wielomianem zerowym, to mówimy, że wielomian jest dzielnikiem wielomianu W .
Wówczas otrzymujemy równość QP , z której wynika, że też jest dzielnikiem .

4.1

Twierdzenie B´

ezoute’a, rozkład wielomianu na czynniki, równa-

nia, nierówności wielomianowe

Miejscem zerowym (pierwiastkiem) wielomianu (x) = a

n

x

n

a

n

1

x

n

1

. . . a

2

x

2

a

1

a

0

nazywamy liczbę x

0

∈ R, dla której wartość wielomianu jest równa 0, tzn. (x

0

) = 0.

Twierdzenie 17

(Twierdzenie B´ezoute’a).

Liczba x

0

jest miejscem zerowym wielomianu W (xwtedy i tylko wtedy, gdy wielomian W (x)

jest podzielny przez dwumian (x − x

0

).

Dowód. Załóżmy, że liczba x

0

jest pierwiastkiem wielomianu . Na mocy Twierdzenia o dzie-

leniu z resztą (patrz Twierdzenie 15) mamy (x) = (x − x

0

)Q(x) + R, gdzie są wie-

lomianami, przy czym jest wielomianem stałym. Podstawiając x

0

dostajemy (x

0

) =

(x

0

− x

0

)Q(x

0

) + R. Z założenia wiemy, że (x

0

) = 0, zatem R ≡ 0, więc wielomian W

jest podzielny przez dwumian x − x

0

.

Odwrotnie, niech (x) = (x−x

0

)(x), gdzie (x) jest pewnym wielomianem. Wówczas (x

0

) =

(x

0

− x

0

)(x

0

) = 0.

11

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

Twierdzenie 18.

Jeśli x

0

=

p
q

, gdzie p, q ∈ i q 6= 0, jest wymiernym pierwiastkiem wielomianu

(x) = a

n

x

n

a

n

1

x

n

1

· · · a

1

a

0

, gdzie a

n

6= 0 i a

i

∈ Z, i = 0, . . . , n, to p dzieli a

0

i q

dzieli a

n

.

Dowód. Załóżmy, że x

0

=

p
q

, gdzie p, q ∈ Z i q 6= 0, jest wymiernym pierwiastkiem wielomianu

oraz liczby są względnie pierwsze. Wtedy W

 

p
q

!

= 0, tzn.

a

n

p

n

q

n

a

n

1

p

n

1

q

n

1

· · · a

1

p
q

a

0

= 0.

Stąd a

n

· p

n

a

n

1

· p

n

1

· q · · · a

1

· p · q

n

1

a

0

· q

n

= 0, zatem

a

0

· q

n

−p ·



a

n

· p

n

1

a

n

1

· p

n

2

· q · · · a

1

· q

n

1



,

(12)

a

n

· p

n

−q



a

n

1

· p

n

1

· · · a

1

· p · q

n

2

a

0

· q

n

1



.

(13)

Ponieważ NWD(p, q)=1, więc z (12) dzieli a

0

i z (13) dzieli a

n

Wniosek 19.

Jeśli wielomian W (x) = a

n

x

n

a

n

1

x

n

1

· · · a

1

a

0

, gdzie a

n

6= 0 i a

i

∈ Z,

= 0, . . . , n, ma miejsce zerowe x

0

∈ Z, x

0

jest dzielnikiem wyrazu wolnego a

0

.

Rozkład na czynniki wielomianu polega na przedstawieniu go w postaci iloczynu wielomianów.

Twierdzenie 20

(o postaci iloczynowej).

Jeżeli wielomian W (x) = a

n

x

n

a

n

1

x

n

1

· · · a

1

a

0

, gdzie a

n

6= 0 i a

i

∈ R, i = 0, . . . , n,

ma n różnych miejsc zerowych x

1

, x

2

, . . . , x

n

, to

(x) = a

n

(x − x

1

)(x − x

2

· · · (x − x

n

).

Twierdzenie 21

(o rozkładzie wielomianu na czynniki).

Każdy wielomian można przedstawić w postaci iloczynu czynników co najwyżej drugiego stopnia.

Liczba x

0

jest k-krotnym miejscem zerowym wielomianu , jeżeli ten wielomian jest podzielny

przez (x − x

0

)

k

i nie jest podzielny przez (x − x

0

)

k

+1

k ∈ N.

Metody rozkładania wielomianów na czynniki:

• wyłączanie wspólnego czynnika przed nawias,

• grupowanie wyrazów,

• stosowanie wzorów skróconego mnożenia,

• zastosowanie twierdzenia B´

ezouta.

12

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

4.2

Nierówności wielomianowe.

Nierównością wielomianową nazywamy każdą nierówność w postaci: (x0, (x) > 0, (x<
0 oraz (x) 6 0, gdzie jest wielomianem.

4.2.1

Rozwiązywanie nierówności wielomianowych.

• przenosimy wszystko na jedną stronę

• rozkładamy wielomian na czynniki

• rozwiązujemy otrzymaną nierówność wielomianową będącą w postaci iloczynowej.

Przykład 22.

Rozwiążmy nierówność (x − 3)

3

· (+ 2)

2

· (1 − x· (2 − x) 6 0.

Wówczas

x

1

2

3

2

Zatem x ∈ (−∞, 1i ∪ h23i.

13

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

5

Funkcje wymierne.

Definicja 23.

Funkcją wymierną nazywamy iloraz postaci

w(x) =

(x)
Q(x)

,

(14)

gdzie są wielomianami, przy czym nie jest wielomianem zerowym. Jeżeli wielomiany
te są rzeczywiste, to mówimy o funkcjach wymiernych rzeczywistych. Jeśli stP < st(stopień
wielomianu jest mniejszy niż stopień wielomianu Q), to mówimy, że funkcja wymierna jest
właściwa. W przeciwnym przypadku mówimy, że funkcja wymierna jest niewłaściwa.

Funkcja wymierna jest określona na zbiorze D

w

= R \ {x Q(x) = 0}.

Funkcjami wymiernymi są na przykład wyrażenia

x

2

+ 1

,

x

3

+ 7x

2

− 8

x

7

+ 1

.

Pierwsze z tych wyrażeń jest funkcją wymierną niewłaściwą, a drugie wyrażenie jest funkcją
wymierną właściwą.

Twierdzenie 24.

Każda funkcja wymierna niewłaściwa jest sumą niezerowego wielomianu i

funkcji wymiernej właściwej.

Dowód. Niech w(x) =

(x)
Q(x)

gdzie st> stQ. Niech będzie ilorazem, a Q— resztą z dzielenia

przez Q. Z Twierdzenia (o dzieleniu z resztą) mamy równość (x) = Q(x)S(x) + R(x), gdzie
stR < stQ. Ponieważ st> stQ, więc nie może być wielomianem zerowym. Wobec tego
możemy podzielić ostatnią równość stronami przez Q(x), otrzymując żądany rozkład wyjściowej
funkcji na sumę wielomianu i funkcji wymiernej właściwej:

(x)
Q(x)

=

Q(x)S(x) + R(x)

Q(x)

S(x) +

R(x)
Q(x)

.

Funkcja wymierna

R(x)
Q(x)

jest oczywiście właściwa, ponieważ stR < stQ.

Z powyższego dowodu wynika, że podany w twierdzeniu rozkład można zawsze znaleźć, wyko-
nując dzielenie licznika funkcji wymiernej przez jej mianownik (zwykłe dzielenie wielomianów z
resztą). Czasami udaje się dokonać rozkładu przy użyciu elementarnych przekształceń, np.:

x

2

+ 2x − 2

+ 1

=

x

2

+ 1 − 3

+ 1

=

x(+ 1) + (+ 1) − 3

+ 1

+ 1 

3

+ 1

.

5.1

Funkcja homograficzna i jej własności

Wśród funkcji wymiernych wyróżnia się funkcję postaci:

(x) =

ax b
cx 
d

,

(15)

14

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

gdzie c 6= 0 oraz ad − cb 6= 0.

D

f

= R \

(

d

c

)

,

(x∈ R

f

= R \



a

c



.

Funkcję zdefiniowaną wzorem (15) nazywamy funkcją homograficzną.
Wykresem funkcji homograficznej jest hiperbola.

X

Y

b

a

d

c

d

c

=

a

c

Jeżeli a 6= 0, to miejscem zerowym funkcji homograficznej jest 

b

a

.

Jeżeli ad − bc > 0, to funkcja homograficzna postaci (15) jest rosnąca w swojej dziedzinie.
Jeżeli ad − bc < 0, to funkcja homograficzna postaci (15) jest malejąca w swojej dziedzinie.
Jeżeli a 6= 0, to funkcja homograficzna postaci (15) jest funkcją wymierną niewłaściwą, więc z
Twierdzenia 24 mamy

(x) =

ax b
cx 
d

=

a

c

+

bc − ad

c(cx d)

.

Wówczas wykres funkcji (x) =

ax b
cx 
d

można otrzymać przez przesunięcie wykresu funkcji

(x) =

A

x

, gdzie =

bc − ad

c

2

, o wektor

"

d

c

,

a

c

#

.

5.2

Ułamki proste

Z Twierdzenia 24 wiemy, że każdą funkcję wymierną niewłaściwą można przedstawić w postaci
sumy wielomianu i funkcji wymiernej właściwej. Okazuje się, że każdą funkcję wymierną właściwą
można z kolei przedstawić w postaci sumy pewnych specjalnych funkcji wymiernych, zwanych
ułamkami prostymi.
Rzeczywiste ułamki proste dzielą się na ułamki proste pierwszego rodzaju oraz ułamki proste
drugiego rodzaju
.

15

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

Definicja 25.

Rzeczywistym ułamkiem prostym pierwszego rodzaju nazywamy funkcję wymier-

ną postaci

A

(x − a)

n

,

gdzie Aa ∈ R, a n ∈ N.

Definicja 26.

Rzeczywistym ułamkiem prostym drugiego rodzaju nazywamy funkcję wymierną

postaci

Ax B

(x

2

px q)

n

,

gdzie ABpq ∈ R, n ∈ N i p

2

− 4q < 0 (trójmian kwadratowy w mianowniku jest nierozkła-

dalny).

5.3

Rozkład funkcji wymiernej na ułamki proste.

Twierdzenie 27.

Niech w(x) =

(x)
Q(x)

będzie niezerową rzeczywistą funkcją wymierną właściwą.

Załóżmy, że mianownik Q ma następujący rozkład na rzeczywiste czynniki nierozkładalne:

Q(x) = a

n

(x − x

1

)

k

1

· · · (x − x

r

)

k

r

·



x

2

p

1

q

1



l

1

· · ·



x

2

p

s

q

s



l

s

.

Wówczas w(xjest sumą n

1

k

1

+k

2

+. . .+k

r

rzeczywistych ułamków prostych pierwszego rodzaju

oraz n

2

l

1

l

2

· · · l

s

rzeczywistych ułamków prostych drugiego rodzaju. W rozkładzie tym

każdemu czynnikowi

(x − x

i

)

k

i

,

= 1, . . . , r

odpowiada suma k

i

rzeczywistych ułamków prostych postaci

A

i

1

x − x

i

+

A

ik

2

(x − x

i

)

2

· · · +

A

ik

i

(x − x

i

)

k

i

,

natomiast każdemu czynnikowi



x

2

p

j

q

j



l

j

,

= 1, . . . , s

odpowiada suma l

j

rzeczywistych ułamków prostych drugiego rodzaju postaci

B

j

1

C

j

1

x

2

p

j

q

j

+

B

j

2

C

j

2

(x

2

p

j

q

j

)

2

· · · +

B

jl

j

C

jl

j

(x

2

p

j

q

j

)

l

j

.

tzn.

w(x) =

A

11

x − x

1

· · · +

A

1k

1

(x − x

1

)

k

1

· · · +

A

r

1

x − x

r

· · · +

A

rk

r

(x − x

r

)

k

r

+

+

B

11

C

11

x

2

p

1

q

1

· · · +

B

1l

1

C

1l

1

(x

2

p

1

q

1

)

l

1

+

B

s

1

C

s

1

x

2

p

s

q

s

· · · +

B

sl

s

C

sl

s

(x

2

p

s

q

s

)

l

s

.

Powyższy rozkład jest jednoznaczny z dokładnością do kolejności składników.

16

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

Zauważmy, że mianowniki funkcji wymiernej zostały podane w postaci iloczynu czynników nie-
rozkładalnych. Jeśli mianownik funkcji wymiernej podamy w postaci rozwiniętej, np.

+ 4

x

3

− x

2

− 2x

,

to musimy taki mianownik najpierw rozłożyć na czynniki:

+ 4

x(+ 1)(x − 2)

,

a dopiero potem zastosować twierdzenie o rozkładzie na ułamki proste.

Przykład 28.

Rozkład funkcji wymiernej postaci

1

(x − 3)

3

(+ 2)

na ułamki proste jest następujący:

1

(x − 3)

3

(+ 2)

=

A

x − 3

+

B

(x − 3)

2

+

C

(x − 3)

3

+

D

+ 2

Mianownik funkcji wymiernej jest iloczynem dwóch dwumianów, z których jeden występuje w
trzeciej, a drugi w pierwszej potędze. Otrzymujemy trzy ułamki proste odpowiadające dwumia-
nowi x − 3 oraz jeden ułamek prosty odpowiadający dwumianowi + 2.

Przykład 29.

Rozkład funkcji

1

(x

2

+ 2)

2

na ułamki proste jest następujący:

1

(x

2

+ 2)

2

=

A

x

+

Bx C

x

2

+ 2

+

Dx E

(x

2

+ 2)

2

Mianownik funkcji wymiernej jest iloczynem jednomianu stopnia pierwszego oraz drugiej potęgi
trójmianu nierozkładalnego. Otrzymujemy jeden ułamek prosty odpowiadający jednomianowi x
oraz dwa ułamki proste odpowiadające trójmianowi x

2

+ 2.

5.4

Równania i nierówności wymierne.

Równaniem wymiernym nazywamy równanie postaci: w(x) = v(x) gdzie są funkcjami
wymiernymi. Dziedziną tego równania jest część wspólna dziedzin funkcji wymiernych v.

5.4.1

Sposoby rozwiązywania równań wymiernych.

I sposób: (krótszy, ale ogólnie nie można stosować przy nierównościach)

• rozkładamy na czynniki wszystkie mianowniki

• ustalamy dziedzinę ( R

\ {miejsca zerowe mianowników})

17

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

• obustronnie mnożymy równanie przez wspólny mianownik

• rozwiązujemy otrzymane równanie liniowe, kwadratowe lub wielomianowe.

• sprawdzamy, czy rozwiązanie należy do dziedziny.

Przykład 30.

Rozwiążemy równanie

2

+ 1

+ 1
− x

=

x

2

x

2

− 1

.

(16)

Wtedy

2

+ 1

+ 1
− x

=

x

2

(x − 1)(+ 1)

,

= R \ {−11},

2

+ 1

+ 1
− x

=

x

2

(x − 1)(+ 1)

,

· (x − 1)(+ 1)

2(x − 1) + (+ 1)

2

x

2

2x − 2 + x

2

+ 2+ 1 = x

2

4= 1

=

1
4

∈ D.

Stąd =

1
4

jest rozwiązaniem równania (16).

II sposób:

• rozkładamy na czynniki wszystkie mianowniki

• ustalamy dziedzinę ( R

\ {miejsca zerowe mianowników})

• przenosimy wszystko na lewą stronę

• ustalamy wspólny mianownik

• rozszerzamy wszystko do wspólnego mianownika i zapisujemy na jednej kresce ułamkowej

• porównujemy licznik do zera (ułamek = 0 wtedy, gdy licznik = 0) i rozwiązujemy otrzy-

mane równanie liniowe, kwadratowe lub wielomianowe

• sprawdzamy, czy rozwiązanie należy do dziedziny.

Przykład 31.

Rozwiążemy równanie

2x

− x

+

4

x

= 3.

(17)

Wtedy = R \ {02i

2x · x + 4 · (2 − x− 3x(2 − x)

x(2 − x)

= 0

5x

2

− 10+ 8 = 0

∆ 0

Stąd brak rozwiązań równania (17) w zbiorze liczb rzeczywistych.

18

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

Uwaga 32.

Jeżeli równanie ma postać proporcji ( równość dwóch ułamków ) To: iloczyn wyra-

zów skrajnych jest równy iloczynowi wyrazów środkowych

• ustalamy dziedzinę ( R

\ {miejsca zerowe mianowników})

• porównujemy iloczyny wyrazów skrajnych i środkowych i rozwiązujemy otrzymane równanie

• sprawdzamy, czy rozwiązanie należy do dziedziny.

Przykład 33.

Rozwiążemy równanie

x

+ 2

=

3x

x − 3

.

(18)

Wtedy

= R \ {−23},

x(x − 3) = 3x(+ 2);

x

2

–3= 3x

2

+ 6x;

2x

2

+ 9= 0;

2x



+

9
2



= 0;

x

1

= 0 ∈ D ∨ x

2

4∈ D.

Zatem rozwiązaniem równania (18) są liczby 0 lub 4,5.

19

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

Nierównością wymierną nazywamy każdą nierówność w postaci:

(x)
Q(x)

0,

(x)
Q(x)

>

0,

Q(x)
Q(x)

0

oraz

(x)
Q(x)

6

0, gdzie są wielomianami.

5.4.2

Sposoby rozwiązywania nierówności wymiernych.

I sposób:

• przenosimy wszystko na jedną stronę

• rozkładamy na czynniki wszystkie mianowniki

• ustalamy dziedzinę ( R

\ {miejsca zerowe mianowników})

• ustalamy wspólny mianownik

• rozszerzamy wszystko do wspólnego mianownika i zapisujemy na jednej kresce ułamkowej

• porządkujemy licznik i rozkładamy go na czynniki

• iloraz (ułamek) zamieniamy na iloczyn (znak wyniku dla ilorazu i iloczynu podobnie usta-

lamy)

• rozwiązujemy otrzymaną nierówność wielomianową będącą już w postaci iloczynowej

• ustalamy część wspólną rozwiązania i dziedziny.

Przykład 34.

Rozwiążmy nierówność

2x − 5

x

2

− 6+ 8

6

1.

(19)

Wtedy

2x − 5

(x − 2)(x − 4)

+

1 (x

2

− 6+ 8)

(x − 2)(x − 4)

6

0 i

= R \ {24},

2x − 5 + x

2

− 6+ 8

(x − 2)(x − 4)

6

0;

x

2

− 4+ 3

(x − 2)(x − 4)

6

0;

(x − 1)(x − 3)
(x − 2)(x − 4)

6

0;

(x − 1)(x − 3)(x − 2)(x − 4) 6 0 ∧ x 6{24}.

X

1

2

3

4

x ∈ h12) ∪ h34).

Zatem rozwiązaniem nierówności (19) jest zbiór h12) ∪ h34).

20

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

II sposób:

• rozkładamy na czynniki wszystkie mianowniki

• ustalamy dziedzinę ( R

\ {miejsca zerowe mianowników})

• mnożymy obustronnie nierówność przez kwadraty mianowników liniowych lub przez inne

wyrażenia, których znak jest jednoznacznie określony

• rozwiązujemy otrzymaną nierówność wielomianową będącą już w postaci iloczynowej

• ustalamy część wspólną rozwiązania i dziedziny.

Przykład 35.

Rozwiążmy nierówność

− x

x

2

2

x

>

1.

(20)

Wtedy

= R \ {0},

− x

x

2

2

x

− 1 > 0

/ · x

2

− x − 2x − x

2

>

0;

−x

2

− 3+ 4 > 0;

(x − 1)(+ 4) > 0.

X

1

4

0

x ∈ h−14) \ {0}.

Zatem rozwiązaniem nierówności (20) jest zbiór h−14) \ {0}.

21

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

6

Funkcje wykładnicze i logarytmiczne.

6.1

Funkcje wykładnicze oraz ich własności.

Funkcją wykładniczą nazywamy funkcje określona wzorem

(x) = a

x

,

(21)

gdzie a ∈ (01) ∪ (1+).

D

f

= R,

(x∈ R

f

= R

+

= (0+).

Dla a ∈ (01) funkcja wykładnicza jest funkcją malejącą, natomiast dla a ∈ (1+) jest funkcją
rosnącą.

1

X

Y

a

x

a

x

a

x

< a < 1

< a < 1

< a < 1

1

X

Y

a

x

a

x

a

x

a > 1

a > 1

a > 1

Wykres funkcji wykładniczej nazywamy krzywą wykładniczą.

Ponieważ a

−x

=

1

a

x

=



1
a



x

, dla a < 0 i a 6= 1, więc krzywe wykładnicze a

x

=



1
a



x

symetryczne względem osi OY .

6.2

Równania i nierówności wykładnicze.

Równaniem wykładniczym (nierównością wykładniczą) nazywamy takie równanie (nierówność),
którego niewiadoma występuje tylko w wykładniku potęgi.
Równaniem wykładniczym jest na przykład równanie typu: a

f

(x)

a

g

(x)

, gdzie a ∈ \ {1a

(x) i g(x) są dowolnymi funkcjami zmiennej rzeczywistej.
Przykłady równań wykładniczych: 5

x

2

1

= 25, 2

2x

− · 2

x

= 6, itp.

Przykłady nierówności wykładniczych: 5

x

2

1

25, 2

2x

− · 2

x

6, itp.

22

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

Schemat rozwiązywania równań wykładniczych wygląda następująco:

• ustalamy dziedzinę

• sprowadzamy równanie, aby miało takie same podstawy lub sprowadzamy je do równania

kwadratowego albo do innego równania, tworząc przy tym odpowiednie założenia. Z rów-
ności podstaw wynika równość wykładników

• rozwiązujemy równanie

• sprawdzamy, czy rozwiązania przekształconych równań spełniają nasze założenie

• podajemy odpowiedź

W celu rozwiązania nierówności wykładniczej należy:

• ustalić dziedzinę

• sprowadzić obie strony nierówności do tych samych podstaw albo przekształcamy do innej

nierówności, którą potrafimy rozwiązać

• wykorzystujemy własności funkcji wykładniczej, przekształcając odpowiednio nierówność:

dla a > 1

a

n

> a

m

⇐⇒ n > m

a

n

< a

m

⇐⇒ n < m

analogicznie dla porównań „>” czy też „6”;

dla 0 < a < 1

a

n

> a

m

⇐⇒ n < m

a

n

< a

m

⇐⇒ n > m

analogicznie dla porównań „>” czy też „6”

• rozwiązujemy otrzymaną nierówność i sprawdzamy, czy rozwiązania należą do dziedziny

• udzielamy odpowiedzi

23

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

6.3

Funkcje logarytmiczne oraz ich własności.

Definicja 36.

Logarytmem liczby x > 0 przy podstawie a ∈ (01) ∪ (1+) nazywamy wy-

kładnik potęgi y, do której należy podnieść podstawę a, żeby otrzymać x.
Mamy więc

log

a

y ⇔ a

y

dla x > 0 i a ∈ (01) ∪ (1+).

Z definicji logarytmu wynikają następujące własności:

log

a

= 1dla a ∈ (01) ∪ (1+).

(22)

log

a

1 = 0dla a ∈ (01) ∪ (1+).

(23)

Jeżeli x > 0, y > 0 i a ∈ (01) ∪ (1+), to

log

a

(x · y) = log

a

+ log

a

y.

(24)

log

a

x
y

= log

a

x − log

a

y.

(25)

log

a

x

α

α log

a

x,

dla α ∈ R.

(26)

log

a

=

log

b

x

log

b

a

,

dla b ∈ (01) ∪ (1+).

(27)

log

a

=

1

log

x

a

,

dla x ∈ (01) ∪ (1+).

(28)

blog

b

a,

dla a > 0, b ∈ (01) ∪ (1+).

(29)

Funkcją logarytmiczną nazywamy funkcje określona wzorem

(x) = log

a

x,

gdzie a ∈ (01) ∪ (1+).

(30)

D

f

= R

+

= (0+),

(x∈ R

f

= R.

Funkcja logarytmiczna jest funkcją malejącą dla a ∈ (01), natomiast dla a ∈ (1+) jest
funkcją rosnącą.

1

X

Y

= log

a

x

= log

a

x

= log

a

x

< a < 1

< a < 1

< a < 1

1

X

Y

= log

a

x

= log

a

x

= log

a

x

a > 1

a > 1

a > 1

Wykres funkcji wykładniczej nazywamy krzywą logarytmiczną.
Ponieważ log

a

− log

1
a

x, dla a < 0 i a 6= 1, więc krzywe logarytmiczne = log

a

= log

1
a

x

są symetryczne względem osi OX.

24

background image

Budownictwo – studia stacjonarne

sem I, 2014/2015

MATEMATYKA

Uwaga 37.

Funkcja logarytmiczna i funkcja wykładnicza są funkcjami wzajemnie odwrotnymi.

1

1

X

Y

= log

a

x

= log

a

x

= log

a

x

a

x

a

x

a

x

< a < 1

1

1

X

Y

a

x

a

x

a

x

= log

a

x

= log

a

x

= log

a

x

a > 1

6.4

Równania i nierówności logarytmiczne.

Równaniem logarytmicznym (nierównością logarytmiczną) nazywamy równanie (nierówność), w
którym niewiadoma występuje w wyrażeniu logarytmowanym lub w podstawie logarytmu.
Przykłady równań logarytmicznych: log

5

(x

2

− 1) = 25, log

2
2

x − · log

2

= 6, itp.

Przykłady nierówności logarytmicznych: log

5

(x

2

− 1) 25, log

2
2

x − · log

2

x > 0, itp.

Wyznaczając rozwiązania równania logarytmicznego (nierówności logarytmicznej) powinno się:

• ustalić dziedzinę

• sprowadzić obie strony równania (nierówności) do tych samych podstaw albo przekształcić

do innego równania (innej nierówności), które (którą) potrafimy rozwiązać

• wykorzystując własności funkcji logarytmicznej przekształcić równanie (nierówność) tzn:

dla a > 1

log

a

> log

a

m ⇐⇒ n m

log

a

6 log

a

m ⇐⇒ n m

dla 0 < a < 1

log

a

> log

a

m ⇐⇒ n m

log

a

6 log

a

m ⇐⇒ n m

• rozwiązać otrzymane równanie (otrzymaną nierówność) i sprawdzić, czy rozwiązania nale-

żą do dziedziny

• podać odpowiedź.

25