background image

Kolokwium z analizy matematycznej (1 MiE) z dnia 26 IV 2012

Autorzy: dr hab. Dariusz Miklaszewski (UMK), dr Joanna Kułaga (UMK)

Wersja A

Zadanie 1.

Niech (x) =

(1 − 5x)

1
x

,

x < 0

sin 2x

3x

,

x > 0

2
3

,

= 0.

a) Oblicz granice jednostronne w zerze (nie korzy-

stając z reguły de l’Hospitala).

b) Czy funkcja jest ciągła w punkcie x

0

= 0? (od-

powiedź uzasadnij)

c) Czy funkcja jest ciągła w pozostałych punktach

dziedziny? (odpowiedź uzasadnij)

Zadanie 2. Czy podane granice istnieją? Jeśli tak
- oblicz, jeśli nie - uzasadnij korzystając z definicji
granicy, dlaczego.

a) lim

x→∞

x

2

+1+x

2x+1

b) lim

x→0

cos

1
x

c) lim

x→0

x · cos

1

x

Zadanie 3. Oblicz pochodne funkcji:

a) (x) = (x − 1)(x − 2)(x − 3)

b) g(x) =

2x+3
4x+5

,

c) h(x) = ln(x

3

+ 2+ 1).

Zadanie 4. Wykaż, że funkcja (x) = x

2

spełnia

warunek Lipschitza na odcinku −a ¬ x ¬ a (nie
wykorzystując pojęcia pochodnej).

Zadanie 5. Wyznaczyć ekstrema lokalne funkcji
(x) = x − ln(1 + x).

Zadanie 6. Znaleźć parametry a, b ∈ R dla których
następująca funkcja jest różniczkowalna:

u(x) =

(

+ 1,

dla

x ¬ 0

sin(x) + cos(x)

dla

x > 0

.

Wersja B

Zadanie 1.

Niech (x) =

(1 − 2x)

1
x

,

x < 0

sin 3x

2x

,

x > 0

3
2

,

= 0.

a) Oblicz granice jednostronne w zerze (nie korzy-

stając z reguły de l’Hospitala).

b) Czy funkcja jest ciągła w punkcie x

0

= 0? (od-

powiedź uzasadnij)

c) Czy funkcja jest ciągła w pozostałych punktach

dziedziny? (odpowiedź uzasadnij)

Zadanie 2. Czy podane granice istnieją? Jeśli tak
- oblicz, jeśli nie - uzasadnij korzystając z definicji
granicy, dlaczego.

a) lim

x→∞

3x−2

x

2

+3x−2

b) lim

x→∞

cos x

2

c) lim

x→∞

1

x

cos x

2

Zadanie 3. Oblicz pochodne funkcji:

a) (x) = (x − 2)(x − 3)(x − 4),

b) g(x) =

3x+4
5x+6

,

c) h(x) = sin(x

4

+ 3+ 2).

Zadanie 4. Wykaż, że funkcja (x) = x

3

spełnia

warunek Lipschitza na odcinku 0 ¬ a ¬ x ¬ b (nie
wykorzystując pojęcia pochodnej).

Zadanie 5. Wyznaczyć ekstrema lokalne funkcji
(x) = ln x.

Zadanie 6. Znaleźć parametry a, b ∈ R dla których
następująca funkcja jest różniczkowalna:

v(x) =

(

a · e

x

b · e

−x

dla

x ¬ 0

− x

dla

x > 0

.

1

background image

Wersja A - rozwiązanie kolokwium

Autor rozwiązań: dr Mateusz Maciejewski (UMK)

W innych grupach zajęciowych mogą pojawić się inne sposoby rozwiązania lub redagowania rozwiązań. Sprawdzając prace

nie wymagałem tak dokładnego opisu. Liczne komentarze wstawiłem po to, byście państwo lepiej zrozumieli rozwiązania.

Zadanie 1.

a)

(0) = lim

x→0

(1 − 5x)

1
x

= lim

x→0



(1 − 5x)

1

5x



5

e

5

.

Skorzystałem z faktu, że wyrażenie w dużym nawiasie zbiega do oraz z faktu, że jeśli a(x) zbiega do
a ∈ R oraz b(x) zbiega do b ∈ R, to a(x)

b(x)

→ a

b

.

(0+) = lim

x→0+

sin 2x

3x

= lim

x→0+

sin 2x

2x

·

2

3

= 1 ·

2

3

=

2

3

.

b) Ciągłość w zerze funkcji jest równoważna równościom (0) = (0) = (0+). Z punktu (a) wiemy

jednak, że (06(0), zatem nie jest ciągła w punkcie 0.

c) Tak, funkcja jest ciągła w pozostałych punktach dziedziny, to znaczy na zbiorze R \ {0}. Wynika to z

następujących spostrzeżeń:

• Zachodzi na przedziale otwartym (−∞, 0), gdzie g(x) := (1 − 5x)

1/x

, oraz na przedziale

otwartym (0, ∞), gdzie h(x) := (sin 2x)/(3x).

• Funkcje są ciągłe, jako funkcje elementarne. Mianowicie, funkcje x 7→ 2x, sin, x 7→ 3są ciągłe,

zaś powstaje z nich przez złożenie i dzielenie, a te operacje zachowują ciągłość. Podobnie z funkcją
g.

Uwaga: Ważną kwestią jest fakt, że równość gzachodzi na przedziałach otwartych. Jeśli na
przykład = 0001, to w bardzo małym otoczeniu punktu funkcje są sobie równe, a ciągłość
jest pojęciem lokalnym. Zatem ciągłość jest równoważna ciągłości x. Rozważenie tej uwagi
zostawiam chętnym.

Zadanie 2.

a) Dzieląc licznik i mianownik przez dostaję

lim

x→∞

x

2

+ 1 + x

2+ 1

= lim

x→∞

q

1 +

1

x

2

+ 1

2 +

1
x

=

1 + 1

2

= 1.

b) Granica nie istnieje. Udowodnię to przez sprzeczność, korzystając z definicji Heinego. Zakładam, że

granica istnieje (oznaczam ją przez α) i rozważam dwa ciągi:

x

n

=

1

2

, y

n

=

1

2nπ π/2

.

Oczywiście x

n

, y

n

→ 0. Zatem, z definicji Heinego, cos

1

x

n

cos

1

y

n

→ α. Z drugiej jednak strony

cos

1

x

n

= cos(2) = 1cos

1

y

n

= cos(2nπ π/2) = 0,

co implikuje, że 1 = α = 0. Sprzeczność dowodzi, że moje założenie jest fałszywe, a więc granica nie
istnieje.

c) Skorzystam faktu, że jeśli a(x→ 0 oraz b(x) jest ograniczony, to a(x)b(x→ 0. Stąd bezpośrednio

wynika, że granica z zadania wynosi 0.

2

background image

Zadanie 3.

a) (x) = x

3

− 6x

2

+ 11x − 6, zatem f

0

(x) = 3x

2

− 12+ 11.

Inny sposób: f

0

(x) = (x − 1)

0

(x − 2)(x − 3) + (x − 1)(x − 2)(x − 3) + (x − 1)(x − 2)(x − 3)

0

. . .

b) g

0

(x) =

2(4x+5)4(2x+3)

(4x+5)

2

=

2

(4x+5)

2

.

c) h

0

(x) =

3x

2

+2

x

3

+2x+1

.

Zadanie 4. Funkcja spełnia warunek Lipschitza na odcinku [−a, a], gdy

(L > 0) (−a ¬ x, y ¬ a|f (y− f (x)| ¬ L|y − x|.

()

Zauważmy, że dla −a ¬ x, y ¬ a zachodzi oszacowanie:

|f (y− f (x)|y

2

− x

2

|y x| · |y − x| ¬ (|y| |x|· |y − x| ¬ 2a|y − x|.

Zatem, jeśli przyjmiemy := 2a > 0 oraz jeśli −a ¬ x, y ¬ a, to nierówność z definicji (*) jest spełniona.

Zadanie 5. Dziedziną funkcji jest zbiór (1, ∞). Ponadto

f

0

(x) = 1 

1

1 + x

=

x

1 + x

, f

00

(x) =

1

(1 + x)

2

.

Równość f

0

(x) = 0 zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy = 0, zatem 0 jest jedynym punktem krytycznym

funkcji (punktem podejrzanym o ekstremum lokalne). Ponadto f

00

(0) = 1 0, zatem w 0 jest faktycznie

ekstremum i jest to minimum.

Zamiast liczyć drugą pochodną można zbadać znak pierwszej pochodnej:

f

0

(x⇔ x > 0, f

0

(x⇔ x < 0.

Tak więc maleje na zbiorze (10) oraz rośnie na zbiorze (0, ∞). W 0 jest więc minimum.

Zadanie 6. Zbadajmy różniczkowalność w punkcie 0. Aby była różniczkowalna, musi w szczególności być
ciągła, a więc musi zachodzić warunek:

u(0) = u(0) = u(0+).

(∗∗)

Oczywiście:

u(0) = lim

x→0

(+ 1) = 1,

u(0) = 1

u(0+) = lim

x→0+

(sin cos x) = b.

Zatem (**) zachodzi, gdy = 1. Załóżmy więc, że = 1. Wtedy (łatwo to wyjaśnić, korzystając z definicji)

u

0

(0) = (+ 1)

0

|

x=0

= 1.

Ponadto (tutaj wykorzystujemy fakt, że skoro = 1, to u(x) = sin cos także dla = 0)

u

0
+

(0) = (sin cos x)

0

|

x=0

a.

Zatem równość

u

0

(0) = u

0
+

(0),

równoważna różniczkowalności w punkcie 0, daje nam warunek = 1.

Reasumując, otrzymaliśmy, że jest różniczkowalna w 0 wtedy i tylko wtedy, gdy = 1. Oczywiście

(jak to wyjaśniono w zadaniu 1c) jest różniczkowalna również w pozostałych punktach dziedziny.

3

background image

Wersja B - odpowiedzi

Zadanie 1.

a) f

+

(0) = 3/2, f

(0) = e

2

b) Nie, bo f

(0) 6(0).

c) Tak.

Zadanie 2.

a) 3

b) Nie istnieje (rozpatrzeć np. x

n

=

2πn oraz y

n

=

p

2πn π/2).

c) 0

Zadanie 3.

a) 3x

2

− 18+ 26

b) 

2

(5x+6)

2

c) (4x

3

+ 3) cos(x

4

+ 3+ 2)

Zadanie 4. W punkcie = 1/e jest minimum lokalne.

Zadanie 5. Patrz wersja A.

Zadanie 6. = 1/2, = 3/2

4