background image

ELEMENTY ANALIZY 

MATEMATYCZNEJ

 

     POCHODNA FUNKCJI

Matematyczny związek pomiędzy 
dwoma wielkościami - zmienną 
zależną i zmienną niezależną  - 
nazywamy
 funkcją

W fizyce np. droga przebyta przez 
ciało zależy od czasu – jest funkcją 
czasu – s(t). Z kolei  objętość gazu 
jest funkcją temperatury i ciśnienia – 
V(T,p), czyli objętość gazu zależy od 
dwu zmiennych. 

background image

Pochodna funkcji

W ogólności możemy mówić o funkcji wielu 

zmiennych.

Załóżmy że  y jest funkcją x;  y jest zmienną 

zależną, x jest zmienną niezależną. 
Pochodną funkcji y = f(x)  nazywa się 
granicę, do której dąży stosunek Δy /Δx 
(przyrost  funkcji do odpowiedniego 
przyrostu zmiennej niezależnej), gdy Δx 
dąży do zera:

  

x

x

f

x

x

f

x

y

x

x

)

(

)

(

lim

lim

0

0

background image

Interpretacja geometryczna

 

pochodnej

Pochodna ma 

następującą 

interpretację geometryczną. 
Pochodna funkcji w danym punkcie 
jest równa tangensowi kąta 
nachylenia stycznej do wykresu 
funkcji w tym punkcie z osią Ox. 

Pochodna funkcji y = f(x) oznaczamy 

różnymi symbolami: 

'

y

f

dx

df

dx

dy

background image

Przykłady w fizyce

Pochodna wyraża szybkość zmian 

funkcji f(x) przy zmianie argumentu 
x, niezależnie od tego czym jest 
funkcja.

Np. prędkość, czyli parametr ruchu 

zdefiniowana jest jako zmiana 
położenia ciała w czasie.  Prędkość 
jest wektorem stycznym do toru w 
każdym punkcie. W układzie s(t): 

dt

ds

t

s

t

lim

0

dt

d

t

a

t

lim

0

background image

Różniczka funkcji

Funkcję mającą pochodna w każdym punkcie 

pewnego przedziału nazywa się 

różniczkowalną w tym przedziale. 

Znajdowanie pochodnej nazywa się 

różniczkowaniem funkcji. 

Różniczką funkcji  y = f(x) nazywa się 

iloczyn pochodnej tej funkcji przez dowolny 

przyrost dx zmiennej niezależnej i oznacza 

się symbolem dy
dy = f’ dx

background image

Różniczki w fizyce - przykłady

gdzie ds jest elementarnym 

przemieszczeniem ciała (zwanym 
drogą) przebytym w czasie dt z 
prędkością υ, a - jest 
przyspieszeniem. 

dt

a

d

dt

ds

background image

  

Pochodna sumy, iloczynu, ilorazu  

funkcji

 

 Niech y(x), u(x) oraz v(x) oznaczają 

funkcje różniczkowalne. Wówczas:

 
Pochodna sumy (różnicy) funkcji
Jeśli  y = u ± v

to     y’ =  u’ ± v’   

Pochodna iloczynu 
Jeśli  y = u v to     y’ = (u v)’ = u’v + uv’ 

background image

Pochodna ilorazu

Jeśli y = u/v

     to

2

'

'

'

v

uv

v

u

y

Pochodna funkcji uwikłanej (złożonej)

Jeśli   y = u[v(x)]

     to     y’ = u’ v’

Przykład: 
gdy   y = sinωt,            to     y’ = cosωt  ω

 

background image

Pochodna wektora

Podstawowe własności różniczkowania funkcji 
są zachowane przy obliczaniu pochodnej funkcji 
wektorowej względem skalarnego argumentu:

(A  + B)’ =  A + B
A)’ = λ’A + λA

’ 

 =  λA

’ 

(A · B)’   = A’ · B + A ·  B’
(x B)’   = A’ x B + A x  B’

Uwaga, 
skalarnym argumentem najczęściej stosowanym w 
fizyce jest czas. 

background image

Pochodne wyższych rzędów

 

Pochodną rzędu drugiego lub drugą 

pochodną 

funkcji  y = f(x) 
nazywamy pochodną pierwszej pochodnej 

tej funkcji.

Drugą pochodną oznaczamy

 

symbolami:

)

8

.

3

(

''

''

..

2

2

2

2

y

dx

f

d

dx

y

d

f

y

background image

Druga pochodna w fizyce

Przyspieszenie a jest pierwszą pochodną 

prędkości i

drugą pochodną zmiany położenia ciała 

(drogi) 

względem czasu. 
    Prędkość bowiem jest definiowana jako 

pierwsza pochodna drogi względem czasu.

2

2

dt

s

d

dt

d

a

dt

ds

background image

 

Pochodne cząstkowe

Rozważmy funkcję dwu zmiennych f(x,y). 
Pochodną cząstkową  tej funkcji w punkcie 

(x

o,

 y

o

) względem zmiennej x liczymy tak jak 

zwykłą pochodną funkcji jednej zmiennej x; 
przy czym zmienną y traktujemy jak stały 
parametr. 

   Analogicznie definiujemy pochodną 

cząstkową funkcji f(x,y) względem zmiennej 
y.

Pochodne cząstkowe względem zmiennej x i 

zmiennej y oznaczamy odpowiednio

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

'

'

y

x

f

y

y

x

f

y

x

f

x

y

x

f

y

x

background image

  

Operator nabla. Gradient, 

diwergencja, rotacja

Operatorem nazywamy symbol 

(określający przepis) działania 
matematycznego na jakiejś 
wielkości. Np. symbol 

dx

d

jest

jest operatorem różniczkowania po zmiennej 
x.

 

background image

Operator nabla, zwany operatorem 

Hamiltona

 

z

y

x

k

j

i

     Sam operator 
     (suma iloczynów wersorów i pochodnych   
cząstkowych) 
      nie oznacza żadnej wielkości. Sensu nabiera 
 w działaniu 
      na jakąś wielkość. 
     Ma charakter wektora, więc działa na inne 
wielkości tak       
     jakby był wektorem.  

background image

Gradient 

– 

iloczyn operatora nabla i skalara jest 

wektorem

 

grad

k

j

i

z

y

x

)

(

y

temperatur

gradient

T

z

T

y

T

x

T

T

grad

k

j

i

)

(

background image

Diwergencja

 

Iloczyn skalarny operatora nabla i 

wektora jest skalarem

A

k

j

i

k

j

i

A

div

A

A

A

z

y

x

z

y

x

)

(

.

)

(

.

background image

Rotacja

Iloczyn wektorowy operatora nabla i 

wektora jest wektorem:

 

A

k

j

i

k

j

i

A

rot

A

A

A

z

y

x

z

y

x

)

(

)

(

background image

Operator Laplace’a (laplasjan)

Iloczyn skalarny dwóch operatorów nabla

 

)

(

.

)

(

.

z

y

x

z

y

x

k

j

i

k

j

i

background image

CAŁKOWANIE

Całkowanie jest działaniem “odwrotnym”
(„uzupełniającym”) do różniczkowania

Całka nieoznaczona funkcji f(x) symbolicznie oznaczana 

jest jako 

Całką funkcji f(x) [ciągłej w przedziale <a,b>] nazywamy
wyrażenie:       F(x) + C, 
takie, że pochodna funkcji F(x) równa się funkcji f(x): 
                        F’(x) = f(x).  

dx

x

f

)

(

background image

C

x

F

dx

x

f

)

(

)

(

Zate
m:

gdzie C jest 
stałą.

background image

Całka oznaczona

Przez całkę oznaczoną  funkcji f(x) w 

granicach od do b  rozumiemy:

Przy czym
[funkcja f(x) jest ciągła w przedziale <a,b>]
a –  dolna granica całkowania
b – górna granica całkowania.
 

b

a

b

a

a

F

b

F

x

F

dx

x

f

)

(

)

(

)

(

)

(

background image

Przykłady zastosowań całek 

oznaczonych w fizyce

t

dt

s

0

Na wykresie υ(t) [prędkość w zależności od 
czasu] s [droga] jest polem powierzchni pod 
krzywą, w granicach od 0 do t.

t

o

dt

I

Q

 

Na wykresie zależności natężenia prądu 
elektrycznego od czasu, czyli I(t), ładunek Q 
jest polem powierzchni pod krzywą, w 
granicach od 0 do t.

background image

LICZBY ZESPOLONE

Algebraiczna postać  liczby zespolonej:

              

z = a + i b

 

gdzie; a,b – dowolne liczby rzeczywiste,
i – jednostka urojona;  i

2

 = -1

     przy czym     a = Re (z)

                       b = Im (z)

background image

Trygonometryczna postać liczby 
zespolonej:

z = r cosφ + i  r sinφ

gdzie liczba zespolona jest punktem na 
płaszczyźnie zespolonej. 

Wg interpretacji geometrycznej –

położenie punktu dane jest za pomocą 
wektora wodzącego r, ustawionego pod 
kątem φ względem osi Ox. Składowa x-
owa wektora r jest rzeczywista i wynosi     
           a = r cosφ,          

zaś składowa y-owa jest urojona  i wynosi

                       b = r sinφ. 

background image

Postać wykładnicza liczby zespolonej:

z = r e

  

           

gdzie φ jest argumentem liczby zespolonej. 

Moduł, tj. wartość bezwzględna liczby 
zespolonej jest równa długości wektora 
wodzącego:

z* = a - i b = r(cosφ - i sinφ) = r e

-iφ

Działania na liczbach zespolonych: 

dodawanie
Mnożenie, dzielenie, potęgowanie.

Liczba sprzężona z liczbą to liczba  z*:

b

a

r

z

2

2


Document Outline