background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 7  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Twierdzenie Lagrange’a: Jeżeli 

1.

 

f jest ciągła w [a,b], 

2.

 

f jest żniczkowalna w (a,b),  

 

 

to 

 c

(a,b) :  f(b)-f(a)=f 

(c) (b-a). 

Dowód.  Wystarczy  rozpatrzyć  funkcję 

+

=

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

a

t

a

b

a

f

b

f

a

f

t

f

t

ϕ

,  t

[a,b],  która 

spełnia  założenia  twierdzenia  Rolle’a.  Stąd  istnieje  c

(a,b)  takie,  że

0

)

(

=

c

ϕ

.  Stąd  otrzymujemy 

0

)

(

)

(

)

(

)

(

'

=

=

a

b

a

f

b

f

c

f

c

ϕ

, co implikuje tezę.   

 
Interpretacja i wnioski 

 
W  interpretacji  geometrycznej:  musi  istnieć  punkt,  w  którym  styczna  (

)

(c

f

  to  współczynnik 

kierunkowy  stycznej)  jest  równoległa  do  siecznej  (

a

b

a

f

b

f

)

(

)

(

  to  współczynnik  kierunkowy 

siecznej). 

 

Z tw. Lagrange’a: 

x

c

f

x

f

x

x

f

f

=

+

=

)

(

)

(

)

(

0

 

(

)

}

,

max{

},

,

min{

0

0

0

0

x

x

x

x

x

x

c

+

+

 

 

x

(a,b)  

f 

‘ 

(x)=0 ⇒  f   stała   w (a,b

 

x

(a,b)  

f 

‘ 

(x)>0 ⇒  f 

rosnąca w (a,b

 

x

(a,b)  

f 

‘ 

(x)<0 ⇒  f 

malejąca w (a,b

Dowód

2

1

x

x

<

   

)

)(

(

)

(

)

(

1

2

1

2

x

x

c

f

x

f

x

f

=

   

0

)

(

>

c

f

  zawsze  (bo  taki  przypadek 

rozpatrujemy), 

0

1

2

>

x

x

 z założenia, a więc 

0

)

(

)

(

1

2

>

x

f

x

f

, czyli f rosnąca. 

 

 

Ekstrema funkcji 

Niech funkcja f : Ot(x

0

,

δ

0

)

x

 f(x) będzie określona na pewnym otoczeniu punktu x

0

 

Def. Funkcja  f   ma w punkcie x

0

  

maksimum lokalne właściwe   jeżeli  

 S(x

0

,

δ

) : 

x

 S(x

0

,

δ

)   f(x)<f(x

0

minimum lokalne właściwe   jeżeli  

 S(x

0

,

δ

) : 

x

 S(x

0

,

δ

)   f(x)>f(x

0

maksimum lokalne  

   

jeżeli  

 S(x

0

,

δ

) : 

x

 S(x

0

,

δ

)   f(x)

f(x

0

minimum lokalne  

 

jeżeli  

 S(x

0

,

δ

) : 

x

 S(x

0

,

δ

)   f(x)

f(x

0

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 7  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

WK istnienia ekstremum (tw. Fermata). Jeżeli 

 

f ma w punkcie x

0  

ekstremum 

 

f jest różniczkowalna w x

0

 

to  

f 

(x

0

)=0 

Dow. (dla minimum) 

<

>

=

0

0

0

0

  

dla

  

0

  

dla

  

0

)

(

)

(

x

x

x

x

x

x

x

f

x

f

 ale granica istnieje i jest ona tylko jedna, czyli 

jedyna możliwa to 0. 

 

Uwaga.  Funkcja  może  mieć  ekstremum  jedynie  w  punktach,  w  których  pochodna  zeruje  się  lub  nie 
istnieje. 
 

I  WW istnienia ekstremum. Jeżeli 

 

f  jest ciągła w punkcie x

0  

 

 

f  jest różniczkowalna w S(x

0

,

δ

 

’(x)<0 dla x

(x

0

-

δ

 , x

0

)   [’(x)>0 dla x

(x

0

-

δ

 , x

0

)]

 

 

’(x)>0 dla x

(x

0

 , x

0

+

δ

)   [’(x)<0 dla x

(x

0

 , x

0

+

δ

)]

 

to f ma w punkcie x

0

 minimum [maksimum] lokalne właściwe. 

Dowód.  (dla minimum).Niech x

 S(x

0

,

δ

) . Z tw. Lagrange,a   

x

 S(x

0

,

δ

f(x)-f(x

0

)= f ’(x

0

+

θ

(x-x

0

)) (x-x

0

)>0 , 

θ

(0,1) (bo f ’(x

0

+

θ

(x-x

0

))  i  (x-x

0

) są tego samego znaku. 

 
Twierdzenie i wzór Taylora

uogólnienie twierdzenia Lagrange’a

 

 

Niech I oznacza przedział domknięty o końcach x

0

 i x tzn. I=[min{x

0

,x}, max{x

0

,x}] 

Twierdzenie Taylora. Jeżeli f : I

 

ma ciągłe pochodne do rzędu n-1 w I   

 

ma pochodną rzędu n we wnętrzu  (int I

to 

  c

int I takie, że

  

4

4

3

4

4

2

1

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

3

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

2

1

)

(

0

!

)

(

)

(

1

0

!

)

1

(

)

(

2

0

!

2

)

(

0

!

1

)

(

0

)

(

)

(

...

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

1

0

)

1

(

0

''

0

'

x

r

n

n

c

f

x

P

n

n

x

f

x

f

x

f

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

x

x

x

f

x

f

+

+

+

+

+

=

 

Dow. Rozważmy funkcję pomocniczą 

R

I

:

ϕ

 postaci 

n

n

x

t

M

t

P

t

f

t

)

(

)

(

)

(

)

(

0

1

=

ϕ

Dobieramy tak M, żeby 

0

)

(

=

x

ϕ

, czyli 

n

n

x

x

x

P

x

f

M

)

(

)

(

)

(

0

1

=

. Widać, że także 

0

)

(

0

=

x

ϕ

Funkcja 

ϕ

 spełnia na przedziale I założenia twierdzenia Rolle’a, czyli 

0

)

(

:

1

int

1

=

c

I

c

ϕ

Funkcja 

ϕ

  spełnia  na  przedziale 

(

)

}

,

max{

},

,

min{

1

0

1

0

1

c

x

c

x

I

=

  założenia  twierdzenia  Rolle’a, 

czyli 

0

)

(

:

2

int

1

2

=

′′

c

I

c

ϕ

. Powtarzamy rozumowanie n razy: 

0

)

(

:

1

int

=

)

(

n

n

I

c

c

n

n

ϕ

Oznaczając c=c

n

int mamy 

!

)

(

)

(

)

(

)

(

Mn

t

f

t

n

n

=

ϕ

    i   

!

)

(

0

)

(

)

(

)

(

n

c

f

M

c

n

n

=

=

ϕ

 . 

Otrzymaliśmy więc dwa wzory na M. Porównując 

!

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

0

1

n

c

f

x

x

x

P

x

f

n

n

n

=

 stąd teza. 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 7  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Zapis różniczkowy wzoru Taylora 

)

,

(

!

1

)

,

(

)!

1

(

1

...

)

,

(

!

1

1

)

(

)

(

0

)

(

0

0

)

1

(

0

0

0

x

x

c

f

d

n

x

x

x

f

d

n

x

x

x

df

x

f

x

f

n

n

+

+

+

+

=

Przykład. Napisać wzór Taylora dla funkcji  f(x) = ln x  przyjmując x

0

=1 i n=3. 

3

3

1

2

2

1

)

1

(

)

1

(

1

ln

3

+

=

x

x

x

x

c

Uwaga. Dla x

0

=0 wzór Taylora nosi nazwę wzoru Maclaurina. 

 

n

I

C

 - zbiór funkcji

R

I

R

f

:

 n-krotnie różniczkowalnych w sposób ciągły na przedziale I

 

n

I

C

f

 n-ta  pochodna

)

(n

f

jest ciągła na I

0

I

C

 - zbiór funkcji ciągłych na przedziale I.  

n

I

I

I

C

C

C

...

1

0

 

 
Tw

(II warunek wystarczający istnienia ekstremum) 

( )




<

>

=

=

0

0

)

(

1

2

,...,

2

,

1

   

dla

   

0

)

(

0

)

2

(

0

)

(

2

)

,

(

0

x

f

n

k

x

f

C

f

n

k

n

x

Ot

δ

f ma w p. 

0

x

 minimum (maksimum) lokalne właściwe. 

Dow: (dla minimum) z wzoru Taylora: 

n

n

x

x

n

c

f

x

f

x

f

2

0

)

2

(

0

)

(

)!

2

(

)

(

...

0

0

)

(

)

(

+

+

+

=

 

Z  tw.  o  lokalnym  zachowaniu  znaku 

0

)

(

)

2

(

>

c

f

n

  oraz 

0

)

(

2

0

0

>

n

x

x

x

x

,  czyli 

0

)

(

)

(

0

>

x

f

x

f

, co oznacza, że f ma w p. 

0

x

 minimum lokalne właściwe. 

Dla maksimum analogicznie (

0

)

(

)

2

(

<

c

f

n

). 

 

Ekstrema globalne        

 

R

D

R

f

f

:

 

Def

Funkcja f ma w 

f

D

x

0

 minimum globalne właściwe 

)

(

)

(

0

0

x

f

x

f

x

x

D

x

f

>

 

Funkcja f ma w 

f

D

x

0

 minimum globalne 

)

(

)

(

0

0

x

f

x

f

x

x

D

x

f

 

Funkcja f ma w 

f

D

x

0

 maksimum globalne właściwe 

)

(

)

(

0

0

x

f

x

f

x

x

D

x

f

<

 

Funkcja f ma w 

f

D

x

0

 maksimum globalne 

)

(

)

(

0

0

x

f

x

f

x

x

D

x

f

Algorytm szukania ekstremów globalnych funkcji f na zbiorze domkniętym i ograniczonym ( a wiec 
zwartym). 

 

Szukamy punktów krytycznych we wnętrzu D (

f

x

f

=

0

)

(

0

-nie istnieje), 

 

Sprawdzamy wartości funkcji na brzegu D

 

Obliczamy wartości funkcji w tych punktach i porównujemy je. 

 

Asymptoty

 

Def. 

Prosta 

0

x

x

=

 jest asymptotą pionowa lewostronną funkcji f 

±∞

=

)

(

lim

x

f

o

x

x

 

 

Prosta 

0

x

x

=

 jest asymptotą pionowa prawostronną funkcji f 

±∞

=

+

)

(

lim

x

f

o

x

x

 

 

Prosta 

0

x

x

=

  jest  asymptotą  pionowa  obustronną  funkcji  f 

±∞

=

)

(

lim

x

f

o

x

x

 

 

±∞

=

+

)

(

lim

x

f

o

x

x

 (mogą być różne). 

background image

Automatyka i Robotyka –Analiza – Wykład 7  – dr Adam Ćmiel – cmiel@agh.edu.pl 

 

Def.  Prosta 

b

ax

y

+

=

 jest asymptotą ukośną lewostronną funkcji f  

(

)

0

)

(

lim

=

−∞

b

ax

x

f

x

 

 

Prosta 

b

ax

y

+

=

 jest asymptotą ukośną prawostronną funkcji f 

(

)

0

)

(

lim

=

+∞

b

ax

x

f

x

 

Powyższe definicje można uogólnić. 
 
Def
.  Funkcja 

)

(x

g

 jest asymptotą prawostronną funkcji f 

(

)

0

)

(

)

(

lim

=

±∞

x

g

x

f

x

 

 
Tw.  Jeżeli prosta 

b

ax

y

+

=

 jest asymptotą ukośną lewostronną funkcji f, to  

x

x

f

a

x

)

(

lim

−∞

=

(

)

ax

x

f

b

x

=

−∞

)

(

lim

a,b – granice skończone. 

Dowód. bezpośrednio z definicji - jako ćwiczenie. 
 

Wypukłość funkcji      

R

I

R

f

:

,  I – przedział

 

Def.  Funkcję 

R

I

f

:

 nazywamy 

wypukłą w I gdy  

(

)

  

(

)

)

(

)

(

)

1

(

)

1

(

2

1

2

1

]

1

,

0

[

,

2

1

x

tf

x

f

t

tx

x

t

f

t

I

x

x

+

+

 (wykres jest poniżej siecznej) 

     

Jeżeli (

) zastąpimy warunkiem  

    

(

)’ 

(

)

)

(

)

(

)

1

(

)

1

(

2

1

2

1

)

1

,

0

(

,

2

1

x

tf

x

f

t

tx

x

t

f

t

I

x

x

+

<

+

, to f nazywamy ściśle wypukłą I 

 

Inaczej 
(

∗∗

   

(

)

)

(

)

(

2

2

1

1

2

2

1

1

1

0

,

,

2

1

2

1

2

1

x

f

x

f

x

x

f

I

x

x

α

α

α

α

α

α

α

α

+

+

=

+

 

Jeszcze inaczej  
(

∗∗∗

)      

)

(

)

(

)

(

:

0

0

0

x

f

x

x

a

x

f

I

x

R

a

I

x

+

 (w każdym punkcie istnieje prosta podpierająca) 

 
Def

Funkcja 

R

I

f

:

 jest wklęsła 

 funkcja 

)

f

 jest wypukła. 

 

Tw

f

f

C

f

I

x

I

>

′′

0

2

- wypukła. 

 

f

f

C

f

I

x

I

<

′′

0

2

- wklęsła 

 
Dowód
. Natychmiastowy z wzoru Taylora 
 

Punkt przegięcia

 

 
Def

Punkt

(

)

)

(

,

0

0

x

f

x

P

 nazywamy punktem przegięcia funkcji

)

(x

f

y

=

 jeżeli funkcja f  jest 

 

różniczkowalna w punkcie 

0

x

 (ma styczną w punkcie 

(

)

)

(

,

0

0

x

f

x

P

 

wypukła w pewnym lewostronnym sąsiedztwie 

0

x

 

 

wklęsła w prawostronnym 

lub na odwrót. 

Interpretacja. W punkcie przegięcia wykres funkcji przechodzi z jednej strony stycznej na drugą  
 

Tw.  

 

(

2

I

C

f

f

ma w punkcie 

I

x

0

 punkt przegięcia

0

)

(

)

0

=

′′

x

f

Punktów przegięcia szukamy więc wśród punktów, w których druga pochodna znika lub nie istnieje.