download Matematyka Skrypty Granice

background image

Ć w i c z e n i a z m a t e m a t y k i








Janusz Górczyński





Zeszyt 2

Granice ciągów i funkcji.

Pochodna i jej zastosowania











Wyższa Szkoła Zarządzania i Marketingu

Sochaczew 2001

background image

2





Zeszyt ten jest trzecią pozycją w serii materiałów dydaktycznych
Ćwiczenia z matematyki.

Dotychczas ukazały się pozycje:

Zeszyt 1. Funkcje i ciągi liczbowe
Zeszyt 4. Macierze i rozwiązywanie układów równań liniowych

W najbliższym czasie ukażą się kolejne pozycje:

Zeszyt 3. Całki i ich zastosowanie
Zeszyt 5. Równania różniczkowe i ich zastosowania












Wydanie I

Materiały do druku zostały w całości przygotowane przez Autora.

ISBN 83-88781-02-2

Wydawca: Wyższa Szkoła Zarządzania i Marketingu w Sochaczewie

Arkuszy wydawniczych 2,75
Arkuszy drukarskich 2,75

background image

3

Spis treści

OD AUTORA

...................................................................................4

1. GRANICA CIĄGU...................................................................................5

1.1

C

IĄGI ZBIEŻNE

.......................................................................................5

1.2

C

IĄGI ROZBIEŻNE

...................................................................................7

1.3

O

BLICZANIE GRANIC CIĄGÓW

................................................................9

2. GRANICA FUNKCJI ............................................................................13

2.1

G

RANICA FUNKCJI W PUNKCIE

.............................................................13

2.2

G

RANICE JEDNOSTRONNE

....................................................................16

2.3

G

RANICA W NIESKOŃCZONOŚCI

...........................................................18

2.4

C

IĄGŁOŚĆ FUNKCJI

..............................................................................19

2.5

A

SYMPTOTY FUNKCJI

...........................................................................21

3. POCHODNA FUNKCJI ........................................................................23

3.1

G

RANICA ILORAZU RÓŻNICOWEGO

......................................................23

3.2

I

NTERPRETACJA GEOMETRYCZNA POCHODNEJ

.....................................24

3.3

R

ÓŻNICZKA FUNKCJI

............................................................................25

3.4

O

BLICZANIE POCHODNYCH

..................................................................26

3.5

P

OCHODNA A MONOTONICZNOŚĆ FUNKCJI

...........................................28

3.6

P

OCHODNA A EKSTREMA FUNKCJI

........................................................28

3.7

D

RUGA POCHODNA I JEJ ZASTOSOWANIA

.............................................30

3.8

B

ADANIE PRZEBIEGU ZMIENNOŚCI FUNKCJI

.........................................32

3.9

R

EGUŁA DE L

’H

OSPITALA

....................................................................38

3.10

E

LEMENTY EKONOMICZNEJ INTERPRETACJI POCHODNEJ

....................40

4. FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH ......................................................43

4.1

P

OCHODNE CZĄSTKOWE PIERWSZEGO RZĘDU

......................................45

4.2

Z

ASTOSOWANIE POCHODNYCH CZĄSTKOWYCH

...................................47

5. LITERATURA .......................................................................................48

background image

4

Od autora

U podstaw decyzji o wydaniu serii zeszytów pod wspólnym tytułem „Ćwiczenia z ma-

tematyki” są moje wieloletnie doświadczenia nauczyciela akademickiego w zakresie
nauczania przedmiotów ilościowych (matematyka, statystyka matematyczna, doświadczal-
nictwo, ekonometria) jak i informatycznych (arkusze kalkulacyjne, relacyjne bazy danych).

Od szeregu lat obserwujemy narastające problemy znacznej grupy studiujących ze

zrozumieniem tych przedmiotów, przy czym jest to szczególnie groźne w przypadku osób
studiujących w trybie zaocznym.

Seria „Ćwiczenia z matematyki” została pomyślana z jednej strony jako materiał

ułatwiający przypomnienie programu matematyki z zakresu szkoły średniej. Z drugiej
strony materiał zawarty w tej serii jest już pewnym przygotowaniem pod nauczanie takich
przedmiotów jak właśnie statystyka, ekonometria, arkusze kalkulacyjne, bazy danych czy
badania operacyjne.

Seria „Ćwiczenia z matematyki” powinna być traktowana raczej jako literatura uzupeł-

niająca klasyczną literaturę przedmiotu (podawaną przez prowadzących poszczególne
przedmioty) niż jako jedyny i wystarczający do zrozumienia matematyki skrypt. Mam
jednak nadzieję, że przedstawiony materiał z szeregiem szczegółowych przykładów ułatwi
zrozumienie tych wybranych działów matematyki.

W serii „Ćwiczenia z matematyki” ukażą się następujące pozycje:

• Zeszyt 1. Funkcje i ciągi liczbowe

• Zeszyt 2. Granice ciągów i funkcji. Pochodna i jej zastosowanie

• Zeszyt 3. Całki i ich zastosowania

• Zeszyt 4. Macierze i rozwiązywanie układów równań liniowych

• Zeszyt 5. Równania różniczkowe i ich zastosowania.

Zeszyty pierwszy i czwarty ukażą się w roku 2000, a pozostałe trzy w roku 2001.

Janusz Górczyński

background image

5

1. Granica ciągu

W poprzednim zeszycie rozważaliśmy ciąg geometryczny, którego wyrazy powstawały

w wyniku kolejnych podziałów odcinka o jednostkowej długości:

...

;

16

1

;

8

1

;

4

1

;

2

1

.

Łatwo możemy zauważyć, że wraz ze zwiększaniem indeksu n wyrazy tego ciągu

różnią się coraz mniej od pewnej liczby, w tym przykładzie od zera. O takich ciągach
będziemy mówić, że są zbieżne, a liczbę do której dążą wyrazy ciągu będziemy nazywać
jego granicą. Przejdziemy teraz do bardziej formalnych określeń granicy ciągu.

1.1 Ciągi zbieżne

Określenie: Przedział otwarty

)

;

(

0

0

ε

ε

+

x

x

nazywamy otoczeniem punktu

0

x

i ozna-

czamy

)

;

(

0

ε

x

U

. Liczbę ε nazywamy promieniem otoczenia.

Z tak podanego określenia otoczenia punktu wynika, że:

ε

ε

ε

+

<

<

0

0

0

)

;

(

x

x

x

x

U

x

lub z wykorzystaniem symbolu wartości bezwzględnej (modułu):

ε

ε

<

0

0

)

;

(

x

x

x

U

x

Wracając raz jeszcze do wyrazów naszego ciągu zauważmy, że różnią się one od liczby

zero dowolnie mało, jeżeli tylko numery (indeksy) tych wyrazów są wystarczająco duże:

3

1

,

0

2

1

2

1

1

>

<

n

n

(skorzystaliśmy z wzoru na wyraz n-ty ciągu geometry-

cznego zdefiniowanego przez

2

1

1

=

a

i

2

1

=

q

)

6

01

,

0

2

1

2

1

1

>

<

n

n

9

001

,

0

2

1

2

1

1

>

<

n

n

.........................

ε

ε

5

,

0

1

log

2

1

2

1

>

<

n

n

(obustronne logarytmowanie przy podstawie 0,5

i uporządkowanie).

Określenie: Liczbę zero nazywamy granicą ciągu

)

(

n

a

, jeżeli dla każdego

0

>

ε

istnieje taka liczba δ , że dla każdego

δ

>

n

spełniona jest nierówność:

ε

<

n

a

.

background image

6

Fakt, że liczba zero jest granicą ciągu

)

(

n

a

zapisujemy następująco:

0

lim

=

+∞

n

n

a

(lim to skrót od greckiego limes).

Z równości tej wynika, że do otoczenia punktu

)

;

0

(

ε

U

należą prawie wszystkie

wyrazy ciągu (wszystkie z wyjątkiem skończonej ich liczby).

Ciąg nieskończony, który ma granicę zero nazywamy ciągiem zbieżnym. Ważnym

przykładem ciągu zbieżnego do zera jest ciąg geometryczny nieskończony z ilorazem
mniejszym co do wartości bezwzględnej od jedności:

0

lim

1

1

=

+∞

n

n

q

a

dla

1

<

q

.

Określenie: Liczbę g nazywamy granicą ciągu

)

(

n

a

, jeżeli

0

)

(

lim

=

+∞

g

a

n

n

.

Z tego określenia wynika, że:

ε

δ

δ

ε

<

=

>

>

+∞

g

a

g

a

n

n

n

n

0

lim

.

Przykład 1. Granicą ciągu o wyrazie ogólnym

n

n

a

n

1

2 +

=

jest liczba 2, ponieważ:

0

1

lim

2

1

2

lim

2

1

2

lim

=

=

+

=

+

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

n

n

.

Przykład 2. Korzystając z definicji granicy ciągu wykażemy, że

3

1

1

3

lim

=

+

+∞

n

n

n

.

Dla dowolnej liczby

0

>

ε

rozwiązujemy nierówność

ε

<

+

3

1

1

3

n

n

:

ε

ε

ε

ε

ε

>

<

+

<

+

<

+

4

1

4

1

3

3

1

3

3

1

1

3

n

n

n

n

n

n

n

.

Jeżeli przyjmiemy, że

ε

ε

δ

=

4

, to dla każdego

δ

>

n

spełniona jest nierówność

ε

<

+

3

1

1

3

n

n

, a to oznacza, że

3

1

1

3

lim

=

+

+∞

n

n

n

.

background image

7

Przykład 3. Korzystając z definicji granicy ciągu wykażemy, że

1

)

1

(

1

lim

2

=

+

+∞

n

n

n

n

.

Dla dowolnej liczby

0

>

ε

rozwiązujemy nierówność

ε

<

1

)

1

(

1

2

n

n

n

:

ε

ε

ε

ε

ε

1

1

)

1

(

1

)

1

(

1

1

)

1

(

1

2

2

2

>

<

<

<

+

<

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

.

Jeżeli przyjmiemy, że

ε

δ

1

=

, to dla każdego

δ

>

n

spełniona jest nierówność

ε

<

1

)

1

(

1

2

n

n

n

, a to oznacza, że

1

)

1

(

1

lim

2

=

+

+∞

n

n

n

n

.

Określenie: Jeżeli

a

a

n

n

=

+∞

lim

oraz

b

b

n

n

=

+∞

lim

, to:

(

)

b

a

b

a

n

n

n

+

=

+

+∞

lim

(

)

b

a

b

a

n

n

n

=

+∞

lim

(

)

b

a

b

a

n

n

n

=

+∞

lim

b

a

b

a

n

n

n

=





+∞

lim

pod dodatkowym warunkiem, że

0

0

b

b

n

n

.

Określenie: Jeżeli

a

a

n

n

=

+∞

lim

i

0

>

a

, to

( )

a

a

n

c

c

n

=

+∞

lim

dla

0

>

c

.

1.2 Ciągi rozbieżne

Określenie: Ciąg nieskończony, który nie ma granicy nazywamy ciągiem rozbieżnym.

Określenie: Ciąg

)

(

n

a

nazywamy ciągiem rozbieżnym do nieskończoności, jeżeli dla

każdej liczby

M

prawie wszystkie wyrazy ciągu są większe od

M

:

=

+∞

n

n

a

lim

.

Określenie: Ciąg

)

(

n

a

nazywamy ciągiem rozbieżnym do minus nieskończoności, jeżeli

dla każdej liczby M prawie wszystkie wyrazy ciągu są mniejsze od M :

−∞

=

+∞

n

n

a

lim

.

background image

8

Przykład 4. Wykażmy na podstawie definicji ciągu rozbieżnego do plus nieskończo-

ności, że

=

+

+

+∞

n

n

n

1

lim

2

.

Zgodnie z definicją dla każdej liczby M nierówność

M

n

n

>

+

+ 1

2

ma być

spełniona dla prawie wszystkich wyrazów ciągu. Rozwiązując tę nierówność mamy:

(

)

M

M

n

n

Mn

M

n

n

M

n

M

n

n

2

1

2

1

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

>

+

>

+

>

+

>

+

+

.

Ostatecznie mamy, że

M

n

n

>

+

+ 1

2

jest spełniona dla

M

M

n

2

1

2

>

, a to oznacza, że

=

+

+

+∞

n

n

n

1

lim

2

.

Określenie. Przy wyznaczaniu granic ciągów rozbieżnych do plus czy minus nieskoń-

czoności obowiązują następujące ogólne reguły (zapis symboliczny):

a)

+∞

=

+∞

+

+∞

)

(

b)

−∞

=

−∞

+

−∞

)

(

c)

−∞

=

+∞

−∞

)

(

d)

+∞

=

+∞

+∞

)

(

e)

−∞

=

+∞

−∞

=

−∞

+∞

)

(

)

(

f)

+∞

=

−∞

−∞

)

(

g)

±∞

=

±∞

+

)

(

a

h)

0

=

±

a

i)



±∞

=

±

±∞

=

±∞

>

a

a

a

)

(

0

j)



=

±

=

±∞

<

m

m

a

a

a

)

(

0

.

Przykład 5. Obliczmy granicę ciągu o wyrazie ogólnym

3

4

1

2

+

=

n

n

n

a

n

(

)

(

)

0

1

4

1

lim

4

1

lim

3

4

1

lim

3

1

3

1

2

=

+

=

+

=

+

=

+

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

Tę samą granicę można było obliczyć także inaczej (w rozwiązaniu powyższym

chodziło o pokazanie zastosowania punku h. z ostatniego określenia). Poniżej wyznaczymy
granicę naszego ciągu w sposób bardziej ogólny.

(

)

(

)

0

1

0

1

lim

1

lim

3

4

1

lim

2

2

2

2

3

4

1

1

3

4

2

1

1

2

2

=

=

+

=

+

=

+

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

.



background image

9

1.3 Obliczanie granic ciągów

Przy obliczaniu granic ciągów istotne są dwie implikacje:

0

1

lim

lim

=

=

+∞

+∞

n

n

n

n

a

a

(

)

=





=

>

+∞

+∞

n

n

n

n

n

a

a

a

1

lim

0

lim

0

.

Przykład 6. Kilka przykładów obliczania granic ciągów:

2

1

2

0

2

1

2

lim

2

1

2

2

1

lim

2

)

2

1

(

lim

2

2

lim

)

2

1

2

2

2

2

2

2

=

+

=

+

=

+

=

+

=

+

+∞

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

a

.

2

1

2

)

(

lim

1

)

(

lim

)

(

lim

2

)

(

lim

2

1

2

2

lim

)

1

(

)

2

2

(

lim

1

1

2

2

lim

)

1

)(

1

(

1

2

2

lim

)

3

3

2

1

3

3

2

1

3

3

3

2

1

3

3

2

3

2

2

3

=

=

+

+

+

=

+

+

+

=

=

+

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

+

+∞

+∞

+∞

+∞

+∞

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

b

n

n

n

n

n

n

n

n

c)

2

1

)

1

(

lim

...

3

2

1

lim

2

2

1

2

=

+

=

+

+

+

+

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

.

(

)

.

0

2

1

4

1

lim

2

1

4

4

1

4

lim

2

1

4

2

1

4

2

1

4

lim

2

1

4

lim

)

2

2

2

2

2

2

2

2

=

+

+

=

+

+

+

=

=

+

+

+

+

+

=

+

+∞

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

d

n

n

n

n

2

1

3

2

2

1

lim

)

3

2

2

(

)

1

(

lim

3

2

2

lim

)

3

2

2

3

2

3

2

3

3

3

=

+

+

=

+

=

+

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

e

n

n

n

.

4

1

4

5

4

5

4

5

lim

4

5

4

lim

4

5

lim

)

0

1

lim

1

=

=

=

=

=

=

+∞

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

n

n

f

background image

10

Określenie: Jeżeli

g

b

a

n

n

n

n

=

=

+∞

+∞

lim

lim

i dla prawie wszystkich

n spełniona jest nierów-

ność

n

n

n

b

c

a

, to

g

c

n

n

=

+∞

lim

(jest to tzw. twierdzenie o trzech

ciągach).

Przykład 7. Korzystając z twierdzenia o trzech ciągach obliczymy granicę ciągu o wyra-

zie ogólnym

n

n

n

n

a

1

4

3

2

+

+

=

.

Aby skorzystać z tego twierdzenia musimy znaleźć takie dwa ciągi

)

(

n

a

i

)

(

n

b

, które

ograniczą wyrazy naszego ciągu z dołu i z góry oraz będą zbieżne do tej samej liczby.
Proszę zauważyć, że dla

2

n

spełniona jest następująca nierówność:

n

n

n

n

n

n

n

4

5

1

4

3

2

4

+

+

.

Granice ciągów ograniczających

n

n

4 i

n

n

4

5 ⋅

są takie same (równe 4; zobacz

przykład 6f), tym samym także

4

1

4

3

2

lim

=

+

+

+∞

n

n

n

n

.

Przykład 8. Powiedzmy, że chcemy obliczyć

n

n

n

n

2

5

3

2

lim

+

+∞

.

Podobnie jak w poprzednim przykładzie szukamy takich dwóch ciągów

ograniczających wyrazy naszego ciągu z dołu i z góry, których granice będą takie same.

Proszę zauważyć, że dla wszystkich

2

n

spełniony jest warunek:

n

n

n

n

n

n

n

5

6

2

5

3

2

5

+

.

Ponieważ

5

5

6

lim

5

lim

=

=

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

, to także

5

2

5

3

2

lim

=

+

+∞

n

n

n

n

.

Określenie: Granicą ciągu o wyrazie ogólnym

n

a

n

a





+

1

1

, gdzie

=

+∞

n

n

a

lim

jest tzw.

liczba

e

(stała Eulera, w przybliżeniu 2,71828...):

e

a

n

a

n

n

=





+

+∞

1

1

lim

.

W szczególności

e

n

n

n

=

+

+∞

1

1

lim

. Liczba

e

odgrywa szczególną rolę w zastosowa-

niach matematyki i statystyki, zwłaszcza w opisie wielu zjawisk przyrodniczych i eko-

nomicznych. Warto w tym miejscu przypomnieć funkcję wykładniczą

)

exp(x

e

y

x

=

=

oraz funkcję logarytmiczną

x

y

ln

=

.

background image

11

Przykład 9. Obliczmy

1

3

2

lim

+

+∞

 +

n

n

n

n

.

Przy obliczaniu granicy tego ciągu nie możemy skorzystać ze „standardowych” metod,

ponieważ w wyrazie ogólnym ciągu parametr n występuje jednocześnie jako podstawa
potęgi i jej wykładnik. Dość łatwo możemy jednak zauważyć, że wyraz ogólny naszego
ciągu jest podobny do wyrazu ogólnego ciągu, którego granicą jest liczba e .

Mamy więc:

.

1

2

lim

1

2

1

lim

2

1

lim

2

1

lim

2

1

2

1

lim

2

lim

6

6

3

2

2

3

3

1

3

e

e

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

=

=

+

+

=

=

+



+

=

+



+

=

 +

+∞

+∞

+∞

+∞

+∞

+

+∞

Przy obliczaniu

2

2

1

lim

n

n

n

+

+∞

skorzystaliśmy z:

e

a

n

n

a

n

n

n

n

=



+

=

+

+∞

+∞

1

1

lim

2

1

lim

2

, gdzie

2

n

a

n

=

.

Przykład 10. Obliczmy granicę ciągu o wyrazie ogólnym

n

n

n

n

n

a

1

3

3

7

2

+

+

+

=

.

Przy obliczaniu granicy tego ciągu, gdzie zmienna jest zarówno podstawa jak i wykła-

dnik potęgi będziemy musieli skorzystać z wielu podanych wcześniej reguł obliczania
granic ciągów.

Mamy kolejno:

.

3

1

2

lim

3

1

2

lim

3

1

2

3

1

2

lim

3

1

)

3

(

2

lim

3

7

2

lim

1

3

1

3

1

3

1

3

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

+

+

+

+

=

=

+

+

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+∞

+∞

+∞

+

+∞

+

+∞

Granica pierwszego ciągu jest stosunkowo łatwa do policzenia:

(

)

8

2

0

2

3

1

2

lim

3

3

3

=

=

+

=

+

+

+∞

n

n

.


background image

12

Przy obliczaniu granicy drugiego ciągu mamy zaś:

n

n

n

n

n

n

3

1

2

lim

3

1

2

lim

1

+

+

=

+

+

+∞

+∞

.

Dalsze obliczenia granicy tego ciągu wymagają skorzystania z twierdzenia o trzech

ciągach. Dla każdego

n wyrazy naszego ciągu spełniają warunek:

n

n

n

n

3

3

1

2

2

+

+

.

Granice ciągów ograniczających są odpowiednio równe:

1

2

2

2

lim

2

lim

0

lim

1

1

=

=

=

=

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

1

3

3

3

lim

3

lim

0

lim

1

1

=

=

=

=

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

.

Ciągi ograniczające są zbieżne do tej samej granicy, w takim razie granicą ciągu

n

n

3

1

2

+

+

jest także liczba 1. Ostatecznie mamy więc, że

8

1

8

3

7

2

lim

1

3

=

=

+

+

+

+∞

n

n

n

n

n

.


Przykład 11. Obliczmy korzystając z definicji granicy liczbę wyrazów ciągu

1

2

3

5

+

=

n

n

a

n

pozostających poza przedziałem

)

3

;

2

(

.

Zaczniemy od obliczenia granicy ciągu:

5

,

2

2

5

1

2

3

5

lim

=

=

+

+∞

n

n

n

. Z warunków

zadania mamy więc, że przedział

)

3

;

2

(

jest otoczeniem granicy naszego ciągu o promieniu

5

,

2

=

ε

.

Jeżeli liczba 2,5 jest granicą badanego ciągu, to musimy teraz ustalić, dla jakich n

warunek

ε

<

+

2

5

1

2

3

5

n

n

będzie spełniony dla dowolnego

0

>

ε

.

ε

ε

ε

ε

ε

4

2

11

2

4

11

2

4

5

10

6

10

2

5

1

2

3

5

>

<

+

<

+

<

+

n

n

n

n

n

n

n

.

Dla

5

,

0

=

ε

warunek ten będzie spełniony dla

5

2

1

11

=

>

n

, stąd poza przedziałem

)

3

;

2

(

znajduje się tylko pierwszych pięć wyrazów ciągu

1

2

3

5

+

=

n

n

a

n

.

background image

13

2. Granica funkcji

Rozważania o granicy funkcji zaczniemy od wprowadzenia pojęcia sąsiedztwa punktu.

Określenie: Przedział liczbowy

{

}

)

;

(

)

;

(

0

0

0

0

r

x

x

x

r

x

+

nazywamy sąsiedztwem

punktu

0

x

o promieniu r i oznaczamy symbolem

)

;

(

0

r

x

S

.

Proszę zauważyć, że zgodnie z podanym określeniem sam punkt

0

x

nie należy do

sąsiedztwa punktu.

2.1 Granica funkcji w punkcie

Powiedzmy, że interesuje nas funkcja

)

(x

f

y =

określona w pewnym sąsiedztwie

punktu

0

x . W samym punkcie

0

x funkcja

)

(x

f

może być określona lub nie.

Określenie: Funkcja

)

(x

f

y =

ma w punkcie

0

x

granicę g , jeżeli dla każdego ciągu

)

(

n

x

o wyrazach należących do sąsiedztwa

)

;

(

0

r

x

S

i zbieżnego do

0

x

, ciąg

(

)

)

(

n

x

f

jest zbieżny do liczby g .

Podana w określeniu definicja jest tzw. definicją Heinego granicy funkcji w punkcie

0

x

.

Przykład 12. Wyznaczmy z definicji Heinego granicę funkcji

2

4

)

(

2

=

x

x

x

f

w punkcie

2

0

=

x

.

Zauważmy, że rozpatrywana funkcja nie jest określona w punkcie

2

0

=

x

, jest

natomiast określona w dowolnym sąsiedztwie tego punktu. Zgodnie z definicją Heinego
bierzemy dowolny ciąg

)

(

n

x

taki, że

2

n

x

oraz

2

lim

=

+∞

n

n

x

.

Obliczamy teraz granicę ciągu:

(

) (

)

(

)

4

2

2

2

lim

2

lim

2

2

2

lim

2

4

lim

2

=

+

=

+

=

+

=

+

=

+∞

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

x

.

Uproszczenie licznika z mianownikiem (czyli podzielenie licznika i mianownika przez

wyrażenie

)

2

(

n

x

) było dopuszczalne, ponieważ z założenia

2

n

x

. Ostatecznie więc:

4

2

4

lim

2

2

=

x

x

x

.

background image

14

Przykład 13. Wyznaczmy granicę funkcji

x

x

x

x

f

+

=

1

2

3

)

(

2

w punkcie

3

0

=

x

.

Dziedziną tej funkcji jest zbiór

{ }

1

= R

X

, bierzemy więc dowolny ciąg

)

(

n

x

spełniający warunki:

X

x

n

,

3

n

x

i

3

lim

=

+∞

n

n

x

. Obliczamy teraz granicę ciągu:

2

33

2

6

27

3

1

3

2

3

3

)

1

(

lim

)

2

3

(

lim

1

2

3

lim

2

2

2

=

+

=

+

=

+

=

+

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

.

Ostatecznie więc:

2

33

1

2

3

lim

2

3

=

+

x

x

x

x

.

Określenie: Liczba g jest granica funkcji

)

(x

f

w punkcie

0

x

wtedy i tylko wtedy, jeżeli

dla dowolnego

0

>

ε

istnieje takie sąsiedztwo

)

;

(

0

r

x

S

, że dla wszystkich

S

x ∈

spełniony jest warunek

ε

<

− g

x

f

)

(

. Definicja powyższa jest tzw.

definicją Cauchy’ego granicy funkcji w punkcie

0

x

.

Określenie powyższe można także zapisać w równoważnej postaci:

ε

ε

<

=

>

g

x

f

g

x

f

S

x

r

x

x

)

(

)

(

lim

0

0

.

Przykład 14. Korzystając z definicji Cauche’go granicy funkcji w punkcie

0

x

wykażemy, że funkcja

2

4

)

(

2

=

x

x

x

f

ma w punkcie

2

0

=

x

granicę równą 4.

Dla dowolnego

0

>

ε

i

2

x

rozwiązujemy nierówność:

(

)

ε

ε

ε

ε

<

<

+

<

<

2

4

2

4

2

4

)

(

2

x

x

x

x

g

x

f

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

+

<

<

+

<

<

+

<

<

<

2

2

2

2

2

2

x

x

x

x

.

Widzimy z tego, że warunek

ε

<

− g

x

f

)

(

jest spełniony wtedy, gdy

x należy do

sąsiedztwa

)

;

2

(

ε

S

.

Określenie: Jeżeli przy obliczaniu granicy funkcji

)

(x

f

otrzymamy, że

+∞

=

g

lub

−∞

=

g

, to mówimy, że funkcja ma w tym punkcie granicę niewłaściwą.

background image

15

Przykład 15. Obliczmy, korzystając z definicji Heinego, granicę funkcji

2

1

)

(

x

x

f

=

w punkcie

0

0

=

x

.

Dziedziną rozpatrywanej funkcji jest zbiór liczb rzeczywistych z wyłączeniem punktu

zero, czyli

{ }

0

∈ R

x

. Zgodnie z definicją Heinego bierzemy dowolny ciąg

)

(

n

x

zbieżny

do zera i taki, że

0

n

x

. Obliczamy teraz granicę ciągu:

+∞

=

=

+∞

+∞

2

2

lim

1

1

lim

n

n

n

n

x

x

(korzystamy z implikacji podanej w rozdz. 1.3).

Ostatecznie mamy, że

+∞

=

2

0

1

lim

x

x

.

Określenie: Jeżeli

a

x

f

x

x

=

)

(

lim

0

i

b

x

g

x

x

=

)

(

lim

0

, to prawdziwe są następujące granice:

(

)

b

a

x

g

x

f

x

g

x

f

x

x

x

x

x

x

±

=

±

=

±

)

(

lim

)

(

lim

)

(

)

(

lim

0

0

0

(

)

b

a

x

g

x

f

x

g

x

f

x

x

x

x

x

x

=

=

)

(

lim

)

(

lim

)

(

)

(

lim

0

0

0

b

a

x

g

x

f

x

g

x

f

x

x

x

x

x

x

=

=

)

(

lim

)

(

lim

)

(

)

(

lim

0

0

0

, pod warunkiem, że

0

b

i

0

)

(

x

g

w otoczeniu

0

x

.

Wzory powyższe są prawdziwe także wtedy, gdy rozpatrujemy granicę funkcji w plus

lub minus nieskończoności, a także wtedy, gdy granice

a lub b są niewłaściwe (postaci

±∞ ), przy czym nie dotyczy to sytuacji nieokreślonych typu:

"

"

,

"

"

,

"

0

"

.

Przykład 16. Obliczmy granicę funkcji

)

6

2

3

(

2

)

(

2

+

=

x

x

x

f

x

w punkcie

2

=

x

.

Korzystając z podanych wyżej reguł mamy:

(

)

(

)

(

)

56

14

4

6

2

2

2

3

2

6

2

3

lim

2

lim

)

6

2

3

(

2

lim

2

2

2

2

2

2

2

=

=

+

=

+

=

+

x

x

x

x

x

x

x

x

x

.

Przykład 17. Obliczmy granicę funkcji

x

x

x

f

4

sin

)

(

=

w punkcie

0

=

x

.

Przy obliczaniu granicy funkcji tego typu skorzystamy z podstawowego w teorii

granicy wzoru

1

sin

lim

0

=

x

x

x

.

background image

16

Mamy kolejno:

4

1

4

4

4

sin

lim

4

lim

4

4

sin

4

lim

4

sin

lim

0

0

0

0

=

=

=

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

.

Przykład 18. Czy istnieje granica funkcji

x

x

x

x

f

2

)

(

+

=

w punkcie

0

0

=

x

?

Rozpatrywana funkcja nie jest określona w punkcie

0

0

=

x

, z uwagi na postać funkcji

musimy rozpatrzyć dwa ciągi

)

(

n

x

zbieżne do zera, ale oddzielnie o wyrazach mniejszych

od zera i oddzielnie o wyrazach większych od zera. Oznaczmy te ciągi i warunki zbieżności
odpowiednio przez:

( )

n

x

; taki, że

0

<

n

x

i

0

lim

=

+∞

n

n

x

(np.

n

n

x

1

=

)

( )

+

n

x

; taki, że

0

>

+

n

x

i

0

lim

=

+

+∞

n

n

x

(np.

n

n

x

1

=

+

).

Dla tak zdefiniowanych ciągów mamy następującą granicę:

0

2

0

lim

2

lim

=

=

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

1

2

2

lim

2

lim

=

=

+

+

+

+∞

+

+

+

+∞

n

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

Widzimy z tego, że granice jednostronne (odpowiednio lewostronna i prawostronna)

nie są jednakowe, tym samym funkcja

x

x

x

x

f

2

)

(

+

=

nie ma granicy w punkcie

0

0

=

x

.

Przejdziemy teraz do bardziej formalnego określenia granic jednostronnych.

2.2 Granice jednostronne

Określenie: Liczba g jest granicą lewostronną funkcji

)

(x

f

w punkcie

0

x

x =

wtedy

i tylko wtedy, jeżeli dla każdego ciągu

)

(

n

x

należącego do dziedziny funkcji

i takiego, że

0

lim

x

x

n

n

=

+∞

i

0

x

x

n

<

, granicą ciągu

)

(

n

x

f

jest liczba

:

g

g

x

f

x

x

=

)

(

lim

0

background image

17

Określenie: Liczba g jest granicą prawostronną funkcji

)

(x

f

w punkcie

0

x

x =

wtedy

i tylko wtedy, jeżeli dla każdego ciągu

)

(

n

x

należącego do dziedziny funkcji

i takiego, że

0

lim

x

x

n

n

=

+∞

i

0

x

x

n

>

, granicą ciągu

)

(

n

x

f

jest liczba

:

g

g

x

f

x

x

=

+

)

(

lim

0

Przykład 19. Obliczmy granice jednostronne funkcji

4

)

(

2

=

x

x

x

f

w punktach

nieokreśloności tej funkcji.

Dziedziną funkcji

4

)

(

2

=

x

x

x

f

jest zbiór liczb rzeczywistych z wyłączeniem

punktów 2

− i 2, czyli

{

}

2

;

2

∈ R

x

. Naszym zadaniem jest więc obliczenie czterech

granic jednostronnych:

−∞

=

=

+

"

0

"

"

2

"

4

lim

2

2

x

x

x

symbol

"

2

"−

oznacza, że licznik jest ‘prawie’ równy

–2, a symbol

"

0

"

+

oznacza, że mianownik jest

‘prawie’ równy zero, ale po stronie wartości
dodatnich; tak będzie, jeżeli za x przyjmiemy np.

0001

,

2

.

+∞

=

=

+

"

0

"

"

2

"

4

lim

2

2

x

x

x

Komentarz jak wyżej. Dla ułatwienia proszę sobie
podstawić np.

9999

,

1

=

x

.

−∞

=

=

"

0

"

"

2

"

4

lim

2

2

x

x

x

Komentarz jak wyżej. Dla ułatwienia proszę sobie
podstawić np.

9999

,

1

=

x

.

+∞

=

=

+

+

"

0

"

"

2

"

4

lim

2

2

x

x

x

Komentarz jak wyżej. Dla ułatwienia proszę sobie
podstawić np.

00001

,

2

=

x

.

Określenie: Jeżeli istnieją granice jednostronne funkcji

)

(x

f

w punkcie

0

x

x =

i są sobie

równe, to istnieje także granica funkcji w tym punkcie:

g

x

f

g

x

f

x

f

x

x

x

x

x

x

=

=

=

+

)

(

lim

)

(

lim

)

(

lim

0

0

0

.

Zależność powyższa prawdziwa jest także w „drugą” stronę: jeżeli funkcja

)

(x

f

ma

granicę w danym punkcie, to istnieją i są sobie równe granice jednostronne w tym punkcie.

background image

18

2.3 Granica w nieskończoności

Określenie:

Funkcja

)

(x

f

y =

ma w +∞ ( −∞ ) granicę

g , jeżeli dla każdego ciągu

)

(

n

x

o wyrazach należących do dziedziny funkcji i

zbieżnego do

+∞

(

−∞

)

, ciąg

(

)

)

(

n

x

f

jest zbieżny do liczby g .

Przykład 20. Wyznaczmy granicę funkcji

4

)

(

2

=

x

x

x

f

w plus nieskończoności.

Bierzemy dowolny ciąg

)

(

n

x

taki, że

+∞

n

x

i obliczamy granicę ciągu (stosujemy

dokładnie te same techniki, co przy obliczaniu granic ciągu liczbowego):

0

0

1

0

4

1

lim

1

lim

4

1

1

lim

4

1

1

lim

4

lim

2

2

2

2

2

2

=

=



=

=



=

+∞

+∞

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

.

Ostatecznie mamy, że

0

4

lim

2

=

+∞

x

x

x

Przykład 21. Obliczmy granice funkcji

)

exp(

)

(

x

x

f

=

na krańcach dziedziny.

Jak wiemy funkcja

)

exp(

)

(

x

x

f

=

lub inaczej

x

e

x

f

=

)

(

jest funkcją wykładniczą, a jej

dziedziną jest zbiór liczb rzeczywistych. Tym samym nasze zadanie sprowadza się do
obliczenia granicy tej funkcji odpowiednio w minus i plus nieskończoności.

Bierzemy więc ciąg

)

(

n

x

taki, że

−∞

n

x

i obliczamy granicę:

0

lim

lim

=

=

=

+∞

+∞

e

e

e

n

n

n

x

x

n

.

Analogicznie dla ciągu

)

(

n

x

rozbieżnego do plus nieskończoności otrzymamy:

+∞

=

=

=

+

+∞

+∞

e

e

e

n

n

n

x

x

n

lim

lim

.

Przy obliczaniu tych granic warto przypomnieć sobie wykres funkcji wykładniczej

rosnącej.

background image

19

2.4 Ciągłość funkcji

Określenie. Jeżeli funkcja

)

(x

f

jest określona w punkcie

0

x

x =

, jeżeli istnieje granica

funkcji w tym punkcie i jeżeli granica ta jest równa wartości funkcji w tym
punkcie, to funkcja

)

(x

f

jest ciągła w punkcie

0

x

x =

:

)

(x

f

jest ciągła w punkcie

0

x

x =

)

(

lim

)

(

0

0

x

f

x

f

x

x→

=

.

Przykład 22. Sprawdzimy, czy funkcja

4

)

(

2

=

x

x

x

f

jest ciągła w punkcie

1

=

x

.

Zauważmy, że punkt

1

=

x

należy do dziedziny tej funkcji (zobacz poprzedni przykład).

Obliczamy więc wartość funkcji w tym punkcie:

(

)

3

1

3

1

4

1

1

1

2

=

=

=

=

x

f

.

Obliczamy granicę funkcji w punkcie

1

=

x

(bierzemy dowolny ciąg

n

x

(

) taki, że

1

n

x

i

1

n

x

)

3

1

4

1

1

4

lim

lim

4

lim

2

2

=

=

=

+∞

+∞

+∞

n

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

, stąd

3

1

4

lim

2

1

=

x

x

x

.

Jak widzimy wszystkie trzy warunki ciągłości funkcji w punkcie są spełnione:

• Funkcja jest określona w punkcie

1

=

x

• Istnieje granica funkcji w tym punkcie:

3

1

4

lim

2

1

=

x

x

x

• Granica funkcji równa jest wartości funkcji w tym punkcie:

)

1

(

3

1

4

lim

2

1

f

x

x

x

=

=

tym samym funkcja

4

)

(

2

=

x

x

x

f

jest ciągła w punkcie

1

=

x

.

Określenie: Funkcje

)

(x

f

ciągłą w każdym punkcie

X

x ∈

0

nazywamy funkcją ciągłą

w zbiorze

X .

Potocznie pod pojęciem funkcji ciągłej (w pewnym przedziale) rozumie się taką

funkcję, której wykres (w tym przedziale) można narysować bez odrywania ołówka.

Przykładowo funkcja

)

exp(

)

(

x

x

f

=

jest funkcją ciągłą w zbiorze liczb rzeczywistych,

zaś funkcja

4

)

(

2

=

x

x

x

f

jest ciągła w przedziałach

(

) (

) (

)

+

;

2

,

2

;

2

,

2

;

.

background image

20

Określenie: Funkcję

( )

x

f

nazywamy ciągłą lewostronnie (prawostronnie) w punkcie

0

x

wtedy i tylko wtedy, jeżeli:

• Istnieje wartość funkcji w tym punkcie,

• Istnieje granica lewostronna (prawostronna) w tym punkcie,

• Granica lewostronna (prawostronna) równa jest wartości funkcji w tym

punkcie.

Przykład 23. Sprawdzimy, czy funkcja

>

+

=

2

dla

8

2

dla

3

)

(

2

x

x

x

x

x

f

jest ciągła w punkcie

2

=

x

.

Obliczamy wartość funkcji w punkcie

2

=

x

:

5

3

2

)

2

(

=

+

=

=

x

f

.

Przejdziemy teraz do obliczenia granicy tej funkcji w punkcie

2

=

x

, ale ponieważ

funkcja zdefiniowana jest dwoma różnymi wzorami po obu stronach tego punktu, to
musimy obliczać granice jednostronne. Mamy kolejno:

5

3

2

)

3

(

lim

)

(

lim

2

2

=

+

=

+

=

x

x

f

x

x

4

8

4

)

8

(

lim

)

(

lim

2

2

2

=

=

=

+

x

x

f

x

x

.

Jak widzimy

)

(

lim

)

(

lim

2

2

x

f

x

f

x

x

+

,

tym samym nie istnieje granica tej funkcji w punkcie

2

=

x

, a to oznacza, że funkcja ta nie

jest ciągła w tym punkcie.

Proszę jednak zauważyć, że spełniony jest warunek:

)

(

lim

)

2

(

2

x

f

f

x

=

a to oznacza, że rozpatrywana funkcja jest ciągła lewostronnie w punkcie

2

=

x

.

background image

21

2.5 Asymptoty funkcji

Określenie: Jeżeli funkcja

)

(

x

f

nie istnieje w punkcie

0

x i przynajmniej jedna z granic

jednostronnych w tym punkcie jest granicą niewłaściwą (czyli ±∞ ), to
prosta

0

x

x =

jest asymptotą pionową tej funkcji:

0

x

x =

jest asymptotą pionową

)

(

x

f

±∞

=

)

(

lim

0

x

f

x

x

lub

±∞

=

+

)

(

lim

0

x

f

x

x

.

Przykład 24. Wyznaczmy, jeżeli istnieją, asymptoty pionowe funkcji

2

)

(

2

=

x

x

x

f

.

Funkcja

2

)

(

2

=

x

x

x

f

jest funkcją wymierną określoną w zbiorze liczb rzeczywistych

z wyłączeniem tych punktów, które są miejscami zerowymi wielomianu w mianowniku,

czyli

2

=

x

i

2

=

x

. W punktach tych mogą istnieć asymptoty pionowe, żeby tak

było, to co najmniej jedna z granic jednostronnych w tych punktach musi być granicą
niewłaściwą. Obliczamy więc granice (zobacz

przykład 19):

−∞

=

=

+

"

0

"

"

2

"

2

lim

2

2

x

x

x

+∞

=

=

+

"

0

"

"

2

"

2

lim

2

2

x

x

x

−∞

=

=

"

0

"

"

2

"

2

lim

2

2

x

x

x

+∞

=

=

+

+

"

0

"

"

2

"

2

lim

2

2

x

x

x

.

Warunki istnienia asymptot pionowych są spełnione, w takim razie badana funkcja

2

)

(

2

=

x

x

x

f

posiada dwie asymptoty pionowe o równaniach

2

=

x

i

2

=

x

.

Określenie: Jeżeli funkcja

)

(

x

f

ma granicę równą g w +∞ lub −∞ , to prosta

g

x

f

=

)

(

jest asymptotą poziomą funkcji

)

(

x

f

:

g

x

f

=

)

(

jest asymptotą poziomą

)

(

x

f

g

x

f

x

=

−∞

)

(

lim

lub

g

x

f

x

=

+∞

)

(

lim

.

Przykład 25. Ustalmy, czy funkcja

x

x

f

3

)

(

=

ma asymptotę poziomą.

Zgodnie z podanym wyżej określeniem funkcja

x

x

f

3

)

(

=

będzie miała asymptotę

poziomą wtedy i tylko wtedy, jeżeli co najmniej jedna z granic tej funkcji w minus lub plus
nieskończoności będzie granicą właściwą. W naszym przypadku mamy:

0

3

3

lim

=

=

−∞

−∞

x

x

+∞

=

=

+∞

+∞

3

3

lim

x

x

.

Jak widzimy granica w minus nieskończoności jest właściwa, tym samy prosta o równa-

niu

0

=

y

(lub

0

)

(

=

x

f

) jest asymptotą poziomą funkcji

x

x

f

3

)

(

=

.

background image

22

Określenie: Jeżeli funkcja

)

(x

f

ma w nieskończoności obie granice niewłaściwe, to nie

istnieje asymptota pozioma tej funkcji. Nie wyklucza to jednak istnienia
asymptoty ukośnej.

Określenie: Prosta o równaniu

b

ax

y

+

=

(gdzie

0

a

) jest asymptotą ukośną funkcji

)

(x

f

wtedy i tylko wtedy, jeżeli istnieją właściwe granice postaci:

x

x

f

a

x

)

(

lim

±∞

=

[

]

ax

x

f

b

x

=

±∞

)

(

lim

.

Przykład 26. Sprawdźmy, czy funkcja

4

2

)

(

2

=

x

x

x

f

ma asymptotę ukośną.

Zgodnie z podanym określeniem wyznaczamy kolejno granice:

2

1

2

1

lim

4

2

lim

)

4

2

(

lim

4

2

lim

)

(

lim

4

2

2

2

2

=

=

=

=

=

±∞

±∞

±∞

±∞

±∞

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

f

[

]

1

8

4

4

lim

8

4

4

2

2

lim

2

1

4

2

lim

)

(

lim

2

2

2

=

=

+

=

=

±∞

±∞

±∞

±∞

x

x

x

x

x

x

x

x

x

ax

x

f

x

x

x

x

.

Obie granice są właściwe, tym samym prosta

1

5

,

0

+

=

x

y

jest asymptotą ukośną

funkcji

4

2

)

(

2

=

x

x

x

f

.

Przykład 27. Zbadajmy, czy funkcja

5

2

3

=

x

x

y

ma asymptotę ukośną.

Z uwagi na postać funkcji łatwo zauważyć, że ± nieskończoności granice są

niewłaściwe, tym samym funkcja ta nie posiada asymptoty poziomej. Nie wyklucza to, jak
wiemy, istnienia asymptoty ukośnej. Zaczniemy od sprawdzenia, czy istnieje skończona
(właściwa) i różna od zera granica określająca współczynnik kierunkowy potencjalnej
asymptoty ukośnej:

±∞

=

=

=

=

=

±∞

±∞

±∞

±∞

±∞

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

f

5

2

3

3

3

1

2

lim

5

2

lim

)

5

(

2

lim

5

2

lim

)

(

lim

.

Jak widzimy z powyższego warunek ten nie jest spełniony, tym samym funkcja

5

2

3

=

x

x

y

nie posiada asymptoty ukośnej.

background image

23

3. Pochodna funkcji

3.1 Granica ilorazu różnicowego

Określenie: Jeżeli funkcja

)

(x

f

jest określona w przedziale

R

b

a

)

;

(

i w pewnym

punkcie

)

;

(

0

b

a

x ∈

istnieje granica właściwa

)

(

'

)

(

)

(

lim

0

0

0

0

x

f

x

x

f

x

x

f

x

=

+

,

to funkcję

)

(x

f

nazywamy różniczkowalną w tym punkcie.

Liczbę

)

(

'

0

x

f

nazywamy pochodną funkcji

)

(x

f

w punkcie

0

x

.

W podanym określeniu symbol

x

∆ oznacza przyrost argumentu funkcji (czasami

oznaczamy go także symbolem h ), a wyrażenie

y

x

f

x

x

f

=

+

)

(

)

(

oznacza odpowia-

dający mu przyrost wartości funkcji.

Dla oznaczenia pochodnej funkcji

)

(x

f

y =

w pewnym punkcie

x możemy stosować

wymiennie kilka oznaczeń:

x

x

f

x

x

f

x

y

dx

x

df

dx

dy

x

f

y

x

x

+

=

=

=

=

=

)

(

)

(

lim

lim

)

(

)

(

'

'

0

0

.

Określenie: Jeżeli funkcja

)

(x

f

jest różniczkowalna w każdym punkcie

)

;

(

0

b

a

x ∈

, to

funkcję tę nazywamy różniczkowalną w tym przedziale.

Przykład 28. Obliczmy z definicji pochodną funkcji

2

2x

y =

w dowolnym punkcie

R

x ∈

0

.

Zgodnie z podanym określeniem obliczamy granicę ilorazu różnicowego:

(

)

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

4

0

4

4

lim

)

(

4

lim

2

)

(

4

2

lim

2

)

(

2

lim

0

2

0

2

2

2

0

2

2

0

=

+

=

+

=

+

=

=

+

+

=

+

Określenie

:

Pochodna funkcji w danym punkcie istnieje wtedy i tylko wtedy, jeżeli istnieją

i są sobie równe pochodne jednostronne tej funkcji w tym punkcie:

)

(

)

(

)

(

'

0

'

0

'

0

x

f

x

f

x

f

+

=

=

,

gdzie

x

x

f

x

x

f

x

f

x

+

=

)

(

)

(

lim

)

(

0

0

0

0

'

x

x

f

x

x

f

x

f

x

+

=

+

+

)

(

)

(

lim

)

(

0

0

0

0

'

.


background image

24

Przykład 29. Sprawdźmy, czy funkcja

x

y =

jest różniczkowalna w punkcie

0

0

=

x

.

Funkcja

x

y =

jest różniczkowalna w punkcie

0

0

=

x

, jeżeli ma w tym punkcie

pochodną. Z uwagi na postać funkcji (moduł) musimy obliczyć pochodne jednostronne
w tym punkcie. Mamy odpowiednio:

1

lim

0

0

lim

)

0

(

)

0

(

lim

0

0

0

=

=

+

=

+

x

x

x

x

x

f

x

f

x

x

x

1

lim

0

0

lim

)

0

(

)

0

(

lim

0

0

0

=

=

+

=

+

+

x

x

x

x

x

f

x

f

x

x

x

.

Jak widzimy pochodne jednostronne nie są sobie równe, tym samym nie istnieje

pochodna funkcji

x

y =

w punkcie

0

0

=

x

, czyli badana funkcja nie jest różniczkowalna

w tym punkcie.

3.2 Interpretacja geometryczna pochodnej

Rozważmy funkcję

)

(x

f

różniczkowalną w punkcie

0

x

x =

. Zgodnie z definicją

pochodnej mamy:

x

x

f

x

x

f

x

f

x

+

=

)

(

)

(

lim

)

(

'

0

0

0

0

.

Poniżej pokazany jest schematyczny wykres tej funkcji, jej wartość dla argumentu

0

x

,

przyrost wartości argumentu i odpowiadający mu przyrost wartości funkcji.

)

(x

f

0

x

x

x

+

0

)

(

0

x

f

)

(

0

x

x

f

+

)

(

)

(

0

0

x

f

x

x

f

+

x

α

l

prosta

background image

25

Proszę zauważyć, że iloraz przyrostu wartości funkcji do przyrostu argumentu:

x

x

f

x

x

f

+

)

(

)

(

0

0

jest tangensem kąta α , jaki tworzy prosta l z osią x-ów.

Jeżeli przejdziemy do granicy ilorazu różnicowego, to:

α

tg

x

x

f

x

x

f

x

f

x

=

+

=

)

(

)

(

lim

)

(

'

0

0

0

0

czyli pochodna funkcji w punkcie

0

x

jest współczynnikiem kierunkowym stycznej do

wykresu funkcji

)

(x

f

w tym punkcie.

Określenie: Jeżeli funkcja

)

(x

f

jest różniczkowalna w punkcie

0

x

, to styczna do wykresu

funkcji w tym punkcie dana jest wzorem:

)

(

)

(

'

)

(

0

0

0

x

x

x

f

x

f

y

=

.

Przykład 30. Wyznaczmy równanie stycznej do wykresu funkcji

2

2

)

(

x

x

f

=

w punkcie

1

0

=

x

.

Zgodnie z podanym określeniem równanie stycznej do wykresu tej funkcji dane jest

wzorem:

)

1

(

)

1

(

'

)

1

(

=

x

f

f

y

, czyli

2

4

)

1

(

4

2

=

=

x

y

x

y

.

3.3 Różniczka funkcji

Z definicji pochodnej wynikają przybliżone równości:

x

x

f

x

f

x

x

f

+

)

(

'

)

(

)

(

0

0

0

x

x

f

x

f

x

x

f

+

+

)

(

'

)

(

)

(

0

0

0

.

Pierwsza z tych równości pozwala oszacować przybliżony przyrost wartości funkcji,

druga zaś pozwala oszacować nową wartość funkcji przy zmianie argumentu z

0

x

na

x

x

+

0

. Błąd tych szacunków jest tym mniejszy, im mniejszy jest przyrost argumentu

funkcji x

∆ .

Określenie: Wyrażenie

x

x

f

)

(

'

0

nazywamy różniczką funkcji

)

(x

f

w punkcie

0

x

dla

przyrostu argumentu x

∆ .

Przykład 31. Korzystając z różniczki funkcji wyznaczymy przybliżoną wartość funkcji

2

2

)

(

x

x

f

=

w punkcie

01

,

1

0

=

x

.

Korzystając z drugiej równości mamy (przyjmujemy

1

0

=

x

i

01

,

0

=

∆x

)

04

,

2

01

,

0

4

2

)

1

(

'

)

1

(

)

01

,

1

(

=

+

=

+

x

f

f

f

(gdzie

x

x

f

4

)

(

'

=

).

Proszę zauważyć, że prawdziwa wartość różni się od naszego szacunku nieznacznie:

0402

,

2

)

01

,

1

(

2

)

01

,

1

(

2

=

=

f

.

background image

26

3.4 Obliczanie pochodnych

Obliczanie pochodnych funkcji wyłącznie z definicji byłoby zajęciem żmudnym,

dlatego też w praktyce będziemy korzystać z szeregu wzorów na obliczanie pochodnych.

Określenie: Przy obliczaniu pochodnych funkcji elementarnych będziemy korzystać

z następujących wzorów:

0

)'

(

=

c

pochodna stałej

1

)'

(

=

n

n

nx

x

pochodna funkcji potęgowej

a

a

a

x

x

ln

)'

(

=

x

x

e

e

=

)'

(

pochodna funkcji wykładniczej

(

)

a

x

x

a

ln

1

'

log

=

x

x

1

)'

(ln

=

pochodna funkcji logarytmicznej

x

x

cos

)'

(sin

=

pochodna funkcji sinus

x

x

sin

)'

(cos

=

pochodna funkcji cosinus

Określenie: Przy obliczaniu pochodnych funkcji obowiązują następujące reguły:

(

)

)

(

'

'

)

(

x

f

c

x

f

c

=

pochodna iloczynu stałej
i funkcji

(

)

)

(

'

)

(

'

'

)

(

)

(

x

g

x

f

x

g

x

f

±

=

±

pochodna sumy lub różnicy
funkcji

(

)

)

(

'

)

(

)

(

)

(

'

'

)

(

)

(

x

g

x

f

x

g

x

f

x

g

x

f

+

=

pochodna iloczynu funkcji

2

'

))

(

(

)

(

'

)

(

)

(

)

(

'

)

(

)

(

x

g

x

g

x

f

x

g

x

f

x

g

x

f

=





pochodna ilorazu funkcji
(oczywiście

0

)

(

x

g

)

Przykład 32. Korzystając z podanych wzorów obliczmy pochodne funkcji

tgx

y =

oraz

ctgx

y =

.

Korzystając z wzoru na pochodną ilorazu mamy:

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

tgx

2

2

2

2

2

'

cos

1

cos

sin

cos

cos

)'

(cos

sin

cos

)'

(sin

cos

sin

)'

(

=

+

=

=

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

ctgx

2

2

2

2

2

'

sin

1

sin

cos

sin

sin

)'

(sin

cos

sin

)'

(cos

sin

cos

)'

(

=

=

=

=

.


background image

27

Przykład 33. Obliczmy pochodną funkcji

x

y

4

sin

=

.

Zauważmy, że pochodnej tej funkcji nie możemy obliczyć z żadnego z dotychczas

podanych wzorów. Wynika to z faktu, że funkcja

x

y

4

sin

=

nie jest funkcją elementarną,

lecz funkcją złożoną z dwóch funkcji elementarnych:

=

=

=

x

t

t

y

x

y

4

sin

4

sin

Zauważmy także, że spełniony jest następujący warunek:

dx

dt

dt

dy

dx

dy

y

=

=

'

.

W naszym przykładzie mamy więc:

x

t

x

t

dx

dt

dt

dy

y

4

cos

4

4

cos

)'

4

(

)'

(sin

'

=

=

=

=

.

Określenie: Pochodna funkcji złożonej

))

(

(

x

g

f

y =

równa jest iloczynowi pochodnej

funkcji zewnętrznej przez pochodną funkcji wewnętrznej:

[

]

)

(

'

))

(

(

'

)

(

(

'

'

x

g

x

g

f

x

g

f

y

=

=

.

Przykład 34. Obliczmy pochodną funkcji

x

e

y

3

sin

2

=

.

Zauważmy, że naszą złożoną funkcję możemy rozpisać na następujące funkcje

elementarne i odpowiadające im pochodne:

( )

(

)

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

3

)'

3

(

cos

2

'

sin

2

2

1

3

sin

2

'

2

1

'

3

sin

2

2

1

2

1

x

dx

dp

p

p

dp

dt

e

e

dt

dz

z

z

z

dz

dy

x

p

p

t

e

z

z

y

e

y

t

t

t

x

.

Możemy już przejść do obliczenia pochodnej funkcji wyjściowej jako iloczynu

kolejnych pochodnych (w pewnym momencie wracamy do oryginalnych zmiennych):

3

3

cos

2

2

1

3

cos

2

2

1

3

sin

2

3

sin

2

=

=

=

x

e

e

p

e

z

dx

dp

dp

dt

dt

dz

dz

dy

dx

dy

x

x

t

Ostatecznie, po uporządkowaniu mamy:

x

x

x

x

e

x

e

e

x

e

y

3

sin

2

3

sin

2

3

sin

2

'

3

sin

2

3

cos

3

2

3

cos

6

'

=

=

=

.



background image

28

3.5 Pochodna a monotoniczność funkcji

Zauważmy, że zgodnie z definicją pochodnej funkcji dodatnia wartość pochodnej

w pewnym przedziale wskazuje na funkcję rosnącą w tym przedziale, a ujemna na funkcję
malejącą:

0

)

(

)

(

0

)

(

)

(

0

)

(

'

>

+

>

+

>

x

f

x

x

f

x

x

f

x

x

f

x

f

0

)

(

)

(

0

)

(

)

(

0

)

(

'

<

+

<

+

<

x

f

x

x

f

x

x

f

x

x

f

x

f

.

Określenie: Jeżeli pochodna funkcji

)

(x

f

jest dodatnia w pewnym przedziale

)

;

(

b

a

należącym do dziedziny funkcji, to funkcja jest w tym przedziale rosnąca.
Podobnie, jeżeli w tym przedziale pochodna jest ujemna, to funkcja jest
malejąca.

Przykład 35. Wyznaczmy przedziały monotoniczności funkcji

1

2

=

x

x

y

.

Dziedziną rozpatrywanej funkcji są liczby rzeczywiste z wyłączeniem 1

± . Obliczamy

pochodną:

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

)

1

(

1

)

1

(

2

1

)

1

(

)

2

(

1

)

1

(

)'

1

(

)

1

(

)'

(

'

=

=

=

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

.

Z uwagi na kwadrat funkcji w mianowniku o znaku pochodnej decyduje wyłącznie

wyrażenie w liczniku, mamy więc:

0

1

0

1

0

'

2

2

<

+

>

>

x

x

y

(nierówność sprzeczna)

0

1

0

1

0

'

2

2

>

+

<

<

x

x

y

(nierówność prawdziwa dla każdego

R

x ∈

).

Z rozwiązania tych nierówności wynika, że funkcja

1

2

=

x

x

y

jest funkcją malejącą

w całej swojej dziedzinie.

3.6 Pochodna a ekstrema funkcji

Określenie: Jeżeli funkcja

)

(x

f

jest ciągła w przedziale

)

;

(

b

a

należącym do dziedziny

funkcji, jeżeli jej pochodna jest równa zero w punkcie

)

;

(

0

b

a

x ∈

i zmienia

znak w otoczeniu tego punktu, to w punkcie

0

x

funkcja

)

(x

f

osiąga

ekstremum lokalne.

Jeżeli pochodna zmienia znak z „+” na „−”, to w punkcie

0

x

funkcja

osiąga maksimum lokalne.

Jeżeli pochodna zmienia znak z „−” na „+”, to w punkcie

0

x

funkcja

osiąga minimum lokalne.

background image

29

Przykład 36. Wyznaczmy ekstrema i przedziały monotoniczności funkcji

3

2

3

=

x

x

y

.

Dziedziną rozpatrywanej funkcji są

(

) (

) (

)

{

}

+

;

3

3

;

3

3

;

x

, funkcja

przyjmuje wartość zero dla

0

=

x

. Wyznaczymy pochodną tej funkcji, przyrównamy ją do

zera i zbadamy jej znak:

( )(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

4

2

2

3

2

2

2

2

2

3

2

3

3

)

9

(

3

9

3

2

)

3

(

3

3

'

3

3

'

'

=

=

=

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

.

Pochodna '

y równa jest zero wtedy i tylko wtedy, gdy licznik równy jest zero:

0

)

3

)(

3

(

0

)

9

(

0

'

2

2

2

=

+

=

=

x

x

x

x

x

y

stąd

3

0

3

0

'

=

=

=

=

x

x

x

y

.

Zauważmy, że o znaku pochodnej decyduje wyłącznie wyrażenie w liczniku, bowiem

mianownik jest zawsze dodatni. Musimy więc rozwiązać dwie nierówności:

3

3

0

9

0

)

9

(

0

'

2

2

2

>

<

>

>

>

x

x

x

x

x

y

.

3

3

0

9

0

)

9

(

0

'

2

2

2

<

<

<

<

<

x

x

x

x

y

.

Dla lepszej przejrzystości wyniki badania pochodnej zapiszemy w tabelce:

x

−∞

....

3

....

0

....

3

....

+∞

'

y

+

0

0

0

+

maks.

min.

Jak widzimy pochodna jest równa zero w trzech punktach: −3, 0 i 3, ale tylko w otocze-

niu punktów −3 i 3 zmienia znak.

W otoczeniu punktu −3 zmienia znak z „+” na „−”, tym samym funkcja osiąga w tym

punkcie maksimum lokalne.

W otoczeniu punktu 3 pochodna zmienia znak z „−” na „+”, tym samym funkcja osiąga

w tym punkcie minimum lokalne.

W punkcie 0 wprawdzie pochodna jest równa zero, ale w otoczeniu tego punktu nie

zmienia znaku, tym samym w tym punkcie nie ma ekstremum.

Przy okazji proszę zauważyć, że z badania pochodnej mamy także przedziały mono-

toniczności rozpatrywanej funkcji.

Uwzględniając dziedzinę funkcji mamy, że funkcja

3

2

3

=

x

x

y

jest rosnąca dla

(

) (

)

{

}

+

;

3

3

;

x

, a malejąca dla

(

) (

) (

)

{

}

3

;

3

3

;

3

3

;

3

x

.


background image

30

3.7 Druga pochodna i jej zastosowania

Określenie: Drugą pochodną funkcji

)

(x

f

nazywamy pochodną jej pochodnej:

[

]

'

)

(

'

)

(

"

x

f

x

f

=

.

Jeżeli funkcja

)

(x

f

jest różniczkowalna w pewnym przedziale

)

;

(

b

a

i jej pierwsza

pochodna jest w tym przedziale różniczkowalna, to możemy wyznaczyć pochodną
(pierwszej) pochodnej. Przy wyznaczaniu drugiej pochodnej obowiązuje te same wzory
i reguły co przy wyznaczaniu pierwszej pochodnej. Często pochodną pochodnej nazywa się
pochodną rzędu drugiego, a (pierwszą) pochodną odpowiednio pochodną rzędu pierwszego.
Istnieje oczywiście możliwość wyznaczania dalszych pochodnych, ale nie wchodzi to
w zakres materiału prezentowanego w tym zeszycie.

Przykład 37. Obliczmy pierwszą i drugą pochodną funkcji

x

y

4

sin

=

.

Obliczamy pierwszą pochodną:

x

x

y

4

cos

4

)'

4

(sin

'

=

=

Obliczamy druga pochodną:

x

x

x

x

y

4

sin

16

4

)

4

sin

(

4

)'

4

(cos

4

)'

4

cos

4

(

=

=

=

=

′′

.

Druga pochodna znajduje zastosowanie w szczegółowym badaniu przebiegu zmien-

ności funkcji, pozwala bowiem na określenie kształtu funkcji, a tym samym tempa
zwiększania czy zmniejszania wartości funkcji.

Określenie. Jeżeli druga pochodna funkcji

)

(x

f

jest równa zero w punkcie

0

x

i zmienia

znak w otoczeniu tego punktu (nie jest istotne jak), to w punkcie

0

x

istnieje

punkt przegięcia (p.p). W punkcie przegięcia styczna do wykresu funkcji
przechodzi z jednej strony wykresu na drugą.

Określenie: Jeżeli druga pochodna funkcji

)

(x

f

jest dodatnia w przedziale

)

;

(

b

a

, to

wykres funkcji jest w tym przedziale wklęsły. Jeśli druga pochodna jest
ujemna w przedziale

)

;

(

b

a

, to wykres funkcji jest w tym przedziale

wypukły.

Przykład 38. Powiedzmy, że chcemy sprawdzić, czy funkcja

3

2

3

=

x

x

y

ma punkt

przegięcia, chcemy też zbadać, jak zmienia się kształt tej funkcji w poszczególnych
przedziałach.

W przykładzie 36 wyznaczyliśmy pierwszą pochodną tej funkcji otrzymując:

( )(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

4

2

2

3

2

2

2

2

2

3

2

3

3

)

9

(

3

9

3

2

)

3

(

3

3

'

3

3

'

'

=

=

=

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

.

Korzystając z przedostatniej postaci obliczmy pochodną pierwszej pochodnej:

background image

31

(

)

[

]

4

2

2

2

4

2

2

4

2

2

2

4

2

2

2

4

2

2

3

'

2

2

2

4

)

3

(

)

27

3

)(

3

(

2

)

3

(

)

9

(

2

)

3

)(

9

2

(

)

3

(

2

)

3

(

2

)

3

(

2

)

9

(

)

3

(

)

18

4

(

3

9

"

+

=

=

=

=



=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

.

Z otrzymanego rozwiązania mamy, że:

3

0

3

0

)

3

(

6

0

"

2

3

=

=

=

=

=

x

x

x

x

x

y

.

Biorąc pod uwagę dziedzinę funkcji pozostaje nam tylko jedno miejsce zerowe drugiej

pochodnej:

0

0

"

=

=

x

y

.

W punkcie

0

=

x

może istnieć punkt przegięcia funkcji

3

2

3

=

x

x

y

(chwilowo spełnio-

ny jest warunek wystarczający: druga pochodna równa jest zero w tym punkcie). Aby być
pewnym, że jest to punkt przegięcia, musimy zbadać znak drugiej pochodnej w otoczeniu
tego punktu.

Z uwagi na postać drugiej pochodnej wiemy, że o jej znaku decyduje wyłącznie

wyrażenie w liczniku (mianownik jest zawsze dodatni dla x-ów należących do dziedziny
funkcji).

Dla lepszej przejrzystości zbadamy znak drugiej pochodnej budując tabelkę jej

zmienności.

x

−∞

...

3

...

0

...

3

...

+∞

3

+

x

0

+

+

+

0

x

0

+

+

3

x

0

+

"

y

wyp.

0

+

wkl.

0

p.p

wyp.

0

+

wkl.

Z badania znaku drugiej pochodnej wynika więc, że funkcja

3

2

3

=

x

x

y

ma w punkcie

0

=

x

punkt przegięcia, że jej kształt jest wypukły w przedziałach

)

3

;

(

−∞

i

)

3

;

0

(

,

a w pozostałych przedziałach jej dziedziny jest to kształt wklęsły.

background image

32

Określenie: Znaki pierwszej i drugiej pochodnej informują nie tylko o tym, czy funkcja

jest rosnąca lub malejąca (pierwsza pochodna), ale także o tempie wzrostu
czy zmniejszania wartości funkcji (druga pochodna). Można ten związek
przedstawić tabelarycznie:

0

"<

y

Funkcja malejąca, kształt
wypukły, funkcja maleje coraz
szybciej.

0

'<

y

0

">

y

Funkcja malejąca, kształt
wklęsły, funkcja maleje coraz
wolniej.

0

"<

y

Funkcja rosnąca, kształt
wypukły, funkcja rośnie coraz
wolniej.

0

' >

y

0

">

y

Funkcja rosnąca, kształt
wklęsły, funkcja rośnie coraz
szybciej.

3.8 Badanie przebiegu zmienności funkcji

Rozdział ten poświęcimy na pełne badanie przebiegu zmienności funkcji obejmujące

następujące etapy:

 Wyznaczenie dziedziny funkcji i ewentualnie miejsc zerowych;
 Wyznaczenie granic funkcji na krańcach dziedziny wraz z ewentualnymi

asymptotami;

 Wyznaczenie pierwszej pochodnej, ustalenie przedziałów monotoniczności

i ewentualnych ekstremów (minimum, maksimum);

 Wyznaczenie drugiej pochodnej, zbadanie jej znaku, ewentualnego punktu

przegięcia, kształtu wykresu funkcji;

 Sporządzenie tabelki zmienności funkcji;
 Naszkicowanie wykresu funkcji.

background image

33

Przykład 39. Przeprowadźmy pełne badanie przebiegu zmienności funkcji

3

2

2

=

x

x

y

.

Dziedziną jest zbiór liczb rzeczywistych z wyłączeniem punktu

3

=

x

, dla którego

mianownik jest równy zero. Fakt ten możemy zapisać jako

{ }

3

∈ R

x

lub zapisując

dziedzinę jako sumę przedziałów:

{

}

)

;

3

(

)

3

;

(

+

−∞

x

.

Proszę także zauważyć, że badana funkcja przyjmuje wartość zero wtedy, gdy licznik

jest równy zero, stąd mamy miejsce zerowe:

0

0

2

0

3

2

2

2

=

=

=

=

x

x

x

x

y

.

Wyznaczamy teraz granice na krańcach dziedziny. Kolejno mamy:

−∞

=

=

−∞

−∞

x

x

x

x

x

x

3

2

1

2

lim

3

2

lim

+∞

=

=

+∞

+∞

x

x

x

x

x

x

3

2

1

2

lim

3

2

lim

−∞

=

=

"

0

"

"

18

"

3

2

lim

2

3

x

x

x

+∞

=

=

+

+

"

0

"

"

18

"

3

2

lim

2

3

x

x

x

.

Punkt

3

=

x

jest punktem nieciągłości badanej funkcji, widzimy także, że obie granice

jednostronne w tym punkcie są niewłaściwe, tym samym prosta

3

=

x

jest asymptotą

pionową funkcji

3

2

2

=

x

x

y

.

Ponieważ granice w ±∞ nieskończoności były niewłaściwe, to wiemy także, że badana

funkcja nie posiada asymptoty poziomej.

Z wcześniejszych rozważań wiemy także, że nieistnienie asymptoty poziomej nie

wyklucza istnienia asymptoty ukośnej

b

ax

y

+

=

, musimy więc przeprowadzić odpo-

wiednie badanie. Obliczamy granice określające parametry asymptoty:

2

)

3

(

2

lim

)

(

lim

2

=

=

=

±∞

±∞

x

x

x

x

x

f

a

x

x

6

3

6

lim

3

6

2

2

lim

2

3

2

lim

]

)

(

[

lim

2

2

2

=

=

+

=

=

=

±∞

±∞

±∞

±∞

x

x

x

x

x

x

x

x

x

ax

x

f

b

x

x

x

x

.

Obie granice są właściwe, tym samym prosta

6

2 +

= x

y

jest asymptotą ukośną badanej

funkcji.

Obliczymy teraz pierwszą pochodną, przyrównamy ją do zera i zbadamy jej znak.

Korzystając z wzorów na pochodną ilorazu mamy:

2

2

2

2

2

'

2

)

3

(

)

6

(

2

)

3

(

12

2

)

3

(

1

2

)

3

(

4

3

2

'

=

=

=

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

.

Wyznaczona pochodna jest równa zero wtedy i tylko wtedy, gdy wyrażenie w liczniku

jest równe zero, stąd

0

=

x

lub

6

=

x

.

background image

34

Znak wyznaczonej pochodnej zależy wyłącznie od znaku wyrażenia w liczniku

(mianownik jest dodatni dla wszystkich x należących do dziedziny tej funkcji). Ponieważ
wyrażenie w liczniku jest trójmianem kwadratowym (wykresem jest parabola o gałęziach
skierowanych do góry), to:

6

0

0

)

3

(

)

6

(

2

'

2

>

<

>

=

x

x

x

x

x

y

)

6

;

0

(

0

)

3

(

)

6

(

2

'

2

<

=

x

x

x

x

y

.

Z badania znaku pierwszej pochodnej wynika, że w punktach

0

=

x

i

6

=

x

jest ona

równa zero i zmienia znak w otoczeniu tych punktów, czyli są to punkty ekstremów
lokalnych (odpowiednio minimum i maksimum). Z kolei ze znaku pierwszej pochodnej
wnioskujemy, że badana funkcja jest rosnąca w przedziałach

)

0

;

(−∞

i

)

;

6

(

+

, a malejąca

w przedziałach

)

3

;

0

(

i

)

6

;

3

(

.

Wyznaczymy teraz drugą pochodną i zbadamy jej znak. Najwygodniej będzie, jak

wyznaczymy ją z przedostatniej postaci pierwszej pochodnej. Mamy więc:

(

)

.

)

3

(

)

3

(

36

)

3

(

)

6

9

6

)(

3

(

4

)

3

(

)]

6

(

)

3

)[(

3

(

4

)

3

(

1

)

3

(

2

)

12

2

(

)

3

(

)

12

4

(

)

3

(

)

3

(

)

12

2

(

)

3

(

)'

12

2

(

)

3

(

12

2

'

4

4

2

2

4

2

2

4

2

2

4

'

2

2

2

2

'

2

2

=

+

+

=

=

=

=

=

=

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

Jak łatwo zauważyć, pochodna ta nigdy nie jest równa zero, a o jej znaku decyduje

wyłącznie wyrażenie w liczniku. Stąd:

3

0

"

<

<

x

y

oraz

3

0

"

>

>

x

y

.

Z badania drugiej pochodnej mamy ostatecznie, że funkcja nie posiada punktu

przegięcia (bo druga pochodna nie jest równa zero dla żadnego punktu należącego do
dziedziny funkcji i nie zmienia znaku w otoczeniu tego punktu). Z kolei ze znaku drugiej
pochodnej mamy, że dla

3

<

x

wykres funkcji jest wypukły, a dla

3

>

x

wklęsły.

Możemy już przygotować tabelkę zmienności badanej funkcji.

x

−∞

...

0

...

3

...

6

...

+∞

'

y

+

0

0

+

"

y

+

+

y

−∞

0

n.i

24

+∞

maksimum

minimum

−∞

+∞

background image

35

Pozostało nam przygotowanie szkicu wykresu, wykorzystamy do jego wykonania

informacje zawarte w tabelce zmienności funkcji plus informacje o asymptotach.

3

2

2

=

x

x

y

6

24

y=2x+6

Z przedstawionego wykresu (i wcześniej uzyskanych informacji wynika), że funkcja

rośnie od minus nieskończoności do wartości zero, którą osiąga dla

0

=

x

. W przedziale od

zera do trzech funkcja maleje do minus nieskończoności. Z uwagi na kształt wykresu
funkcji możemy powiedzieć, że w przedziale

)

0

;

(−∞

funkcja rośnie coraz wolniej (tym

samym wartościom zmiennej x odpowiadają coraz mniejsze przyrosty wartości funkcji).

Z kolei w przedziale od zera do trzech funkcja maleje coraz szybciej (tym samym

wartościom zmiennej x odpowiadają coraz mniejsze wartości funkcji). Po drugiej stronie
asymptoty w punkcie

3

=

x

funkcja maleje od plus nieskończoności do wartości minimum

równej 24, która osiąga dla

6

=

x

, przy czym z uwagi na kształt wykresu funkcja maleje

coraz wolniej. W przedziale od sześciu do plus nieskończoności funkcja rośnie coraz
szybciej aż do plus nieskończoności.

Przykład 40. Zbadajmy przebieg zmienności funkcji

1

2

=

x

x

y

Dziedziną analizowanej funkcji są

{

}

)

;

1

(

)

1

;

1

(

)

1

;

(

+

−∞

x

, w punkcie

0

=

x

funkcja przyjmuje wartość zero (miejsce zerowe).

Wyznaczamy granice tej funkcji na krańcach dziedziny, mamy odpowiednio:

0

1

lim

1

lim

2

1

1

2

=

=

−∞

−∞

x

x

x

x

x

x

0

1

lim

1

lim

2

1

1

2

=

=

+∞

+∞

x

x

x

x

x

x

background image

36

−∞

=

=

+

"

0

"

"

1

"

1

lim

2

1

x

x

x

+∞

=

=

+

"

0

"

"

1

"

1

lim

2

1

x

x

x

−∞

=

=

"

0

"

"

1

"

1

lim

2

1

x

x

x

+∞

=

=

+

+

"

0

"

"

1

"

1

lim

2

1

x

x

x

.

Ponieważ granice w ±∞ są właściwe i równe zero, to prosta

0

=

y

jest asymptotą

poziomą badanej funkcji. Z kolei z faktu, że granice jednostronne w punktach nieciągłości
funkcji są niewłaściwe wynika, że badana funkcja posiada dwie asymptoty pionowe
o równaniach odpowiednio

1

=

x

i

1

=

x

.

Obliczamy teraz pierwsza pochodną:

2

2

2

2

2

2

2

2

2

'

2

)

1

(

)

1

(

)

1

(

1

)

1

(

2

)

1

(

1

1

'

+

=

=

=

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

.

Jak widzimy pierwsza pochodna badanej funkcji nie posiada miejsc zerowych i jest

zawsze ujemna (wyrażenie

)

1

(

2

+

− x

jest mniejsze od zera dla wszystkich x-ów), tym

samym funkcja jest malejąca w całej swojej dziedzinie.

Obliczamy drugą pochodną:

.

)

1

(

)

3

)(

1

(

2

)

1

(

)

3

)(

1

(

2

)

1

(

)]

1

(

2

1

)[

1

(

2

)

1

(

2

)

1

(

2

)

1

(

)

1

(

2

)

1

(

]'

)

1

[(

)]

1

(

[

)

1

(

)'

1

(

)

1

(

)

1

(

"

2

2

2

2

4

2

2

2

4

2

2

2

2

4

2

2

2

2

2

4

2

2

2

2

2

2

2

'

2

2

2

+

=

=

=

+

=

+

+

=

=

+

+

=

+

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

Druga pochodna jest równa zero wtedy, gdy wyrażenie w liczniku jest równe zero, stąd:

0

0

)

3

)(

1

(

2

0

"

2

2

=

=

+

=

x

x

x

x

y

(wyrażenie

3

2

+

x

jest zawsze dodatnie, a rozwiązań związanych z

1

2

x

nie bierzemy pod

uwagę ze względu na postać mianownika).

O znaku drugiej pochodnej decyduje wyrażenie

)

1

)(

1

(

2

)

1

(

2

2

+

=

x

x

x

x

x

, aby

zbadać znak tego wyrażenia sporządzimy pomocniczą tabelkę:

x

−∞

...

1

...

0

...

1

...

+∞

1

+

x

0

+

+

+

x

0

+

+

1

x

0

+

)

1

)(

1

(

2

+

x

x

x

+

+

Mamy stąd informacje o kształcie wykresu funkcji:

1

0

1

0

"

<

<

<

<

x

x

y

, czyli w tych przedziałach wykres jest wypukły;

1

0

1

0

"

>

<

<

>

x

x

y

, a w tych wklęsły.

background image

37

Proszę także zauważyć, że w otoczeniu punktu

0

=

x

druga pochodna zmienia znak

z plus na minus, a w punkcie

0

=

x

jest równa zero. Tym samym jest to punkt przegięcia

funkcji.

Możemy już sporządzić tabelkę zmienności funkcji:

x

−∞

...

1

...

0

...

1

...

+∞

'

y

"

y

+

0

+

y

0

0

p.p

0

Pozostało naszkicowanie wykresu badanej funkcji.

1

2

=

x

x

y

Jak widzimy z wykresy w całej swojej dziedzinie funkcja maleje, ale odbywa się to

w różnym tempie.

W przedziałach

)

1

;

(

−∞

i

)

1

;

0

(

funkcja maleje coraz szybciej (kształt wypukły),

a w przedziałach

)

0

;

1

(−

i

)

;

1

(

+

funkcja maleje coraz wolniej (kształt wklęsły).

W punkcie

0

=

x

funkcja ma punkt przegięcia (styczna do wykresu funkcji w tym

punkcie przechodzi z jednej strony wykresu na drugą).

W punktach

1

=

x

i

1

=

x

istnieją asymptoty pionowe, a prosta

0

=

y

jest asymptotą

poziomą.

Badana funkcja nie posiada ekstremów lokalnych.

−∞

+∞

−∞

+∞

background image

38

3.9 Reguła de l’Hospitala

Przy obliczaniu granic funkcji postaci

)

(

)

(

x

g

x

f

y =

w punkcie

0

x może się zdarzyć taka

sytuacja, że otrzymujemy wyrażenie nieoznaczone typu

"

0

0

"

lub

"

"

. Sytuacja taka

będzie wtedy, gdy

0

)

(

lim

)

(

lim

0

0

=

=

x

g

x

f

x

x

x

x

lub

±∞

=

=

)

(

lim

)

(

lim

0

0

x

g

x

f

x

x

x

x

.

W przypadku zaistnienia takiej sytuacji nie możemy skorzystać z klasycznych reguł

obliczania granic funkcji, możemy natomiast obliczyć tę granicę (jeżeli istnieje) korzystając
z reguły de l’Hospitala (czytaj: delopitala).

Określenie: Jeżeli funkcja

)

(

)

(

x

g

x

f

y =

w punkcie

0

x jest wyrażeniem nieoznaczonym typu

"

0

0

"

lub

"

"

, jeżeli funkcje

)

(x

f

i

)

(x

g

są różniczkowalne w otoczeniu

0

x

oraz istnieje

g

x

g

x

f

x

x

=

)

(

'

)

(

'

lim

0

, to

g

x

g

x

f

x

x

=

)

(

)

(

lim

0

.

Przykład 41. Obliczmy granice funkcji

1

2

3

+

=

x

x

y

w punkcie

3

0

=

x

.

Jak łatwo zauważyć

(

)

0

1

2

lim

)

3

(

lim

3

3

=

+

=

x

x

x

x

, tym samym mamy wyrażenie

nieoznaczone typu

"

0

0

"

. Tym samym przy obliczaniu granicy możemy skorzystać z reguły

de l’Hospitala:

(

)

(

)

4

1

1

2

lim

1

2

1

1

lim

1

2

'

3

lim

1

2

3

lim

3

3

'

3

3

=

+

=

+

=

+

=

+

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

.

Przy obliczaniu granic z wykorzystaniem reguły de l’Hospitala mogą zdarzyć się takie

sytuacje, że musimy tę regułę zastosować kilkukrotnie.

Regułę de l’Hospitala można stosować także w sytuacjach, gdy wyznaczamy granice

w

±∞

, a także przy wyznaczaniu granic jednostronnych.

Reguły de l’Hospitala nie można stosować bezpośrednio przy innych postaciach

nieoznaczoności niż

"

0

0

"

lub

"

"

. Jeżeli jednak nieoznaczoność jest typu

"

0

"

,

"

"

lub

"

1

"

, to można je sprowadzić do jednej z dwóch postaci, przy której wolno

już zastosować regułę de l’Hospitala.

background image

39

Przykład 42. Obliczmy granicę funkcji

2

3

sin

x

x

x

y

=

w punkcie

0

=

x

.

W punkcie

0

=

x

mamy wyrażenie nieoznaczone typu

"

"

0

0

, funkcje występujące

w liczniku i mianowniku są różniczkowalne, korzystamy więc z reguły de l’Hospitala.

( )

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

6

cos

1

lim

3

)'

sin

(

lim

3

sin

lim

0

'

2

0

2

0

=

=

.

Widzimy, że po zastosowaniu reguły de l’Hospitala mamy w dalszym ciągu wyrażenie

nieoznaczone typu

"

"

0

0

, zastosujemy więc tę regułę raz jeszcze.

( )

6

1

6

sin

1

lim

)'

6

(

)'

cos

1

(

lim

6

cos

1

lim

3

)'

sin

(

lim

3

sin

lim

0

0

0

'

2

0

2

0

=

+

=

=

=

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

Przykład 43. Obliczmy granicę funkcji

x

e

x

y =

w plus nieskończoności.

Jak łatwo zauważyć w plus nieskończoności mamy wyrażenie nieoznaczone typu

"

"

,

obie funkcje są różniczkowalne, stosujemy więc regułę de l’Hospitala.

( )

0

1

1

lim

'

lim

lim

'

=

=

=

=

+∞

+∞

+∞

x

x

x

x

x

x

e

e

x

e

x

.

Przykład 44. Obliczmy granicę funkcji

3

2

2

+

=

x

e

x

y

w plus nieskończoności.

Proszę zauważyć, że tym razem mamy w nieskończoności wyrażenie nieoznaczone typu

"

0

"

(ponieważ

+∞

=

+∞

2

lim x

x

, a

0

lim

3

2

=

=

−∞

+

+∞

e

e

x

x

), tym samym nie możemy

bezpośrednio zastosować reguły de l’Hospitala. Możemy jednak naszą funkcję zapisać
następująco:

3

2

2

)

3

2

(

2

3

2

2

+

=

=

=

x

x

x

e

x

e

x

e

x

y

.

W tej postaci możemy już zastosować regułę H (de l’Hospitala), ponieważ mamy

wyrażenie nieoznaczone typu

"

"

.

(

)

( )

(

)

( )

(

)

0

2

4

2

lim

2

2

lim

lim

lim

3

2

'

3

2

'

'

3

2

'

2

3

2

2

=

=

=

=

=

+∞

+∞

+∞

+

+∞

x

x

x

x

x

x

x

x

e

e

x

e

x

e

x

.

Podobnie jak w przykładzie 42 konieczne okazało się dwukrotne zastosowanie reguły

de l’Hospitala.

background image

40

3.10 Elementy ekonomicznej interpretacji pochodnej

W podrozdziale 3.3 mówiliśmy o różniczce funkcji i jej wykorzystaniu przy obliczaniu

przybliżonego przyrostu wartości funkcji jak i nowej wartości funkcji przy zmianie
argumentu z

0

x

na

x

x

+

0

. Wrócimy teraz do tych zagadnień, ale w aspekcie

ekonomicznym.

Powiedzmy, że koszt całkowity wyprodukowania x jednostek pewnego produktu

wyrażony jest funkcją

)

(x

K

(dla

0

x

). Funkcję tę będziemy nazywać funkcją kosztów

całkowitych, a funkcję

x

x

K

x

k

p

)

(

)

(

=

funkcją kosztów przeciętnych.

Jak pamiętamy wzór

x

x

K

x

K

x

x

K

+

)

(

'

)

(

)

(

0

0

0

pozwala oszacować przybliżony przyrost wartości funkcji. Po podstawieniu

1

=

∆x

otrzymamy zależność

)

(

'

)

(

)

1

(

0

0

0

x

K

x

K

x

K

+

,

którą można zinterpretować następująco: przyrost kosztów całkowitych spowodowany
zwiększeniem wielkości produkcji o jednostkę z poziomu

0

x

jest w przybliżeniu równy

wartości pochodnej w tym punkcie.

Funkcję

)

(

' x

K

(dla

0

>

x

) nazywamy funkcją kosztów krańcowych.

Analogicznie można zdefiniować funkcje podaży, popytu, utargu itd., odpowiednio

wprowadzamy wtedy funkcje przeciętnej i krańcowej podaży, popytu, utargu itd.

Przykład 45. Powiedzmy, że koszt całkowity wyprodukowania x jednostek produktu

dany jest funkcją

3

01

,

0

50

2500

)

(

x

x

x

K

+

=

dla

>

∈<

35

;

1

x

. Wyznaczmy rzeczywisty

i przybliżony koszt wytworzenia jednostki produktu przy poziomie produkcji

10

0

=

x

.

Rzeczywisty koszt jest równy:

69

,

46

31

,

3

50

)

1000

1331

(

01

,

0

50

)

10

11

(

01

,

0

)

10

11

(

50

10

01

,

0

10

50

2500

11

01

,

0

11

50

2500

)

10

(

)

11

(

3

3

3

3

=

=

=

=

=

+

+

=

=

K

K

K

Przybliżony koszt jest równy:

47

3

50

10

03

,

0

50

)

10

(

'

2

=

=

=

K

K

.

Jak widać z powyższego przykładu wyznaczenie przybliżonego kosztu wytworzenia

dodatkowej jednostki produkcji przy zadanym poziomie jest znacznie łatwiejsze.

Przy obliczaniu przybliżonego kosztu wytworzenia dodatkowej jednostki produkcji

korzystaliśmy z pochodnej

2

03

,

0

50

)

(

'

x

x

K

=

.

background image

41

Wartość pochodnej funkcji w danym punkcie określa kierunek i szybkość zmian

wartości funkcji w otoczeniu tego punktu. Przykładowo, dla funkcji kosztów całkowitych
z ostatniego przykładu wartość pochodnej w punkcie

10

0

=

x

jest równa 47, co oznacza, że

wzrost argumentu funkcji o jedną jednostkę (czyli do 11) powoduje przyrost wartości
funkcji o 47 jednostek.

W zastosowaniach ekonomicznych istotna jest także, poza znajomością szybkości

zmian funkcji znajomość granicy stosunku zmian względnych przyrostu wartości funkcji
do przyrostu argumentu w otoczeniu punktu

0

x .

Określenie: Elastycznością funkcji

)

(x

f

w punkcie

0

0

>

x

i takim, że

0

)

(

0

>

x

f

nazywamy liczbę

)

(

)

(

'

lim

)

(

0

0

0

0

0

x

f

x

x

f

x

f

E

x

x

y

y

x

x

=

=

.

Warto zauważyć, że znak tak zdefiniowanej liczby zależy tylko i wyłącznie od znaku

pochodnej w danym punkcie. Tym samym elastyczność funkcji rosnącej jest nieujemna,
a elastyczność funkcji malejącej niedodatnia.

Elastyczność funkcji w punkcie

0

x

można zinterpretować jako przybliżoną miarę

procentowej zmiany wartości funkcji odpowiadającej przyrostowi argumentu o 1%.

Przykład 46. Powiedzmy, że funkcja kosztów przeciętnych pewnego przedsiębiorstwa

jest dana wzorem

1

2

40

3

1

,

0

)

(

+

+

=

x

x

x

x

k

p

(dla

0

>

x

). Obliczmy elastyczność kosztu

przeciętnego i kosztu całkowitego w punkcie

10

0

=

x

.

Zgodnie z podanym wyżej wzorem musimy obliczyć wartość pochodnej funkcji kosztu

przeciętnego w punkcie

10

0

=

x

. Kolejno mamy:

2

'

3

2

,

0

)

(

=

x

x

x

k

p

,

01

,

1

01

,

0

3

2

10

3

10

2

,

0

)

10

(

2

0

'

=

=

=

=

x

k

p

.

Musimy jeszcze wyznaczyć wartość funkcji kosztów przeciętnych w punkcie

10

0

=

x

:

1

,

20

1

,

0

40

30

10

10

40

10

3

10

1

,

0

)

10

(

1

2

0

=

+

+

=

+

+

=

=

x

k

p

.

Możemy już wyznaczyć elastyczność funkcji kosztów przeciętnych:

502

,

0

1

,

20

1

,

10

1

,

20

10

01

,

1

)

(

)

(

)

10

(

0

0

0

'

0

=

=

=

=

x

k

x

x

k

x

k

E

p

p

p

p

.

Wynik ten można zinterpretować następująco: wzrost wielkości produkcji o 1%

z poziomu

10

0

=

x

spowoduje zmniejszenie kosztów przeciętnych o 0,502%.

Przed obliczeniem elastyczności kosztu całkowitego musimy odtworzyć funkcję kosztu

całkowitego

)

(x

K

z zależności

x

x

K

x

k

p

)

(

)

(

=

, stąd

)

(

)

(

x

k

x

x

K

p

=

.

background image

42

W naszym przypadku mamy:

(

)

1

40

3

1

,

0

40

3

1

,

0

)

(

2

3

1

2

+

+

=

+

+

=

x

x

x

x

x

x

x

x

K

.

Podobnie jak poprzednio wyznaczamy pomocnicze wartości:

40

6

3

,

0

)

(

'

2

+

=

x

x

x

K

10

40

60

30

40

10

6

10

3

,

0

)

10

(

'

2

0

=

+

=

+

=

=

x

K

201

1

400

300

100

1

10

40

10

3

10

1

,

0

)

10

(

2

3

0

=

+

+

=

+

+

=

=

x

K

.

Możemy już wyznaczyć elastyczność funkcji kosztów całkowitych w

10

0

=

x

:

5

,

0

201

100

201

10

10

)

(

)

(

'

)

10

(

0

0

0

0

=

=

=

=

x

K

x

x

K

x

K

E

k

.

Uzyskany wynik można zinterpretować następująco: wzrost wielkości produkcji o 1%

z poziomu

10

0

=

x

spowoduje wzrost kosztów całkowitych przedsiębiorstwa o około 0,5%.

Przykład 47. Obliczmy elastyczność funkcji utargu w punkcie

16

0

=

x

, jeżeli wiemy, że

cena jest funkcją podaży opisaną wzorem

x

x

p

1

,

0

30

)

(

=

dla

50

1

≤ x

.

Rozwiązanie tego przykładu musimy zacząć od wyznaczenia funkcji utargu

)

(x

U

,

która będzie iloczynem ilości sprzedanych produktów przez ich cenę:

2

1

,

0

30

)

1

,

0

30

(

)

(

)

(

x

x

x

x

x

p

x

x

U

=

=

=

.

Dalsze obliczenia przebiegają już analogicznie jak w poprzednim przykładzie.

x

x

U

2

,

0

30

)

(

'

=

8

,

26

2

,

3

30

16

2

,

0

30

)

16

(

'

0

=

=

=

=

x

U

4

,

28

16

)

6

,

1

30

(

16

16

1

,

0

16

30

)

16

(

2

0

=

=

=

=

x

U

Możemy już wyznaczyć elastyczność funkcji utargu w

16

0

=

x

:

94

,

0

4

,

28

8

,

26

4

,

28

16

16

8

,

26

)

(

)

(

'

)

16

(

0

0

0

0

=

=

=

=

=

x

U

x

x

U

x

U

E

u

.

Uzyskany wynik można zinterpretować następująco: wzrost wielkości sprzedaży o 1%

z poziomu

16

0

=

x

spowoduje wzrost utargu o 0,94%.

background image

43

4. Funkcje wielu zmiennych

Dotychczas zajmowaliśmy się funkcjami jednej zmiennej. W zastosowaniach

praktycznych z reguły będziemy korzystać z funkcji wielu zmiennych. Przykładowo, jeżeli
pewien zakład z branży spożywczej sprzedaje sok jabłkowy po

a złotych, a sok

marchwiowy po b złotych, to funkcja:

y

b

x

a

y

x

f

Z

+

=

=

)

;

(

,

gdzie

x i y są ilością sprzedanych soków, jest funkcją utargu.

Formalną definicję funkcji wielu zmiennych poprzedzimy wprowadzeniem pojęcia

wektora kolumnowego i przestrzeni n -wymiarowej.

Wektorem kolumnowym o

n składowych nazywamy następujący uporządkowany

układ liczb:

=

n

x

x

:

1

x

Zbiór wszystkich możliwych wektorów

n elementowych będziemy nazywać

przestrzenią n -wymiarową i oznaczać symbolem

n

R

.

Określenie: Jeżeli każdemu wektorowi

X

x

, gdzie

n

R

X ⊆

, jest przyporządkowana

dokładnie jedna liczba

Y

y ∈

, to została określona funkcja rzeczywista

n zmiennych przekształcająca zbiór X w zbiór Y .

Funkcję tę będziemy zapisywać symbolicznie w postaci

Y

X

f

:

, gdzie

)

...;

;

(

1

n

x

x

f

y =

. Zbiór

X

będziemy nazywać dziedziną funkcji i zwyczajowo oznaczać

symbolem

D

, a zbiór

Y

zbiorem wartości lub przeciwdziedziną funkcji.

Dla

2

=

n

mamy funkcję dwóch zmiennych i w dalszych rozważaniach ograniczymy

się do tego typu funkcji.

Przykład 48. Wyznaczmy dziedzinę funkcji postaci

)

ln(

)

;

(

2

2

1

1

2

1

x

x

x

x

x

f

=

.

Dziedziną będzie taki zbiór X , dla których podana funkcja ma sens. Z uwagi na

logarytm dziedziną będzie wiec zbiór

(

)

{

}

2

2

2

1

2

2

1

0

:

;

R

x

x

R

x

x

D

>

=

.

Przykładowo wektor

[ ]

T

1

;

2

(symbol T oznacza transpozycję wektora, czyli w tym

przypadku wektor wierszowy) należy do dziedziny tej funkcji, ponieważ obie współrzędne

należą do zbioru liczb rzeczywistych, a obszar wyznaczony nierównością

2

2

1

x

x >

jest

podzbiorem płaszczyzny

2

R

. Możemy jeszcze wyznaczyć wartość funkcji dla tego

argumentu:

0

0

2

1

ln

2

)

1

2

ln(

2

)

1

;

2

(

2

=

=

=

=

f

.

background image

44

Proszę także zauważyć, że wektor

[ ]

T

2

;

1

nie należy do dziedziny funkcji, bowiem nie

jest spełniona druga część warunku

0

2

2

1

>

− x

x

:

0

2

1

2

<

.

Przykład 49. Wyznaczmy dziedzinę funkcji

y

x

x

y

x

g

2

1

)

,

(

+

=

oraz obliczmy jej

wartość dla argumentu

[ ]

T

2

;

1

.

Przed wyznaczeniem dziedziny tej funkcji zapiszmy wyrażenie podpierwiastkowe

w trochę innej postaci:

xy

x

y

y

x

x

y

x

g

2

2

2

1

)

,

(

2

+

=

+

=

Z uwagi na funkcję pierwiastkową dziedziną będzie taki zbiór, dla którego spełnione

będą warunki:

0

0

2

2

2

+

xy

xy

x

y

, stąd

(

) (

)

{

}

2

2

2

1

2

2

1

2

0

0

:

)

;

(

R

x

y

xy

x

y

xy

R

y

x

D

>

<

=

.

Obliczamy wartość funkcji g dla podanego argumentu:

12

,

1

25

,

1

25

,

0

1

2

2

1

1

1

)

2

;

1

(

=

+

=

+

=

g

.

Przykład 50. W pewnym zakładzie ustalono, że funkcje miesięcznego popytu (w tys.

opakowań) na dwa produkty wytwarzane w tym zakładzie są funkcjami ich cen postaci:

y

x

y

x

P

y

x

y

x

P

2

22

)

;

(

5

,

2

5

,

1

30

)

;

(

2

1

+

=

+

=

.

Wyznaczmy na tej podstawie funkcję miesięcznej wartości sprzedaży (utargu).

Poszukiwana funkcja będzie sumą iloczynów ceny poszczególnych produktów przez
sprzedane ich ilości, stąd mamy:

.

2

5

,

1

5

,

3

22

30

2

22

5

,

2

5

,

1

30

)

;

(

)

;

(

)

;

(

2

2

2

2

2

1

y

x

xy

y

x

y

xy

y

xy

x

x

y

x

P

y

y

x

P

x

y

x

U

+

+

=

=

+

+

+

=

+

=

Przykład 51. Funkcję produkcji pewnego zakładu opisano znaną w zastosowaniach

ekonomicznych funkcją Cobba-Douglasa postaci:

2

,

0

8

,

0

52

,

1

)

;

(

L

K

L

K

P

=

.

gdzie parametr K oznacza wielkość zaangażowanego kapitału produkcyjnego, a L wielkość
zatrudnionej siły roboczej.

background image

45

Obliczmy wielkość produkcji tego zakładu dla

80

=

K

(mln. zł) i

6

,

1

=

L

. Po

podstawieniu do podanej funkcji mamy następującą wartość produkcji (możemy skorzystać
np. z Excela):

6

,

55

0986

,

1

3021

,

33

52

,

1

6

,

1

80

52

,

1

)

6

,

1

;

80

(

2

,

0

8

,

0

=

P

.

Ogólnie funkcja Cobba-Douglasa ma postać

r

r

L

K

c

L

K

P

=

1

)

;

(

, gdzie parametr

0

>

c

,

)

1

;

0

(

r

, a dziedziną jest

{

}

0

;

0

;

)

;

(

:

2

>

>

L

K

R

L

K

D

p

.

Zobaczmy jeszcze, o ile zmieni się wartość funkcji Cobba-Douglasa, jeżeli oba jej

parametry zostaną jednocześnie powiększone o 10% w stosunku do wyjściowych wartości
podanych wyżej (

80

=

K

,

6

,

1

=

L

)?

Mamy teraz

K

K

= 1

,

1

1

oraz

L

L

= 1

,

1

1

, stąd

.

)

;

(

1

,

1

)

;

(

1

,

1

52

,

1

1

,

1

1

,

1

)

1

,

1

(

)

1

,

1

(

52

,

1

52

,

1

)

;

(

)

2

,

0

8

,

0

(

2

,

0

8

,

0

2

,

0

8

,

0

2

,

0

8

,

0

2

,

0
1

8

,

0

1

1

1

L

K

P

L

K

P

L

K

L

K

L

K

L

K

P

=

=

=

=

=

=

+

Jak widzimy z powyższego jednoczesna zmiana obu parametrów o 10 procent

spowoduje zwiększenie wartości funkcji produkcji również o 10 procent.

4.1 Pochodne cząstkowe pierwszego rzędu

W zastosowaniach praktycznych funkcji wielu zmiennych istotna jest możliwość

obliczania krańcowych zmian wartości tej funkcji dla wybranego argumentu i przy
ustaleniu wartości pozostałych argumentów jak również tempo tych zmian. W przypadku
funkcji jednej zmiennej odpowiedzi na podobne pytania były osiągalne dzięki
wprowadzeniu pojęcia pochodnej funkcji. W przypadku funkcji wielu zmiennych będziemy
korzystać z tzw. pochodnych cząstkowych.

Określenie: Pochodną cząstkową pierwszego rzędu funkcji

)

...;

;

(

1

n

x

x

f

y =

w punkcie

)

...;

;

2

;

1

(

n

j

x

j

=

nazywamy granicę (jeżeli istnieje) ilorazu różnicowego

j

n

j

n

j

n

j

j

x

x

x

x

f

x

x

x

x

f

x

x

x

x

f

j

=

+

)

;...;

(

)

;...;

;...;

(

)

;...;

;...;

(

lim

1

1

1

0

Dla oznaczenia pochodnej cząstkowej ze względu na zmienną

j

x można także stosować

zapis

'

j

x

f

zamiast

j

n

x

x

x

f

)

;...;

(

1

.

Dla funkcji n zmiennych rozpatrujemy n pochodnych cząstkowych pierwszego rzędu,

choć niekoniecznie wszystkie muszą istnieć. Jeżeli pochodne cząstkowe istnieją dla
każdego punktu należącego do dziedziny funkcji wielu zmiennych, to taką funkcję
nazywamy różniczkowalną w zbiorze

f

D

X ⊆

.

background image

46

Dla funkcji dwóch zmiennych

)

;

(

y

x

f

można więc wyznaczyć dwie pochodne

cząstkowe pierwszego rzędu:

x

y

x

f

y

x

x

f

f

x

y

x

f

x

x

+

=

=

)

;

(

)

;

(

lim

)

;

(

0

'

y

y

x

f

y

y

x

f

f

y

y

x

f

y

y

+

=

=

)

;

(

)

;

(

lim

)

;

(

0

'

.

Przy wyznaczaniu pochodnych cząstkowych względem zmiennej

j

x pozostałe zmienne

traktujemy jako stałe, stąd przy wyznaczaniu pochodnych cząstkowych korzystamy z reguł
pochodnej jednej zmiennej.

Przykład 52. Wyznaczmy pochodne cząstkowe funkcji

3

sin

2

3

)

;

(

2

+

=

y

y

x

y

x

f

.

Traktując zmienną y jako stałą wyznaczamy pochodną cząstkową względem x:

xy

x

y

y

x

y

f

x

6

0

0

2

2

3

)'

3

(

)'

(sin

2

)'

(

3

2

'

=

+

=

+

=

.

Analogicznie obliczamy pochodną cząstkową względem zmiennej y:

y

x

y

x

y

y

x

f

y

cos

2

3

0

cos

2

1

3

)'

3

(

)'

(sin

2

)'

(

3

2

2

2

'

=

+

=

+

=

.

Przykład 53. Wyznaczmy pochodne cząstkowe pierwszego rzędu funkcji dwóch

zmiennych

4

3

5

,

0

2

)

(

)

;

(

y

xy

x

y

x

f

+

=

.

Jedyna trudność w porównaniu z poprzednim przykładem związana jest z faktem, że

tym razem mamy funkcję złożoną:

)

2

(

)

(

4

3

3

5

,

0

2

'

x

x

y

xy

x

f

x

+

=

)

3

5

,

0

(

)

(

4

2

5

,

0

3

3

5

,

0

2

'

y

y

y

xy

x

f

y

+

+

=

.

Przykład 54. Wyznaczmy obie pochodne cząstkowe pierwszego rzędu w przypadku

funkcji produkcji Cobba-Douglasa.

[

]

( )

1

1

1

1

1

1

1

'

1

)'

(

)

;

(

=

=

=

=

=

=

r

r

r

r

r

r

r

r

r

L

K

cr

K

L

cr

K

r

L

c

K

L

c

L

K

c

K

L

K

P

[

]

r

r

r

r

r

r

r

r

r

L

K

r

c

L

K

r

c

L

r

cK

L

K

c

L

K

c

L

L

K

P

=

=

=

=

=

=

)

1

(

)

1

(

)

)(

1

(

)'

(

)

;

(

1

1

1

'

1

.

Użyty w tych przekształceniach iloraz

L

K

nazywamy technicznym uzbrojeniem

pracy, gdzie K jest wartością majątku produkcyjnego, a L jest wielkością zatrudnienia
w sferze produkcyjnej.

background image

47

4.2 Zastosowanie pochodnych cząstkowych

W interpretacji ekonomicznej wartość pochodnej cząstkowej względem zmiennej x

funkcji dwóch zmiennych

)

;

(

0

0

'

y

x

f

x

szacuje krańcową zmianę wartości funkcji w tym

punkcie spowodowaną zmianą wartości zmiennej x o

1

=

∆x

i przy ustalonej wartości

drugiej zmiennej.

Podobnie pochodna

)

;

(

0

0

'

y

x

f

y

szacuje krańcową zmianę wartości funkcji w tym

punkcie spowodowaną zmianą wartości zmiennej y o

1

=

∆y

i przy ustalonej wartości

drugiej zmiennej.

Tym samym dodatnia wartość pochodnej cząstkowej w danym punkcie oznacza wzrost

wartości funkcji w otoczeniu punktu

)

;

(

0

0

y

x

wywołany wzrostem wartości odpowiedniej

zmiennej. Analogicznie ujemna wartość pochodnej cząstkowej sygnalizuje spadek wartości
funkcji w otoczeniu punktu

)

;

(

0

0

y

x

wywołany wzrostem wartości odpowiedniej

zmiennej.

Podobnie jak w przypadku funkcji jednej zmiennej możemy wprowadzić określenia

elastyczności (cząstkowej) względem poszczególnych zmiennych.

Określenie: Jeżeli dana jest funkcja

)

;

(

y

x

f

i taki pewien punkt

f

D

y

x

)

~

;

~

(

w którym

funkcja f jest różniczkowalna, to:

Jeżeli

0

)

~

;

~

(

0

~

>

>

y

x

f

x

, to wyrażenie

)

~

;

~

(

)

~

;

~

(

~

)

~

;

~

(

'

y

x

f

y

x

f

x

y

x

f

E

x

x

=

nazywa-

my elastycznością cząstkową ze względu na zmienną x funkcji f w punkcie

)

~

;

~

(

y

x

.

Jeżeli

0

)

~

;

~

(

0

~

>

>

y

x

f

y

, to wyrażenie

)

~

;

~

(

)

~

;

~

(

~

)

~

;

~

(

'

y

x

f

y

x

f

y

y

x

f

E

y

y

=

nazywa-

my elastycznością cząstkową ze względu na zmienną y funkcji f w punkcie

)

~

;

~

(

y

x

.

Przykład 55. Wyznaczmy elastyczności cząstkowe funkcji

8

7

2

)

;

(

+

+

=

y

x

y

x

f

w punkcie

)

4

;

10

(

, a następnie zinterpretujemy uzyskany wynik.

Zgodnie z podanym wyżej określeniem mamy następujące wzory ogólne:

8

7

2

2

)

;

(

+

+

=

y

x

x

y

x

f

E

x

8

7

2

7

)

;

(

+

+

=

y

x

y

y

x

f

E

y

.

W podanym punkcie

)

4

;

10

(

elastyczności te wynoszą odpowiednio:

36

,

0

56

20

8

4

7

10

2

2

10

)

4

;

10

(

=

+

+

=

f

E

x

50

,

0

56

28

8

4

7

10

2

7

4

)

4

;

10

(

=

=

+

+

=

f

E

y

.

background image

48

Uzyskane wskaźniki można zinterpretować następująco:
Jeżeli zwiększymy wartość zmiennej

10

=

x

o 1% przy niezmienionej wartości

zmiennej

4

=

y

, to wartość funkcji

)

4

;

10

(

f

wzrośnie o około 0,36%.

Podobnie zwiększenie wartości zmiennej

4

=

y

o 1% przy niezmienionej wartości

zmiennej

10

=

x

spowoduje wzrost wartości funkcji

)

4

;

10

(

f

o 0,5%.

Materiał dotyczący funkcji wielu zmiennych został w tym zeszycie potraktowany

bardzo skrótowo, w miarę potrzeby odsyłam Czytelnika do obszernej literatury przedmiotu.

5. Literatura

1. E. Bańkowska i in. Egzamin wstępny na wyższe uczelnie. Zbiór zadań.

Wydawnictwo Podkowa, Gdańsk 1994

2. B. Gdowski, E. Pluciński. Zbiór zadań z matematyki dla kandydatów na wyższe

uczelnie. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1982

3. J. Górczyński. Ćwiczenia z matematyki. Zeszyt 1. Funkcje i ciągi liczbowe.

WSZiM w Sochaczewie, Sochaczew 2000

4. J.Górczyński. Ćwiczenia z matematyki. Zeszyt 4. Macierze i rozwiązywanie

równań liniowych. WSZiM w Sochaczewie, Sochaczew 2000

5. J. Kłopotowski i in. Matematyka dla studiów zaocznych (pod red. I. Nyko-

wskiego). Oficyna Wydawnicza SGH, Warszawa 1995

6. J. Laszuk. Matematyka. Studium podstawowe. Oficyna Wydawnicza SGH,

Warszawa 1996

7. J. Laszuk. Matematyka. Rozwiązania zadań. Wskazówki i odpowiedzi. Studium

podstawowe. Oficyna Wydawnicza SGH, Warszawa 1997

8. R. Leitner, W. Żakowski. Matematyka dla kandydatów na wyższe uczelnie

techniczne. Część I. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1984

9. R. Leitner, W. Żakowski. Matematyka dla kandydatów na wyższe uczelnie

techniczne. Część II. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1984

10. A. Zieliński. Wykłady z matematyki praktycznej. Fundacja „Rozwój SGGW”,

Warszawa 1997


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Matematyka Funkcja granice
Analiza matematyczna Wykłady, GRANICE FUNKCJI
Matematyka cw5 Granice funkcji Ciaglosc funkcji Asymptoty
matematyka, File173, GRANICA CIĄGU
Analiza Matematyczna I Skrypt UMK
3 Indukcja matematyczna, ciągi granice
Analiza matematyczna. Wykłady GRANICE FUNKCJI
Analiza matematyczna, Analiza matematyczna - szeregi, granice funkcji, Granice funkcji i szeregi
Matematyka Funkcja granice
Pogonowski Jerzy Logika Matematyczna (skrypt)
Matematyka cw5 Granice funkcji Ciaglosc funkcji Asymptoty
3 Matematyka ciągi i granice ciągu
3 Indukcja matematyczna, ciągi granice
Analiza Matematyczna 1 stary skrypt id 60884 (2)
Obliczanie granic stosując regułę de L, SZKOŁA, Matematyka, Matematyka
SKRYPT- matematyka finansowa, Szpital Miejski Gdańsk - Zaspa Gdańsk, 23.01.1996

więcej podobnych podstron