


































































Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
Obszerne opracowanie z zakresu przedmiotu
Typologia: Skrypty
1 / 74
Pobierz cały dokument
poprzez zakup abonamentu Premium
i zdobądź brakujące punkty w ciągu 48 godzin
Wst¦p
Omawiany przez nas material obejmuje zagadnienia z rachunku ró»niczko- wego i caªkowego przewidziane w programie studiów na Wydziale Zarz¡dza- nia U.W. Znaczne zmniejszenie (od roku akademickiego 2007/2008) liczby godzin przeznaczonych na przedmiot Matematyka, spowodowaªo konieczno±¢ gruntownych zmian w materiaªach, które byªy wykorzystywane w latach ubie- gªych przy uczeniu tego przedmiotu. Pewne tematy, wychodz¡ce poza Stan- dardy Ksztaªcenia ustalone przez Ministerstwo Szkolnictwa Wy»szego zostaªy pomini¦te, a przykªady i zestawy zada« do samodzielnej pracy studentów, ograniczyli±my do ilustracji podstawowych metod. W przewidywanym na zaj¦cia czasie nie ma wiele miejsca na uzasadnianie omawianych metod. Wydaje si¦ jednak wa»ne, aby mo»liwie proste uzasad- nienia byªy ªatwo dost¦pne dla studentów i tam, gdzie uznali±my to za celowe, doª¡czyli±my takie obja±nienia, wyró»niaj¡c je drobnym drukiem.
do T le»y w pasku P. Dla funkcji f okre±lonej w przedziaªach otwartych przylegaj¡cych do a z prawej i z lewej strony, L jest granic¡ f w a, je±li obie granice jednostronne f w a s¡ równe L. W nast¦puj¡cej denicji opisujemy dokªadniej poj¦cie granicy funkcji w punkcie, tak»e w przypadku granicy niesko«czonej, wprowadzamy poj¦cie granicy funkcji w niesko«czono±ci i ustalamy odpowiedni¡ symbolik¦.
Denicja 1.1. (A) Symbol limx→a+^ f (x) = L, gdzie L jest liczb¡ oznacza, »e funkcja f jest okre±lona w pewnym przedziale (a, b) , oraz dla ka»dego ε > 0 istnieje δ > 0 takie, »e | f (x) − L |< ε , je±li a < x < a + δ. Mówimy wówczas, »e L jest granic¡ prawostronn¡ funkcji w punkcie a, lub te», »e f (x) d¡»y do L, gdy x d¡»y do a z prawej strony. (B) Symbol limx→a+ f (x) = +∞ (−∞) oznacza, »e funkcja f jest okre±lo- na w pewnym przedziale (a, b) , oraz dla ka»dego M > 0 (M < 0 ) istnieje δ > 0 takie, »e f (x) > M (f (x) < M ), je±li a < x < a + δ. Równowa»nie, f jest dodatnia (ujemna) w pewnym przedziale (a, d) i limx→a+ (^) f (^1 x) = 0.
Mówimy wówczas, ze granic¡ prawostronn¡ f w punkcie a jest +∞ (−∞), lub te», »e f d¡»y do +∞ (−∞), przy x d¡»¡cym do a z prawej strony. (C) Granice lewostronne limx→a− f (x) = L, gdzie L jest liczb¡, lub + −∞ deniuje si¦ podobnie, przy czym funkcja f musi by¢ okre±lona w pewnym przedziale (c, a). (D) Piszemy limx→a f (x) = L, gdzie L jest liczb¡, je±li f jest okre±lone na pewnym zbiorze (c, a) ∪ (a, b) , oraz limx→a− f (x) = L = limx→a+ f (x). W tej sytuacji mówimy, »e liczba L jest granic¡ funkcji f w punkcie a, lub te», »e f (x) d¡»y do L, gdy x d¡»y do a. (E) Granice funkcji f w niesko«czono±ci deniujemy formuªami
lim x→+∞ f (x) = lim x→ 0 +^
f (
x
) , lim x→−∞ f (x) = lim x→ 0 −^
f (
x
W szczególno±ci, limx→+∞ f (x) = L, gdzie L jest liczb¡, je±li f jest okre- ±lone na pewnym przedziale (a, +∞), oraz dla ka»dego ε > 0 istnieje b > a takie, »e | f (x) − L |< ε, je±li x > b.
W nast¦puj¡cym twierdzeniu pominiemy, dla wi¦kszej przejrzysto±ci, do- kªadne zaªo»enia. Twierdzenie to nale»y interpretowa¢ tak, »e rozpatrywane w nim funkcje s¡ okre±lone na tych samych zbiorach i granice, które si¦ rozwa»a, s¡ tego samego typu.
Twierdzenie 1.2. Granica iloczynu (sumy) funkcji jest równa iloczynowi (sumie) granic tych funkcji. Dla ilorazu funkcji: je±li granica mianownika jest niezerowa, to granica ilorazu jest ilorazem granic.
Sprawd¹my, na przykªad, »e je±li limx→a+ f (x) = A i limx→a+ g(x) = 1, to limx→a+ f g^ ((xx)) = A. Poniewa» limx→a+ g(x) = 1, ªatwo pokaza¢, »e dla pewnego przedziaªu (a, b), je±li x ∈ (a, b), to g(x) > 12. Dla takich x, mamy | f g^ ((xx)) − A |= |f^ (x|)g−(Agx)| (x)|= |(f^ (x)−A|)g−(xA)(|g (x)−1)|< 2(| f (x) − A | + | A || g(x) − 1 |). Dla ustalonego ε > 0 , dobierzmy zgodnie z Denicj¡ (A) liczb¦ δ > 0 tak, »eby | f (x)−A |< ε 4 , oraz^ |^ g(x)^ −^1 |<^ ε 4(|A|+1) , dla^ a < x < a^ +^ δ.^ Dla^ x^ ∈^ (a, a^ +^ δ)^ mamy wówczas | f g^ ((xx)) − A |< ε.
Uwaga 1.3. Z Twierdzenia 1.2 wynika natychmiast, »e dla wielomianu W (x) = a 0 + a 1 x + · · · + anxn, limx→a W (x) = W (a). Ponadto, je±li W (a) > 0 , to tak»e limx→a p
W (x) = p
W (a).
Fakt ten ªatwo wynika z Uwagi 1.11, ale b¦dziemy si¦ nim posªugiwa¢ w zadaniach ju» teraz.
Przykªady. Znale¹¢ granice:
4 − 5 x^3 − 2 x^3
1 + x^3 − 3 x^2 − 4 x + 4
x − 1
x^3 − 1
x^6 + 3x^3 + 1 −
x^6 + x^2 ) 5. lim x→ 2
7 + 2x − x^2 −
1 + x + x^2 2 x − x^2
x^2 + 4x + 6 − x
Aksjomat ci¡gªo±ci dla prostej rzeczywistej R orzeka, »e dla ka»dego nie- pustego i ograniczonego z góry zbioru liczb rzeczywistych A ⊂ (−∞, M ], istnieje najmniejsza liczba s speªniaj¡ca warunek a ≤ s dla ka»dego a ∈ A.
ax+y^ = ax^ · ay, (1.3.3)
(ax)y^ = ax·y. (1.3.4) Funkcj¦ wykªadnicz¡ rozszerza si¦ z zachowaniem tych wªasno±ci na wszyst- kie wykªadniki rzeczywiste, przyjmuj¡c dla a > 1 i liczby rzeczywistej b, »e ab^ jest kresem górnym zbioru liczb postaci a
m n (^) , gdzie mn ≤ b, m jest caªkowite i n naturalne, a nast¦pnie dla 0 < a < 1 okre±laj¡c ab^ = ( (^1) a )−b.
Mo»na pokaza¢, »e (odwoªuj¡c si¦ znowu do aksjomatu ci¡gªo±ci), »e dla ustalonego a > 0 , a ̸= 1, ka»da liczba rzeczywista c > 0 jest postaci c = ab, gdzie b jest jednoznacznie wyznaczon¡ liczb¡, któr¡ nazywa si¦ logarytmem liczby c przy podstawie a i oznacza symbolem loga c:
aloga^ c^ = c, a > 0 , a ̸= 1, c > 0. (1.3.5) Funkcja loga x, okre±lona na przedziale (0, +∞) jest wi¦c funkcj¡ od- wrotn¡ do funkcji wykªadniczej ax, a zatem z wªasno±ci funkcji wykªadniczej wnosimy, »e funkcja loga x jest rosn¡ca dla a > 1 , malej¡ca dla 0 < a < 1 , oraz
loga xy = loga x + loga y, (1.3.6)
loga(xy) = y loga x, (1.3.7)
logb x =
loga x loga b
Naszym celem jest ustalenie pewnych faktów dotycz¡cych zmienno±ci funkcji pot¦gowych, logarytmicznych i wykªadniczych, które prowadz¡ bezpo±rednio do wzorów na pochodne tych funkcji. Interesuj¡ce nas wªasno±ci prosto wynikaj¡ z mo»liwo±ci okre±lenia funkcji ln : (0, +∞) → R speªniaj¡cej nast¦puj¡ce trzy warunki:
Funkcja ln x jest rosn¡ca, (1.3.9)
ln(xy) = ln x + ln y, (1.3.10)
lim h→ 0
ln(1 + h) h
cisªe okre±lenie funkcji ln mo»na poda¢ prosto przy pomocy caªki, zob. 3.1. Poni»ej po- kazujemy jak to zrobi¢ pogl¡dowo, odwoªuj¡c si¦ do pewnych wyobra»e« geometrycznych. Niech P (a, b) b¦dzie polem obszaru S(a, b) ograniczonego hiperbol¡ y = (^1) x , osi¡ x i pro- stymi x = a, y = b, gdzie a, b > 0.
Rysunek 1.1: Logarytm naturalny
Zdeniujmy funkcj¦ ln x nast¦puj¡co: ln a = P (1, a), je±li a ≥ 1 oraz ln a = −P (a, 1), je±li 0 < a < 1 (patrz rys. 1.3.3). Wªasno±¢ (1.3.9) tak okre±lonej funkcji ln x jest jasna. Sprawdzimy wªasno±¢ (1.3.10). Ustalmy a, b > 0. Przeksztaªcenie pªaszczyzny opisane formuª¡ (x, y) → (ax, ya ) przeprowadza obszar S(1, b) na obszar S(a, ab). Mianowicie hiperbola o równaniu y = (^) x^1 przechodzi przy tym przeksztaªceniu na siebie, prosta x = 1 na prost¡ x = a i prosta o równaniu x = b na prost¡ o równaniu x = ab, a onadto przeksztaªcenie to nie zmienia pól gur na pªaszczy¹nie. Tak wi¦c P (1, b) = P (a, ab). Je±li a > 1 i b > 1 , prosta x = a dzieli obszar S(1, ab) na dwa obszary S(1, a) i S(a, ab), mamy wi¦c ln(ab) = P (1, ab) = P (1, a)+P (a, ab) = P (1, a)+P (1, b) = ln a+ln b. Podobnie sprawdza si¦ (1.3.10) w pozostaªych przypadkach.
Rysunek 1.3: (^) 1+hh < ln(1 + h) < h, h > 0
dla m caªkowitych. Dalej, ln a = ln((a n^1 )n) = n · ln(a 1 n^ ), sk¡d ln((a n^1 ) = (^1) n ln a, W rezultacie, ln(a mn^ ) = mn ln a, dla m caªkowitych i n naturalnych. Ustalmy teraz a > 1 , liczb¦ b i niech k b¦dzie dowoln¡ liczb¡ naturaln¡. Wybierzmy liczb¦ wymiern¡ mn ∈ (b− (^1) k , b). Wówczas ab^ ·a−^1 k^ = ab−^1 k^ < a mn^ < ab, zatem z (1.3.9) i (1.3.10), ln(ab) + ln(a−^1 k^ ) < ln(a mn^ ) < ln(ab) i zgodnie z uzasadnion¡ ju» wªasno±ci¡ logarytmu naturalnego, ln(ab) − (^1) k ln a < mn ln a < ln(ab). Poniewa» | mn − b| < (^1) k , wynika st¡d, »e |b ln a − ln(ab)| < (^3) k ln a i z faktu, »e k mo»e by¢ dowoln¡ liczb¡ naturaln¡ wnosimy, »e zachodzi (1.3.12). Je±li 0 < a < 1 , (1.3.12) mo»na st¡d wywnioskowa¢ nast¦puj¡co: ln(ab) = − ln(( (^1) a )b) = −b ln( (^1) a ) = b ln a.
Z (1.3.12) wynika, »e dowoln¡ liczb¦ rzeczywist¡ c mo»na zapisa¢ w po- staci
c = ln(
c ln 2 (^) ),
zatem funkcja ln przyjmuje jako warto±ci wszystkie liczby rzeczywiste. W szczególno±ci istnieje dokªadnie jedna liczba e, zwana liczb¡ Eulera, taka, »e
ln e = 1. (1.3.13)
atwo stwierdzi¢, »e ln 2 < 1 i ln 3 > 1 , zatem 2 < e < 3.
Mamy P (1, 32 ) = P (2, 3) oraz P (1, 32 ) > 1 − P (1, 2), zatem ln 3 = P (1, 2) + P (2, 3) = P (1, 2) + P (1, 32 ) > 1.
W rzeczywisto±ci liczba e ≈ 2 , 71828... jest niewymierna.
Zgodnie z (1.3.12), mamy
ln(ex) = x ln e = x, (1.3.14)
a wi¦c funkcja wykªadnicza ex^ jest odwrotna do ln x. To oznacza, »e
ln x = loge x, (1.3.15)
a wi¦c funkcja ln x jest funkcj¡ logarytmiczn¡ o podstawie e. Funkcj¦ ln x b¦dziemy nazywali logarytmem naturalnym.
Z wªasno±ci (1.3.12) logarytmu naturalnego mo»na pokaza¢, »e
lim x→+∞ ln x = +∞, lim x→ 0 +^
ln x = −∞. (1.3.16)
Dla n naturalnego z (1.3.12) otrzymujemy ln(2n) = n ln 2. Zatem aby ln x > M , dla zadanego M > 0 , wystarczy wzi¡¢ liczb¦ naturaln¡ n > (^) ln 2M , a nast¦pnie x ≥ 2 n. Z monotoniczno±ci logarytmu naturalnego, ln x ≥ ln(2n) = n ln 2 > M (bo ln 2 > 0 ), zatem pokazali±my, »e limx→+∞ ln x = +∞. Z kolei x→^ lim0+ ln^ x^ =^ x→lim+∞ ln( x^1 ) =^ x→lim+∞ ln^ x−^1 =^ x→lim+∞ ln^ x^ =^ ∞.
Wyprowadzimy teraz kilka wa»nych wniosków z wªasno±ci (1.3.11). Za- cznijmy od nast¦puj¡cej formuªy
lim x→a
ln x − ln a x − a
a
Istotnie, limx→a ln^ xx−−lna a= limh→ 0 ln(a+hh) −ln^ a= limh→ 0 ln(^
a+ah ) h = limh→^0
ln(1+ ha ) ha^ ·^ a^1 =^1 a.
Z (1.3.11) i (1.3.14) wynika te» bezpo±rednio, »e
lim h→ 0
eh^ − 1 h
Istotnie, przyjmuj¡c h = ln(1 + x), mamy
h^ lim→ 0 e
h (^) − 1 h = lim^ x→^0
eln(1+x)^ − 1 ln(1 + x) = lim^ x→^0
x ln(1 + x) = 1.
Zdeniowanie eksponenty i logarytmu naturalnego pozwala wyrazi¢ dowoln¡ pot¦g¦ o dodatniej podstawie rzeczywistej i rzeczywistym wykªadniku
xα^ = exp(α ln x). (1.3.23)
Rozwa»aj¡c funkcj¦ wykªadnicz¡ ax^ dla a > 0 rozpatrywali±my ustalon¡ podstaw¦ pot¦gi i zmienny wykªadnik. Post¦puj¡c odwrotnie, czyli ustalaj¡c wykªadnik α i traktuj¡c podstaw¦ x > 0 jako zmienn¡ otrzymujemy funkcj¦ pot¦gow¡ xα, x > 0.^1 Zgodnie z (1.3.12), otrzymujemy nast¦puj¡cy zwi¡zek funkcji pot¦gowej z eksponent¡ i logarytmem naturalnym Funkcja pot¦gowa ro±nie do niesko«czono±ci wolniej ni» funkcja wykªad- nicza, ale szybciej ni» logarytmiczna:
lim x→+∞
ln x xα^
= 0, dla α > 0 , (1.3.24)
oraz
lim x→+∞
ax xα^
= +∞, dla a > 1. (1.3.25)
Zauwa»my najpierw, »e dla liczb naturalnych n ≥ 4 , 2 n^ ≥ n^2 , zatem je±li 2 n−^1 ≤ x < 2 n, to lnx^ x ≤ ln( n) 2 n−^1 =^ n ln 2 2 n−^1 =^ n 2 n^ 2 ln 2^ ≤^ n n^2 2 ln 2 =^ 2 ln 2 n.^ Tak wi¦c,^ limx→+∞^ ln x x = 0. St¡d, limx→+∞ lnxα^ x = limx→+∞ (^1) α^ ln(x α) xα^ = 0. Poniewa» limx→+∞ ln( a xxα ) = limx→+∞[x · ln a − α · ln x] = limx→+∞ x · [ln a − α · lnx^ x ] = +∞, (bo ln a > 0 ), otrzymujemy limx→∞ (^) xaαx = +∞.
Kolejn¡ wa»n¡ wªasno±¢ funkcji pot¦gowej opisuje formuªa
lim x→a
xα^ − aα x − a
= α · aα−^1 , (1.3.26)
w szczególno±ci
lim h→ 0
(1 + h)α^ − 1 h
= α. (1.3.27)
Mamy bowiem, zgodnie z (1.3.23), (1.3.18) i (1.3.17), limx→a xα x−−aaα = = limx→a exp(α α·ln·ln^ x x)−−exp(α·ln αa ·ln^ a)· α ln^ xx−−lna a= exp(α · ln a) · α · (^) a^1 = α · aα−^1. (^1) Ponadto, jak zauwa»yli±my przy okre±leniu √na, je»eli n jest nieparzyste, funkcj¦ x n^1 mo»na rozpatrywa¢ na caªej prostej rzeczywistej.
Przykªady. Znale¹¢ granice:
x
1 x (^) 2. lim x→+∞
x
)ln x
1 + x 2
) (^1) x
x + ln x
) (^1) x
1.4 Ci¡gªo±¢ funkcji
Denicja 1.4. (A) Ci¡g liczb a 1 , a 2 , ... (krótszy zapis - (an)∞ n=1) jest zbie»ny do liczby L, co zapisujemy an → L, lub limn an = L, je±li dla ka»dego ε > 0 istnieje N naturalne takie, »e | an − L |< ε dla n ≥ N.
(B) Piszemy an → +∞ (an → −∞), je±li wszystkie, poczynaj¡c od pewnego n, wyrazy ci¡gu an s¡ dodatnie (ujemne) i (^) a^1 n → 0.
Uwaga 1.5. (A) Je±li limx→+∞ f (x) = L, to dla an = f (n), an → L.
(B) Podobnie jak dla granic funkcji w niesko«czono±ci, je±li an → a, bn → b, to anbn → ab, an + bn → a + b, oraz, je±li b ̸= 0, a bnn → ab (zauwa»my, »e warunek b ̸= 0 zapewnia, »e bn ̸= 0 dla dostatecznie du»ych n).
(C) Je±li an → L i L > A (a < A), to dla wszystkich, poza sko«czenie wieloma n, an > A (an < A).
(D) Zauwa»my te», »e an → L wtedy i tylko wtedy, gdy L − an → 0.
Z (1.3.22) otrzymujemy
ea^ = lim n→∞
a n
)n, e = lim n→∞
n
)n^ (1.4.1)