Ćwiczenie III. Matematyczny opis zmian zachodzących w przyrodzie – pochodne. Ciągi i szeregi matematyczne Strona internetowa ćwiczeń: http://www.home.umk.pl/~henroz/matm1112.

Prezentacja na temat: "Ćwiczenie III. Matematyczny opis zmian zachodzących w przyrodzie – pochodne. Ciągi i szeregi matematyczne Strona internetowa ćwiczeń: http://www.home.umk.pl/~henroz/matm1112."— Zapis prezentacji:

1 Ćwiczenie III. Matematyczny opis zmian zachodzących w przyrodzie – pochodne. Ciągi i szeregi matematyczne Strona internetowa ćwiczeń: Pochodną funkcji f(x) w punkcie x0 nazywamy granicę ilorazu różnicowego (Dy/Dx) dla Dx dążącego do zera i oznaczamy symbolem f’(x0) [ew. dy/dx lub (równanie)’] Dy = y2 – y Dx = x2 – x Pochodna f’(x0) jest równa tangensowi ką- ta a, jaki tworzy z osią OX styczna do wykresu funkcji y = f(x) w punkcie o od- ciętej x0.Interpretacja fizyczna pochodnej: Jeżeli drogę przebytą przez punkt przyjmiemy za funkcję czasu, to szybkość – jest pierwszą pochodną tej funkcji, a przyśpieszenie – drugą pochodną („pochodna pochodnej”).

2 W danym przedziale wartości zmiennej niezależnej x można wyliczyć pochodną (tzn. funkcja jest w tym przedziale różniczkowalna) tylko wtedy, gdy funkcja jest w tym przedziale ciągła. Trudno jest też wyli-czyć pochodne dla funkcji, które dla danej wartości zmiennej niezale-żnej nie są określone, przyjmują wartość zero lub dążą do . Przykła-dowo: funkcja: y = (ex – e–x)/x nie jest określona dla x = 0. Pomocne może tu być tw. de l’Hospitala, kt. mówi, że jeżeli 2 funkcje f(x) i g(x) są nieokreślone w danym punkcie a, to prawdziwe jest rów nanie: Dlatego, dla przykładowej funkcji [y = (ex – e–x)/x]: Funkcje, które dążą do , powinny być przetransformowane do postaci: y = 1/f(x).

3 Pochodne funkcji elementarnych:
Pochodna f. stałej: (c)’ = 0; Pochodna f. liniowej: (ax + b)’ = a; Pochodna f. kwadratowej: (ax2 + bx + c)’ = 2ax + b; Pochodna f. potęgowej: (a.xb)’ = b.axb–1 ; Pochodna pierwiastka kwadratowego: ; Pochodna f. hiperbolicznej: ; Pochodna pierwiastka dowolnego stopnia: ; Pochodna f. sinus: [sin(x)]’ = cos(x); Pochodna f. cosinus: [cos(x)]’ = – sin(x); Pochodna f. tangens: ; Pochodna f. cotangens: ; Pochodna f. wykładniczej – podstawa „a”: (ax)’ = ax.ln(a) (a>0); Pochodna f. wykładniczej – podstawa „e”: (ex)’ = ex; Pochodna f. logarytmicznej (ln): [ln(x)]’ = 1/x (x>0);

4 Pochodne funkcji... cd. (2):
Pochodna f. logarytmicznej (dowolna podst. „a”): Pochodna f. arcus sinus: ; Pochodna f. arcus cosinus: ; Pochodna f. arcus tangens: ; Pochodna f. arcus cotangens: Twierdzenia o pochodnych: Jeżeli funkcje f i g mają pochodne w punkcie x, to: Pochodna iloczynu funkcji przez stałą „c”: [c.f(x)]’ = c.f’(x), dla c  R; Pochodna sumy / różnicy funkcji: [f(x)  g(x)]’ = f’(x)  g’(x); Pochodna iloczynu funkcji: [f(x) . g(x)]’ = f’(x).g(x) + f(x).g’(x); Pochodna ilorazu funkcji:

5 Twierdzenia o pochodnych, cd.:
Pochodna f. złożonej: {f[g(x)]}’ = f’[g(x)].g’(x), gdy f. f ma pochodną w punkcie g(x), a funkcja g w punkcie x; Jeżeli f. y = f(x) ma f. odwrotną x = g(x), to poch f. odwr.: Zastosowanie pochodnej do badania przebiegu funkcji: Miejsca zerowe pierwszej pochodnej funkcji, odpo wiadają maksimom i minimom badanej funkcji. O tym, czy to jest maksimum, czy minimum – mówi wartość drugiej pochodnej dla tej samej wartości zmiennej x (ujemna – maksimum; dodatnia – minimum). I-sza po chodna dla p-ktu xn „+” – funkcja badana rosnąca; I-sza pochodna „ –” – funkcja malejąca. Jeżeli I-sza pochodna = 0 nie dla pojedynczego p-ktu (min.; max.), ale dla pewnego zakresu wart. zm. x – bad. f. jest w tym zakr. stała (stan równowagi). Miejsca zerowe II-giej pochodnej, odp. punktom przegięcia bad. f Przyrównanie I-szej poch. do 0  znajdowanie min lub max. funkcji (zast. praktyczne).

6 Ciągi i szeregi matematyczne
Ciągiem nazywamy wyrażenie typu: a1, a2, a3, ....., an, gdzie poszczególne elementy ai, nazywamy wyrazami ciągu [ciągi mogą być skończone (o ograniczonej liczbie wyrazów: n  3) i nieskończone, gdy n  ]. Ciąg jest rosnący, gdy an+1 > an; zaś jest malejący, gdy an+1 < an. Ciąg nazywamy arytmetycznym  każdy jego wyraz, począwszy od II-giego powstaje przez dodanie do wyrazu poprzedniego stałej liczby r, zwanej różnicą ciągu. Ciąg nazywamy geometrycznym  każdy jego wyraz, począwszy od II-giego powstaje z pomnożenia wyrazu poprzedniego przez stałą liczbę q, zwaną ilorazem ciągu. Jeżeli ciąg posiada granicę, to nazywamy go ciągiem zbieżnym (do wartości, która jest granicą). Ciągi nie mające granicy, nazywamy rozbieżnymi; gdy przy n  , an  , to ciąg jest rozbieżny do ; gdy an  –   ciąg jest rozbieżny do – . Ciąg, którego wyrazami są liczby nazywamy liczbowym [w zal. od tego, czy będą to liczby całkowite, rzeczywiste czy zespo-lone, ciąg nazywa się odpowiednio całkowitoliczbowym, rzeczywis-tym lub zespolonym. Podobnie ciąg, którego wyrazami są funkcje nazywa się ciągiem funkcyjnym. Nieskończony ciąg, którego kolej-nymi elementami są sumy początkowych wyrazów innego ciągu nieskończonego, nazywamy szeregiem (wyrażenie typu: a1 + a2 + a an, gdy n  ). Wyrażenie Sn = a an, nazywamy n-tą sumą częściową szeregu. Jeżeli istnieje granica S = lim n Sn, to nazywamy ją sumą szeregu – a szereg – zbieżny do niej. Szeregi, podobnie jak ciągi mogą być stałe, rosnące, malejące, arytmetyczne, geometryczne oraz rozbieżne do + i – . Istnieją też szeregi liczbowe i funkcyjne.

7 W zastosowaniach praktycznych, dany wyraz ciągu można wyliczyć – podstawiając do odpowiedniego równania wartość wyrazu poprzedzającego, a kolejny (dalszy) – wartość wyrazu ostatnio wyliczonego. Wykorzystywane jest tu tzw. równanie rekursywne, czyli takie, w którym wynik dla danego etapu „n” zależy od wyniku dla etapu poprzedzającego „n-1” i nie jest możliwe przewidywanie wyniku dla etapu „n” tylko na podstawie założeń/ustaleń początkowych. Wynik z etapu poprzedzającego (n-1) jest podstawiany do równania w danym etapie (n) i przeliczany, a proces takiego, pojedynczego wyliczenia nazywamy iteracją. Powyższy proces, jest zwany procesem rekursywnym I-szego rzędu, ponieważ w wyrażeniu po prawej stronie równania występuje tylko Sn–1 (gdyby dodatkowo występowało: Sn–2, wtedy byłby to proces rekursywny II-go rzędu). Proces rekursywny nie daje się opisać typowym, „pojedy-ńczym” równaniem funkcji. W praktyce często użytecznym staje się przekształcenie (rozwinięcie) niektórych funkcji w ciąg funkcji, które dają się sumować, czyli w szereg. Może to mieć zastosowanie np. w odniesieniu do skomplikowanych funkcji, których równania trudno jest rozwiązać lub scałkować. Funkcje takie powinny dać się rozwinąć w ogólne równanie funkcji algebraicznej: f(x) = a0 + a1x + a2x2 + a3x3….. =

8 Warunek ten spełnia tzw
Warunek ten spełnia tzw. szereg Taylora: Wyprowadzenie równania na szereg Taylora jest opisane w starym skrypcie W.U. Dowolną funkcję można rozwinąć w ten szereg przy użyciu programów takich, jak np. wxMaxima. Szereg Taylora ma ogromne znaczenie w analizie matematycznej, ponieważ może on być podstawą do przybliżania i upraszczania wielu bardzo skomplikowanych wyrażeń.

9 Wskazówki do wykonania zadań praktycznych ćw. III.
Wskazówki do zadania 1: Wyliczone analitycznie pochodne: (5x2 – 15x + 4)’ = 10x – 15 (50x1,25)‘ = 1,25.50x1,25–1 = 62,5x0,25 [(2x2 – 3x).(x + 4)]’ = (4x – 3 ).(x + 4) + (2x2 – 3x).(1/2x) Wskazówki do zadania 2: Ekran wejściowy programu on-line „Wolfram Alpha”: Za pomocą „backspace” usuwamy przykładową funkcję

10 Następnie wpisujemy w pole „derivative of” „ tylko prawą stronę równania”, czyli: 1.2*x^4-15*x^3+12*x^2-20*x+15 (1): Dalej – klikamy w przycisk „=” (2) Klik (2)

11 Pojawia się wynik wyliczenia pochodnej:
Wykres funkcji: Pierwiastki: (rzeczywiste i zespolone):

12 Wprowadzenie równania drugiej funkcji „(x*exp(–x))*log(x)” (1):
Klik (2)

13 Pojawia się wynik wyliczenia pochodnej:
Wykres funkcji (część rzeczywista i urojona): Pierwiastki: (wyliczone numerycznie):

14 Wskazówki do zadania 3: Uruchamiamy program wxMaxima (=> ikona skrótu na pulpicie => pod- wójny klik). Korzystanie z programu polega na wpisaniu równania funk-cji w pole „INPUT:”, a następnie kliknięciu w przycisk, który uruchamia odpowiednią akcję. Stałą e Nepera, wpisujemy jako „%e”, a st. p – jako: „%pi”. Ekran wejściowy programu: Prompt, przy którym poja wiają się wy niki obliczeń Pole do wpi sywania równań wyjściowych Pasek przycisków, które uruchamiają odpowiednie czynności.

15 Wpisujemy równanie w pole INPUT (przykładowo przedstawiono prze- bieg obliczeń dla II-giej funkcji z zad. 2 i 3): Następnie klikamy w przycisk „Diff”, kt uruchamia różniczko nie Po tym pojawia się okno opcji różniczkowania: Akceptujemy klikając w OK

16 Pojawiają się wyniki:. Możemy przypuszczać, że wynik
Pojawiają się wyniki: Możemy przypuszczać, że wynik obliczeń pochodnej nie jest w swej najprostszej postaci algebraicznej. Dlatego w celu jego uproszczenia, klikamy w przycisk „Simplify” Pojawia się: Prostsza postać wyniku

17 Wynik końcowy: [x. ln(x). e–x]’ = [(x – 1). ln(x) – 1]. (– e–x) (uwaga
Wynik końcowy: [x.ln(x).e–x]’ = [(x – 1).ln(x) – 1].(– e–x) (uwaga! Program wxMaxima wykorzystuje tylko log naturalne, które wpisujemy jako: „log”. Wyliczenie pochodnych cząstkowych (ze względu na x i t) funkcji: y = x/t. Poch. cząstkowa dla x – wprowadzamy równanie i wykonujemy obliczenia tak, jak w przypadku pochodnych „zwykłych”. Ekran po wprowadzeniu równania i uruchomieniu operacji różniczkowania: Klikamy w przycisk OK

18 Wyniki: dy/dx = 1/t Pochodna cząstkowa ze względu na t; uruchomienie liczenia: W polu „in variable” za mieniamy domyślny „x” na „t” (1) Klik (2)

19 Wyniki: dy/dt = -x/t2. Analogicznie – odpowiednie pochodne
Wyniki: dy/dt = -x/t Analogicznie – odpowiednie pochodne cząstkowe dla funkcji: y = x.e–t. Po wprowadzeniu i uruchomieniu liczenia: Klik

20 Wynik: dy/dx = e–t [zamiast: „%e^-t” można wpisać: exp(-t) ] Pochodna cząstkowa ze względu na t; uruchomienie liczenia: W „in variable” zamieniamy „x” na „t” (1) Klik (2)

21 Wynik: dy/dt = –x.e–t Wskazówki do zadania 4: Wyliczenie I-szej pochodnej funkcji: y = 4x2/(x2 + 1) wykonujemy podobnie, jak w zadaniu poprzednim (obok). Zakładając, że uzyskany wynik można uprościć, klikamy w przycisk „Simplify”

22 Wynik uproszczenia: W celu obliczenia II pochodnej, upro- szczony wynik zaznaczamy (bierzemy do bloku) i kopiujemy go do schowka poprzez Ctrl+C (C przy wciśniętym Ctrl). Zawartość schowka wklejamy do pola INPUT poprzez Ctrl+V.

23 Po wklejeniu równania I-szej pochodnej:
Po wklejeniu równania I-szej pochodnej: Klikamy w przycisk „Diff”, a po po jawieniu się okna różniczkowania w przycisk OK.

24 Uzyskany wynik:. Zakładając, że będzie możliwe
Uzyskany wynik: Zakładając, że będzie możliwe algebraiczne uproszczenie uzyskanego wyniku, klikamy w przycisk „Simplify”: Wynik zostaje uproszczony:

25 W pliku „analiza1.xls” (po pobraniu i zapisaniu na dyskietce), kopiuje- my formuły (kolumny B, C i D) od wiersza 3 do 123; w ten sposób wartości funkcji i obu jej pochodnych zostaną wyliczone dla wszyst- kich interesujących nas wartości x. Dalej wykonujemy wykres (jak na ćwiczeniach poprzednich: XY) – a właściwie 3 wykresy na 1 układzie współrzędnych, co powinno wyglądać:

26 Wykres funkcji: y = 4x2/(x2 + 1) ma „odwrócony kształt gaussiański” z minimum dla x=0 oraz asymptotą poziomą lewą i prawą dla y=4. Na obecność ekstremum dla x=0 wskazuje zerowa wartość I-szej pochod-nej dla tego punktu, a o tym, że jest to minimum – świadczy dodatnia wartość II-giej pochodnej (maksimum). Na obecność 2 punktów prze-gięcia wskazują: minimum i maksimum I-szej pochodnej, odpowiednio w punktach x= – 0,577 i x = 0,577 oraz miejsca zerowe II-giej pochod-nej w tych samych miejscach. Wskazówki do zadania 5: Po uruchomieniu programu wxMaxima i wprowadzeniu w pole „INPUT:” odpowiednich równań, klikamy w przycisk „Series” (ew. Menu: Calculus  Get series), co otwiera okno dialogowe szeregu.

27 Dla pierwszego równania będzie to: (2 + 3*x)*exp(-x) . Klik
Następnie pojawia się okno dialogowe szeregu: akceptujemy wszystkie wartości domyślne i klikamy OK Dalej, uzyskujemy gotowy wynik rozwinięcia w szereg Taylora (następne przeźrocze).

28 Wynik rozwinięcia w szereg Taylora dla równania funkcji y = (2 + 3x)e–x: Godnym uwagi jest, że uzyskany szereg jest naprzemienny, tzn. poszczególne jego wyrazy mają zmieniające się znaki (+, -, +, -, +), co jest typowe dla q < 0*. Tego typu szereg trudniej osiąga zbieżność, niż szeregi o wyrazach tego samego znaku Drugie równanie, wprowadzamy następująco: asin(x)*exp(x) Dalej, klikamy „Series ” (Calculus  Get series) Pojawia się okno dialogowe szeregu, które akceptujemy, klikając OK. (nie przedstawione). Po tym uzyskujemy wynik rozwinięcia. *) q – iloraz ciągu geometrycznego

29 Wynik rozwinięcia w szereg Taylora funkcji y = [arc sin(x)]ex:
Wynik rozwinięcia w szereg Taylora funkcji y = [arc sin(x)]ex: Szereg nie jest naprze mienny; ma wyłącznie dodatnie wyrazy Dlatego powinien łatwiej osiągać zbieżność, niż szereg dla funkcji poprzedniej.

30 Dziękuję za uwagę ;-)