background image

Definicja zdania
Zdaniem w logice nazywamy wypowied  zbudowan  zgodnie z zasadami ustalonego j zyka,

ź

ą

ę

której   mo na   przypisa   jednoznacznie   jedn   z   dwu   ocen:   prawd   lub   fa sz   -nazywane

ż

ć

ą

ę

ł

warto ciami logicznymi danego zdania i oznaczane odpowiednio symbolami 

ś

1, 

0

.

Definicja formy zdaniowej
Form  zdaniow  nazywamy wypowied , która mo e zawiera  zmienne, zbudowan  wed ug

ą

ą

ź

ż

ć

ą

ł

takich samych regu  gramatycznych jak zdanie. Fakt,  e 

ł

ż  jest zmienn  formy zdaniowej

ą

oznaczamy pisz c 

ą

)

(x

.

Uwaga 1. Ka de zdanie jest form  zdaniow .

ż

ą

ą

Uwaga 2. Istniej  formy zdaniowe nie b d ce zdaniami.

ą

ę ą

Zasada tworzenia zda  z form zdaniowych

ń

Z formy zdaniowej mo na otrzyma  zdanie na dwa sposoby:

ż

ć

(a) Przez   podstawienie   w   miejsce   zmiennych,   obiektów   w   stosunku   do   których   b dziemy

ę

mogli stosowa  oceny logiczne prawdziwo ci i fa szu.

ć

ś

ł

(b) Przez stosowanie kwantyfikatorów w odniesieniu do wyst puj cych w formie zdaniowej

ę

ą

zmiennych.   Stosowanie   kwantyfikatora   du ego   do   formy  

ż

)

(x

  oznacza   utworzenie

zdania  

)

(x

X

x

,   które   czytamy:  „   dla  ka dego  elementu  

ż

  ze zbioru     jest  

)

(x

”.

Stosowanie kwantyfikatora ma ego do formy 

ł

)

(x

 oznacza utworzenie zdania 

)

(x

X

x

,

które czytamy: „ istnieje element   ze zbioru 

 taki,  e 

ż

)

(x

”.

Definicja 
Je li zakresem zmienno ci zmiennej 

ś

ś

 w formie 

)

(x

 jest zbiór 

X

, to zbiór tych wszystkich

elementów zbioru 

, które podstawione w miejsce zmiennej   w formie 

)

(x

 daj  zdanie

ą

prawdziwe oznaczamy jako 

)

(

   

:

x

X

x

.

Przyk ad.

ł

 Przedzia  domkni ty 

ł

ę

 

b

a,  gdzie  

b

 s  liczbami rzeczywistymi takimi,  e 

ą

ż

b

a

mo na zapisa  jako 

ż

ć

b

x

a

R

x

    

:

.

Zasada weryfikacji prawdziwo ci zda  z o onych

ś

ń ł ż

Oceny prawdziwo ci zda  z o onych dokonujemy na podstawie informacji o prawdziwo ci

ś

ń ł ż

ś

ich sk adników zgodnie z nast puj cymi ustaleniami:

ł

ę

ą

(a)  

p

q

p

~

q

p

q

p

q

p

q

p

1

1

0

1

1

1

1

1

0

0

0

1

0

0

0

1

1

0

1

1

0

0

0

1

0

0

1

1

(b)

)

(x

X

x

  jest prawd  wtedy i tylko wtedy gdy 

ą

X

x

X

x

)

(

   

:

)

(x

X

x

  jest prawd  wtedy i tylko wtedy gdy 

ą

)

(

   

:

x

X

x

1

background image

Definicja tautologii
Prawem   logicznym   albo   tautologi   nazywamy   zdanie   z o one,   które   jest   prawdziwe

ą

ł ż

niezale nie od warto ci logicznych zda  sk adowych.

ż

ś

ń ł

Wykaz wa niejszych tautologii

ż

1)

p

~

2)

)

(~

~

 

p

p

3)

)

(

)

(

)

(

r

p

r

q

q

p

4)

)

~

(~

)

(

p

q

q

p

5)

)

(

)

(

p

q

q

p

6)

)

(

)

(

p

q

q

p

7)

 

r

q

p

r

q

p

)

(

)

(

8)

 

r

q

p

r

q

p

)

(

)

(

9)

 

)

(

)

(

)

(

r

p

q

p

r

q

p

10)

 

)

(

)

(

)

(

r

p

q

p

r

q

p

11)

)

~

(~

)

(

~

q

p

q

p

12)

)

~

(~

)

(

~

q

p

q

p

13)

)

~

(

)

(

~

q

p

q

p

14)

p

q

p

q

p

)

(~

)

~

(~

15)

)

(

)

(

x

x

X

x

X

x

16)

)

(

~

)

(

~

x

x

X

x

X

x

17)

)

(

~

)

(

~

x

x

X

x

X

x

18)

)

,

(

)

,

(

y

x

y

x

X

x

Y

y

Y

y

X

x

19)

)

,

(

)

,

(

y

x

y

x

X

x

Y

y

Y

y

X

x

20)

)

,

(

)

,

(

y

x

y

x

X

x

Y

y

Y

y

X

x

21)

)

(

)

(

)

(

)

(

x

x

x

x

X

x

X

x

X

x

22)

)

(

)

(

)

(

)

(

x

x

x

x

X

x

X

x

X

x

Zasada prowadzenia dowodu
Ka dy element rozumowania zwanego dowodem w dowolnej teorii matematycznej daje si

ż

ę

uzasadni  tautologi  albo aksjomatem tej teorii.

ć

ą

Definicja iloczynu kartezja skiego zbiorów

ń

Iloczynem kartezja skim zbiorów 

ń

 i  nazywamy zbiór wszystkich par uporz dkowanych

ą

)

,

y

x

 takich,  e 

ż

X

x

  i 

Y

y

 . Iloczyn kartezja ski zbiorów 

ń

X

 i 

Y

 oznaczamy jako 

Y

X

.

Definicja funkcji
Ka dy   podzbiór  

ż

  iloczynu  kartezja skiego  

ń

Y

X

   zbiorów     i    nazywamy funkcją

odwzorowuj c  zbiór 

ą ą

 w zbiór  o ile spe nia on nast puj ce dwa warunki:

ł

ę

ą

(a)

f

y

x

Y

y

X

x

)

,

(

  

(b)

2

1

2

1

  

  

)

,

(

  

  

)

,

(

 

~

2

1

y

y

f

y

x

f

y

x

Y

y

Y

y

X

x

.

Fakt,  e 

ż  jest funkcj  odwzorowuj c  zbiór 

ą

ą ą

X

  w zbiór  

Y

  oznaczamy pisz c 

ą

Y

X

f

:

.

Zbiór funkcji odwzorowuj cych 

ą

 w  oznaczamy jako 

X

.

Definicja funkcji ró nowarto ciowej

ż

ś

Je li 

ś

Y

X

f

:

 to mówimy,  e 

ż  jest ró nowarto ciowa je li spe nia nast puj cy warunek:

ż

ś

ś

ł

ę

ą

2

1

2

1

  

  

)

,

(

  

  

)

,

(

~

 

2

1

x

x

f

y

x

f

y

x

Y

y

X

x

X

x

2

background image

Definicja funkcji odwzorowuj cej zbiór X  na zbiór Y

ą

Je li  

ś

Y

X

f

:

  to   mówimy,   e  

ż

    odwzorowuje   zbiór     na   zbiór    je li   spe nia

ś

ł

nast puj cy warunek:

ę

ą

f

y

x

X

x

Y

y

)

,

.

Definicja funkcji wzajemnie jednoznacznej 
Je li  

ś

Y

X

f

:

  to mówimy,  e  

ż

  jest funkcj  wzajemnie jednoznaczn  je li jest funkcj

ą

ą ś

ą

ró nowarto ciow  odwzorowuj c  zbiór 

ż

ś

ą

ą ą

 na zbiór .

Definicja funkcji odwrotnej 
Niech

 

Y

X

f

:

 

b dzie   funkcj   wzajemnie   jednoznaczn .   Wówczas   zbiór

ę

ą

ą

f

y

x

x

y

)

,

(

   

:

)

,

(

  jest funkcj  wzajemnie jednoznaczn  odwzorowuj c  zbiór  

ą

ą

ą ą

Y

  na zbiór

. Nazywamy go funkcj  odwrotn  do funkcji 

ą

ą

 i oznaczamy jako 

1

.

Definicja z o enia funkcji

ł ż

Niech  

Y

X

f

:

,  

Z

T

g

:

  przy czym  

T

Y

. Zbiór  

g

z

y

f

y

x

z

x

Y

y

)

,

(

  

  

)

,

(

  

:

)

,

(

jest funkcj  odwzorowuj ca zbiór 

ą

ą

X

 w zbiór 

Z

. Nazywamy go z o eniem funkcji 

ł ż

 i 

g

 i

oznaczamy jako 

f

g

.

Definicja obrazu zbioru przez funkcję

Niech  

Y

X

f

:

  .   Dla   dowolnego   zbioru  

A

zbiór  

f

y

x

Y

y

A

x

)

,

   

:

  nazywamy

obrazem zbioru 

A

 przez funkcj  

ę  i oznaczamy jako 

 

A

f

.

Definicja przeciwobrazu zbioru przez funkcję

Niech  

Y

X

f

:

.   Dla   dowolnego   zbioru

zbiór  

f

y

x

X

x

B

y

)

,

   

:

  nazywamy

przeciwobrazem zbioru 

 przez funkcj  

ę  i oznaczamy jako 

 

B

f

1

.

Definicja dziedziny i zbioru warto ci funkcji

ś

Niech  f  :  X 

  Y.  Wówczas   zbiór  X  nazywamy  dziedziną  funkcji   i   oznaczamy  jako  Df

natomiast f[X] nazywamy zbiorem wartości funkcji i oznaczamy jako Wf.

Przyk ady rodzin funkcji

ł

Niech f : X 

 Y.

Jeśli  X 

  R  i  Y  =  R, to funkcję  f  nazywać będziemy funkcją rzeczywistą zmiennej

rzeczywistej.

Jeśli  X  =  N  i  Y  =  R,   to   funkcję  f  nazywać   będziemy   nieskończonym   ciągiem
liczbowym o wyrazach rzeczywistych.

Jeśli X = N i Y = N i f jest funkcją wzajemnie jednoznaczną, to f nazywać będziemy
permutacją zbioru liczb naturalnych.

Jeśli  X  = {1, 2, ...,  m}

{1, 2, ...,  n} oraz  Y  =  R, to funkcję  f  nazywać będziemy

macierzą o m wierszach i n kolumnach.

3

background image

Ciągłość. Niech x

 R.

Definicja otoczenia, s siedztwa i punktu skupienia

ą

Niech a

 R i a < x

0

 < b. Otoczeniem (otoczeniem lewostronnym, prawostronnym) punktu

x

0

  nazywamy  przedział   (a,  b)   ((a,  x

0

],   [x

0

  ,  b)).   Rodzinę   zbiorów   będących  otoczeniami

(otoczeniami lewostronnymi, prawostronnymi) punktu x

0

 oznaczać będziemy symbolem O(x

0

)

(O

  -

(x

0

),  O

+

(x

0

)). Każdy zbiór postaci  U  \  {x

0

}, gdzie  U 

  O(x

0

) (U 

  O

  -

(x

0

),  U 

  O

+

(x

0

))

nazywać   będziemy   sąsiedztwem   (sąsiedztwem   lewostronnym,   prawostronnym)   punktu  x

0

.

Rodzinę   zbiorów   będących   sąsiedztwami   (sąsiedztwami   lewostronnymi,   prawostronnymi)
oznaczać będziemy symbolem S(x

0

) (S

 -

(x

0

), S

+

(x

0

)).

Niech  X 

  R.   Mówimy,   że  x

0

  jest   punktem   skupienia   (lewostronnym,   prawostronnym

punktem skupienia) zbioru X, jeśli

 

X

U

x

S

U

0

(

 

X

U

x

S

U

0

,  

 

X

U

x

S

U

0

).

Zbiór   punktów   skupienia   (lewostronnych,   prawostronnych   punktów   skupienia)   zbioru  X
oznaczamy jako X

d 

 (X

d-

X

d+

). 

Niech f będzie funkcją rzeczywistą zmiennej rzeczywistej.
Definicja granicy funkcji
Niech  x

0  

  (Df)

d

  (x

0  

  (Df)

d-

,  x

0  

  (Df)

d+

  ).   Mówimy,   że  g 

  R  jest   granicą   (granicą

lewostronną, prawostronną) funkcji f w punkcie x

0

, gdy

 

 

V

U

f

x

S

U

g

O

V

0

)

(

(

 

 

V

U

f

x

S

U

g

O

V

0

)

(

,  

 

 

V

U

f

x

S

U

g

O

V

0

)

(

).

Fakt, że g jest granicą (granicą lewostronną, prawostronną) zapisujemy symbolicznie

)

(

lim

0

x

f

g

x

x

(

)

(

lim

0

x

f

g

x

x

,

)

(

lim

0

x

f

g

x

x

).

Definicja ciągłości funkcji
Niech x

 Df.

f jest ciągła w x

0

 

 x

0

 

 (Df)

d

  

 

).

(

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

f jest lewostronnie ciągła w x

0

 

 x

0

 

 (Df)

d-

  

 

).

(

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

f jest prawostronnie ciągła w x

0

 

 x

0

 

 (Df)

d+

  

 

).

(

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

Niech X 

 R. Mówimy, że f jest ciągła w zbiorze X, gdy jest ciągła w każdym punkcie tego

zbioru. Zbiór punktów ciągłości funkcji f oznaczać będziemy przez Cf.
Uwaga. Funkcja jest ciągła w punkcie x

0

 wtedy i tylko wtedy, gdy jest ciągła lewostronnie i

prawostronnie w tym punkcie.

Rodzaje nieci g o ci – definicja

ą ł ś

Niech x

0  

 Df. Mówimy, że x

0

  jest punktem nieciągłości pierwszego rodzaju funkcji  f, jeśli

istnieją   i   są   skończone   granice  

)

(

lim

0

x

f

x

x

,  

)

(

lim

0

x

f

x

x

przy   czym  

)

(

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

  lub

).

(

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

 Mówimy, że x

0

 jest punktem nieciągłości drugiego rodzaju, jeśli x

0

 

 Cf i

x

0

 nie jest punktem nieciągłości pierwszego rodzaju.

4

background image

Twierdzenia o funkcjach ci g ych

ą ł

Twierdzenie Weierstrassa-Darboux. Niech ab 

 Ra < b, [ab]  Cf. Wówczas funkcja f

jest ograniczona na [ab]. Ponadto

1.

]

,

[

sup

)

(

]

,

[

b

a

f

c

f

b

a

c

;

2.

]

,

[

inf

)

(

]

,

[

b

a

f

d

f

b

a

d

;

3.

).

(

]

,

[

]

,

[

sup

,

]

,

[

inf

x

f

y

b

a

x

b

a

f

b

a

f

y

Twierdzenie o klasie funkcji ci g ych

ą ł

Funkcje elementarne są ciągłe. Działania algebraiczne wykonywane na funkcjach ciągłych
dają funkcje ciągłe. Złożenia funkcji ciągłych są funkcjami ciągłymi. Funkcje odwrotne do
funkcji ciągłych (o ile istnieją) też są funkcjami ciągłymi.

Uwaga. Jeśli x

0

 

 Cf i f(x

0

) > 0, to 

).

,

0

(

]

[

)

(

0

U

f

x

O

U

Definicja ciągłości jednostajnej 
Niech X 

 Df. Mówimy, że funkcja f jest jednostajnie ciągła na X, jeśli

.

|

)

'

(

)

(

|

|'

|

'

,

0

0

x

f

x

f

x

x

X

x

x

Uwaga.  Jeśli  f  jest jednostajnie ciągła na zbiorze  X, to jest ciągła w każdym punkcie tego
zbioru.
Uwaga.  Istnieją   funkcje   ciągłe   w   każdym  punkcie   zbioru  X  lecz   nie   będące   jednostajnie
ciągłymi na tym zbiorze.
Uwaga.  Funkcja ciągła  na  przedziale  domkniętym i  ograniczonym  jest  na tym przedziale
jednostajnie ciągła.

SZEREGI LICZBOWE

Definicja szeregu
Niech  

 

N

n

n

a

  b dzie  ci giem  liczbowym.   Szeregiem   liczbowym  nazywamy  ci g  

ę

ą

ą

 

N

n

n

S

gdzie  

n

k

k

df

n

n

a

a

a

a

S

1

2

1

.   Taki   szereg   liczbowy   oznaczamy   symbolem  

1

n

n

.

Liczb  

ę

n

 nazywamy n-tym wyrazem, a liczb  

ę

n

 - n-t  sum  tego szeregu.

ą

ą

Definicja szeregu zbie nego, rozbie nego i sumy szeregu

ż

ż

Mówimy,  e szereg 

ż

1

n

n

 jest zbie ny je li ci g 

ż

ś

ą

 

N

n

n

S

 jest zbie ny do granicy sko czonej

ż

ń

zwanej   w   tym  przypadku  sum   szeregu   i  oznaczanej   symbolem   identycznym  z   symbolem

ą

szeregu.

Mówimy,  e szereg 

ż

1

n

n

 jest rozbie ny gdy nie jest zbie ny.

ż

ż

5

background image

Twierdzenie o kombinacji liniowej szeregów

Je li szeregi 

ś

1

n

n

1

n

n

 s  zbie ne odpowiednio do liczb 

ą

ż

 i  , to dla dowolnych liczb

rzeczywistych  

b

 zbie ny jest równie  szereg 

ż

ż

1

n

n

n

bb

aa

 przy czym suma tego szeregu

wynosi 

bB

aA

.

Twierdzenie o zbie no ci szeregu geometrycznego

ż ś

Szereg  

1

n

n

  zwany szeregiem geometrycznym o podstawie     jest zbie ny wtedy i tylko

ż

wtedy gdy 

1

q

.

Twierdzenie o zbie no ci szeregu harmonicznego

ż ś

 

Szereg 

1

1

n

p

n

 zwany szeregiem harmonicznym rz du 

ę

 jest zbie ny wtedy i tylko wtedy gdy

ż

1

p

.

Warunek konieczny zbie no ci szeregu

ż ś

Je li szereg 

ś

1

n

n

 jest zbie ny to 

ż

0

lim

n

n

a

.

Niech 

1

n

n

 i 

1

n

n

 oznaczaj  szeregi liczbowe.

ą

Uwaga.  Je li ci gi  

ś

ą

 

N

n

n

a

  i  

 

N

n

n

b

  ró ni  si  sko czon  ilo ci  wyrazów, to oba szeregi

ż ą ę

ń

ą

ś ą

1

n

n

 i 

1

n

n

 s  jednocze nie zbie ne lub rozbie ne.

ą

ś

ż

ż

KRYTERIA ZBIE NO CI SZEREGÓW

Ż

Ś

Kryterium porównawcze 

Je li  

ś

n

n

N

n

b

a

0

 

  to   ze   zbie no ci  szeregu  

ż ś

1

n

n

  wynika zbie no  szeregu  

ż ść

1

n

n

  i z

rozbie no ci szeregu 

ż ś

1

n

n

 wynika rozbie no  szeregu 

ż ść

1

n

n

Kryterium ilorazowe 

Je li 

ś

0

b

  

i

  

0

 

n

n

N

n

a

 oraz  

 

,

0

lim

n

n

n

b

a

, to oba szeregi 

1

n

n

 i 

1

n

n

 s  jednocze nie

ą

ś

zbie ne lub rozbie ne.

ż

ż

6

background image

Kryterium Cauchy’ego

Je li 

ś

g

a

n

n

n

lim

 to 

1

n

n

 jest zbie ny gdy 

ż

1

g

 i rozbie ny gdy 

ż

1

g

.

Kryterium d’Alemberta 

Je li  

ś

0

 

n

N

n

a

  oraz  

g

a

a

n

n

n

1

lim

  to szereg  

1

n

n

 jest zbie ny gdy 

ż

1

g

  i rozbie ny gdy

ż

1

g

.

Kryterium Raabego 

Je li 

ś

0

 

n

N

n

a

 oraz 

g

a

a

n

n

n

n





1

lim

1

 to szereg 

1

n

n

 jest zbie ny gdy 

ż

1

g

 i rozbie ny

ż

gdy 

1

g

.

Twierdzenie o zag szczaniu

ę

Je li 

ś

 

N

n

n

a

 jest ci giem nierosn cym o wyrazach nieujemnych to szeregi 

ą

ą

1

n

n

 i 

1

2

2

n

n

n

a

s  jednocze nie zbie ne lub rozbie ne.

ą

ś

ż

ż

Kryterium Dirichleta 

Je li   ci g   sum   cz

ciowych   szeregu  

ś

ą

ęś

1

n

n

  jest   ograniczony   oraz  

 

N

n

n

b

  jest   ci giem

ą

nierosn cym zbie nym do zera to szereg 

ą

ż

1

n

n

n

b

a

jest zbie ny.

ż

Kryterium Abela 

Je li  szereg  

ś

1

n

n

  jest zbie ny i ci g 

ż

ą

 

N

n

n

b

  jest  monotoniczny i ograniczony, to  szereg

1

n

n

n

b

a

 jest zbie ny.

ż

Kryterium Leibniza 

Je li  

ś

 

N

n

n

a

  jest   ci giem   nierosn cym   zbie nym   do   0,   to   szereg  

ą

ą

ż

1

1

)

1

(

n

n

n

  zwany

szeregiem naprzemiennym jest zbie ny.

ż

Definicja zbie no ci bezwzgl dnej

ż ś

ę

Mówimy,  e szereg 

ż

1

n

n

 jest bezwzgl dnie zbie ny, gdy zbie ny jest szereg 

ę

ż

ż

1

n

n

.

Uwaga Ka dy szereg zbie ny bezwzgl dnie jest zbie ny.

ż

ż

ę

ż

Uwaga Istniej  szeregi zbie ne lecz nie bezwzgl dnie zbie ne.

ą

ż

ę

ż

7

background image

Definicja szeregu zbie nego warunkowo

ż

Szereg zbie ny lecz nie bezwzgl dnie zbie ny nazywamy szeregiem zbie nym warunkowo.

ż

ę

ż

ż

Twierdzenie 

Je li   szereg  

ś

1

n

n

  jest  bezwzgl dnie zbie ny,  to  dla  dowolnej  permutacji  

ę

ż

 

N

n

n

m

  liczb

naturalnych szereg 

1

n

m

n

 jest zbie ny i ma tak  sam  sum  jak szereg 

ż

ą

ą

ę

1

n

n

.

Twierdzenie Cauchy’ego 

Je li   szeregi  

ś

1

n

n

  i  

1

n

n

  s   bezwzgl dnie  zbie ne,   to   szereg  

ą

ę

ż

 

1

1

1

)

(

n

k

n

k

n

k

b

a

  jest

zbie ny przy czym suma tego szeregu wynosi 

ż

B

A

  gdzie   oznacza sum  szeregu 

ę

1

n

n

, a

 sum  szeregu 

ę

1

n

n

.

Twierdzenie Riemanna 

Niech  

1

n

n

  b dzie   szeregiem   warunkowo   zbie nym.   Dla   dowolnego  

ę

ż

,

R

A

istnieje permutacja 

 

N

n

n

m

 zbioru liczb naturalnych taka,  e 

ż  jest sum  szeregu 

ą

1

n

m

n

.

CI GI I SZEREGI FUNKCYJNE

Ą

Przyjmijmy,  e 

ż

R

X

.

Definicja ci gu funkcyjnego

ą

Ci giem  funkcyjnym  okre lonym  na   zbiorze  

ą

ś

  nazywamy ka d  funkcj  odwzorowuj c

ż ą

ę

ą ą

zbiór     w   zbiór  

R

.   Za ó my,   e  

ł ż

ż

R

X

f

n

N

n

:

  

.   Wówczas   dla   oznaczenia   ci gu

ą

funkcyjnego, którego n-tym wyrazem jest funkcja 

n

 u ywamy oznaczenie 

ż

 

N

n

n

f

.

Niech 

 

N

n

n

f

 oznacza ci g funkcyjny taki,  e 

ą

ż

R

X

f

n

N

n

:

  

. Niech 

R

X

f

:

.

Definicja zbie no ci punktowej ci gu funkcyjnego

ż ś

ą

Mówimy,   e   ci g  

ż

ą

 

N

n

n

f

  jest   punktowo   zbie ny   na   zbiorze  

ż

  do   funkcji     je li

ś

)

(

)

(

lim

  

x

f

x

f

n

n

X

x

.

Definicja zbie no ci jednostajnej ci gu funkcyjnego

ż ś

ą

Mówimy,   e   ci g  

ż

ą

 

N

n

n

f

  jest   jednostajnie   zbie ny   na   zbiorze  

ż

X

  do   funkcji     je li

ś

)

(

)

(

 

0

0

0

x

f

x

f

n

X

x

n

n

N

n

.

8

background image

Fakt,   e  

ż

 

N

n

n

f

  jest   punktowo   zbie ny   do   funkcji  

ż

  na zbiorze  

X

  oznaczamy   pisz c

ą

f

f

X

n

 .

Fakt,  e 

ż

 

N

n

n

f

 jest jednostajnie zbie ny do funkcji 

ż

 na zbiorze   oznaczamy pisz c 

ą

n

f

X

.

Twierdzenie 

Je li 

ś

n

f

X

 to 

f

f

X

n

 .

Uwaga Twierdzenie odwrotne nie jest prawdziwe.

Twierdzenie Weierstrassa 

Niech 

]

[

|

|

sup

X

f

f

n

n

dla 

N

n

 . Wówczas 

0

lim

n

n

X

n

f

f

Twierdzenie

 

    

Je li 

ś

f

f

X

n

n

N

n

f

jest ci g a na X, to równie  

ą ł

ż f jest ci g a na 

ą ł

X.

Definicja funkcji przedzia ami liniowej

ł

Niech  

R

b

a

,

,  

b

a

   i niech  

Df

b

a

]

,

[

.   Funkcj  

ę f  nazywamy przedzia ami  liniow  na

ł

ą

przedziale  

]

,

b

a

  je li  

ś

f  jest   ci g a   na  

ą ł

]

,

b

a

oraz   je li   istniej   uk ady   liczb

ś

ą

ł

b

a

a

a

a

a

n

2

1

0

 

oraz

 

n

c

c

c

,...,

,

2

1

oraz

 

n

d

d

d

,...,

,

2

1

 

takie,   e

ż

k

k

a

a

x

n

k

d

x

c

x

f

k

k

)

(

]

,

[

}

,...,

2

,

1

{

1

Twierdzenie 
Ka da   funkcja   ci g a  w   przedziale   domkni tym  jest   granic   jednostajnie   zbie nego   ci gu

ż

ą ł

ę

ą

ż

ą

funkcji przedzia ami liniowych na tym przedziale. 

ł

Definicja szeregu funkcyjnego

 

    

Niech  

 

N

n

n

f

  b dzie  ci giem  funkcyjnym  takim,   e  

ę

ą

ż

X

Df

n

N

n

.   Szeregiem   funkcyjnym

nazywamy   ci g   funkcyjny  

ą

 

N

n

n

S

  gdzie  

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

x

f

x

f

x

f

x

S

n

n

X

x

N

n

.   Taki

szereg   funkcyjny   oznaczamy   symbolem  

1

n

n

.   Funkcj  

ę

n

  nazywamy n-tym wyrazem  a

funkcj  

ę

n

 nazywamy n-t  sum  tego szeregu. 

ą

ą

Definicja zbie no ci punktowej i jednostajnej szeregu funkcyjnego

ż ś

Szereg   funkcyjny  

1

n

n

  jest   punktowo   (jednostajnie)   zbie ny   na   zbiorze   X   gdy   ci g

ż

ą

funkcyjny 

 

n

 jest punktowo (jednostajnie) zbie ny na tym zbiorze.

ż

Funkcj  b d c  granic  ci gu funkcyjnego  

ę ę ą ą

ą ą

 

n

  o ile ona istnieje nazywamy sum  szeregu

ą

1

n

n

 i oznaczamy tak jak sam szereg. 

9

background image

Wniosek.  Szereg funkcyjny  

1

n

n

  jest punktowo zbie ny na zbiorze  

ż

X  wtedy i tylko wtedy

gdy 

)

(

1

x

f

n

n

X

x

 jest zbie ny.

ż

Wniosek.  Je li   szereg   funkcyjny  

ś

)

(

1

x

f

n

n

  jest   jednostajnie   zbie ny   na   zbiorze  

ż

X,   to   jest

punktowo zbie ny na tym zbiorze. 

ż

Twierdzenie Weierstrassa 

Niech  

1

n

n

b dzie   szeregiem   funkcyjnym   funkcji   okre lonych   na   zbiorze   X,   a  

ę

ś

1

n

n

a

szeregiem liczbowym zbie nym takim,  e 

ż

ż

n

n

X

x

N

n

a

x

f

|

)

(

|

.

Wówczas szereg 

1

n

n

 jest jednostajnie zbie ny oraz 

ż

)

(

1

x

f

n

n

X

x

 jest bezwzgl dnie zbie ny.

ę

ż

Definicja szeregu pot gowego

ę

 

Niech 

R

x

0

 i niech 

R

a

n

  dla 

}

0

{

 N

n

. Za ó my,  e 

ł ż

ż

R

R

f

:

1

 jest funkcj  tak ,  e 

ą

ą ż

0

1

)

(

a

x

f

R

x

R

R

f

n

:

 jest funkcj  tak ,  e 

ą

ą ż

1

0

1

)

(

)

(

n

n

n

R

x

x

x

a

x

f

 dla 

N

n

 i 

1

n

.

Szereg   funkcyjny  

1

n

n

  nazywamy   szeregiem   pot gowym   o   rodku   w   punkcie  

ę

ś

0

  i

wspó czynnikach 

ł

,

,

,

2

1

0

a

a

a

. Oznaczamy go symbolicznie jako 

n

n

n

x

x

a

)

(

0

0

.

Definicja promienia zbie no ci szeregu pot gowego

ż ś

ę

 

Liczb  

ę

1

:

sup

n

n

n

r

a

R

r

  nazywamy   promieniem   zbie no ci   szeregu   pot gowego

ż ś

ę

n

n

n

x

x

a

)

(

0

0

.

Uwaga.  Promie  zbie no ci szeregu pot gowego nie zale y od jego  rodka 

ń

ż ś

ę

ż

ś

0

 a jedynie od

wspó czynników 

ł

n

 dla 

N

n

n

0

Uwaga. Promie  zbie no ci szeregu pot gowego jest zawsze liczb  nieujemn . 

ń

ż ś

ę

ą

ą

Niech R oznacza promie  zbie no ci szeregu pot gowego 

ń

ż ś

ę

n

n

n

x

x

a

)

(

0

0

.

10

background image

Twierdzenie Cauchy'ego – Hadamarda

a)

Je li 

ś

n

n

n

a

g

|

|

lim

, to 



g

g

g

gdy

0

)

;

0

(

gdy

g

1

0

gdy 

R

 

b)

Je li 

ś

n

n

n

a

a

g

1

lim

, to 



g

g

g

gdy

0

)

;

0

(

gdy

g

1

0

gdy 

R

 

Twierdzenie o punktach zbie no ci szeregu pot gowego

ż ś

ę

Je li R = 0, to szereg 

ś

n

n

n

x

x

a

)

(

0

0

 jest zbie ny jedynie dla 

ż

0

x

x

.

Je li R =  , to szereg 

ś

n

n

n

x

x

a

)

(

0

0

 jest zbie ny bezwzgl dnie dla dowolnego 

ż

ę

R

x

.

Je li   R  

ś

)

;

0

(

,   to   szereg  

n

n

n

x

x

a

)

(

0

0

  jest   zbie ny   bezwzgl dnie   dla   dowolnego

ż

ę

)

R

;

R

(

0

0

x

x

x

 oraz rozbie ny dla 

ż

)

;

R

(

)

R

;

(

0

0



x

x

x

.

Definicja przedzia u zbie no ci szeregu pot gowego

ł

ż ś

ę

Przedzia em

 

zbie no ci

 

szeregu

 

ł

ż ś

n

n

n

x

x

a

)

(

0

0

 

nazywamy

 

zbiór

zbiezny

jest 

)

(

:

0

0

n

n

n

x

x

a

R

x

Twierdzenie 

Szereg pot gowy 

ę

n

n

n

x

x

a

)

(

0

0

 jest zbie ny jednostajnie w ka dym przedziale domkni tym

ż

ż

ę

zawartym w przedziale zbie no ci szeregu pot gowego.

ż ś

ę

Niech 

f

 będzie funkcją rzeczywistą zmiennej rzeczywistej

Definicja ilorazu różnicowego

  Niech 

Df

x

x

,

0

 oraz  

0

x

x

. Ilorazem różnicowym funkcji  

f

  pomiędzy punktami  

x

 i

0

x

 nazywamy liczbę 

   

0

0

x

x

x

f

x

f

.

Załóżmy, że  

Df

x

0

  wraz z pewnym otoczeniem (otoczeniem lewostronnym, otoczeniem

prawostronnym).

Definicja pochodnej

  

   

11

background image

  Pochodną   (pochodną   lewostronną,   prawostronną)   funkcji     w   punkcie  

0

  nazywamy

granicę  

   

0

0

0

lim

x

x

x

f

x

f

x

x

    (

   

0

0

0

lim

x

x

x

f

x

f

x

x

,    

   

0

0

0

lim

x

x

x

f

x

f

x

x

)   o   ile   ona   istnieje.

Oznaczamy ją wtedy jako 

 

0

x

f

 (

0

x

f

,

0

x

f

).

Definicja różniczkowalności funkcji.
 Mówimy, że funkcja   jest różniczkowalna (różniczkowalna lewostronnie, prawostronnie)
w   punkcie  

0

  jeśli   ma   w   tym   punkcie   skończoną   pochodną   (pochodną   lewostronną,

prawostronną).
Mówimy, że funkcja   jest różniczkowalna w przedziale otwartym, jeśli jest różniczkowalna
w każdym punkcie tego przedziału.
Mówimy,   że   funkcja     jest   różniczkowalna   w   przedziale   domkniętym,   jeśli   jest
różniczkowalna   w   każdym   punkcie   wewnętrznym   tego   przedziału,   oraz   prawostronnie
różniczkowalna w lewym krańcu i lewostronnie różniczkowalna w prawym krańcu.

Definicja kąta nachylenia. 
Niech 

L

 będzie dowolną prostą na płaszczyźnie XOY w której

X

oznacza oś odciętych. Jeśli

X

L

,   to   przyjmujemy,   że   kątem   nachylenia   prostej     jest   zero.   Jeśli  

 

p

X

L

  to

przyjmujemy, że kątem nachylenia prostej   jest kąt, którego jednym z ramion jest 

,

p

, a

drugim odcinek   przebiegający w górnej półpłaszczyźnie.

Interpretacja geometryczna ilorazu różnicowego i pochodnej.
Prostą   przechodzącą   przez   punkty,  

 

0

0

,

x

f

x

,

 

x

f

x,

  nazywać   będziemy   sieczną.

Zauważmy, że iloraz różnicowy funkcji    pomiędzy punktami     i  

0

 jest tangensem kąta

nachylenia siecznej. Przy ustalonym  

0

  i     zmierzającym do  

0

  zauważamy, że sieczne

wyznaczone przez te punkty przyjmują w granicy o ile ona istnieje położenie prostej, którą
nazwiemy styczną do wykresu funkcji w punkcie

 

0

0

,

x

f

x

. Pozwala to na spostrzeżenie, że

pochodna funkcji  jest  tangensem  kąta nachylenia  stycznej  do wykresu funkcji  w  punkcie

 

0

0

,

x

f

x

.

Wniosek. 
Równanie   stycznej   do   wykresu   funkcji   w   punkcie  

 

0

0

,

x

f

x

  ma   postać

)

(

)

(

'

)

(

0

0

0

x

x

x

f

x

f

y

.

Definicja. 
Normalną   do   wykresu   funkcji  f  w   punkcie  

)

(

,

0

0

x

f

x

  nazywamy   prostą   prostopadłą   do

stycznej w tym punkcie i przechodzącą przez ten punkt. 

Definicja. 
Niech funkcje f i g przecinające się w punkcie o odciętej będą różniczkowalne w 

0

. Kątem

przecięcia   wykresów   funkcji  f  i  g  nazywamy  nie   większy  od   prostego   kąt   ,   pomiędzy
stycznymi do wykresów tych funkcji w punkcie ich przecięcia.

12

background image

Wniosek

   

   



1

'

'

2

1

'

'

)

(

'

)

(

'

1

)

(

'

)

(

'

0

0

0

0

0

0

0

0

x

g

x

f

gdy

x

g

x

f

gdy

x

g

x

f

x

g

x

f

arctg

.

Twierdzenie. 
Jeżeli funkcja f jest różniczkowalna w pewnym punkcie, to jest w tym punkcie ciągła.

Uwaga. Twierdzenie odwrotne jest fałszywe.

Twierdzenie. 
Jeżeli f i g są różniczkowalne w punkcie 

0

oraz 

R

a

 , to funkcje 

g

f

af

g

f

g

f

,

,

,

są różniczkowalne w tym punkcie, oraz prawdziwe są wzory:

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

0

2

0

'

0

0

0

'

0

'

0

'

0

'

0

'

0

0

0

'

0

'

0

'

0

'

0

'

0

'

0

'

0

'

x

g

x

g

x

f

x

g

x

f

x

g

f

x

f

a

x

f

a

x

g

x

f

x

g

x

f

x

g

f

x

g

x

f

x

g

f

x

g

x

f

x

g

f





Ostatni wzór jest prawdziwy przy dodatkowym założeniu, że 

 

0

0

x

g

.

Uwaga. Twierdzenie powyższe jest prawdziwe również dla pochodnych jednostronnych oraz
dla pochodnych niewłaściwych, o ile nie występują symbole nieoznaczone.

Twierdzenie (o pochodnej funkcji złożonej). 
Jeśli  funkcja   jest różniczkowalna w punkcie  

0

, zaś funkcja     jest różniczkowalna w

punkcie  

)

(

0

x

f

  to   funkcja  

f

g

  jest   różniczkowalna   w   punkcie  

0

  przy   czym

)

(

'

))

(

(

)

(

)

(

0

0

'

0

'

x

f

x

f

g

x

f

g

.

Twierdzenie (o pochodnej funkcji odwrotnej)
Niech 

 

R

U

f

x

O

U

:

,

0

. Jeśli   jest ciągłą i różnowartościową funkcją różniczkowalną

w punkcie 

0

, taką, że 

0

)

(

'

0

x

f

, to funkcja odwrotna 

1

 jest różniczkowalna w punkcie

)

(

0

0

x

f

y

 i 

 

)

(

'

1

)

(

0

0

1

x

f

y

f

.

Uwaga.  Twierdzenia   o   pochodnej   funkcji   złożonej   i   pochodnej   funkcji   odwrotnej   są
prawdziwe również dla pochodnych jednostronnych i dla pochodnych niewłaściwych, o ile nie
występują symbole nieoznaczone.

13

background image

Wzory na pochodne funkcji elementarnych

.

0

const

c

c

R

x

x

x

 cos

)

(sin

R

x

x

x

sin

)

(cos

Z

k

k

x

x

tgx

,

2

)

1

2

(

cos

1

)

(

2

Z

k

k

x

x

ctgx

,

sin

1

)

(

2

0

1

)

(ln

x

x

x

1

,

0

,

0

ln

1

)'

(log

a

a

x

a

x

x

a

0

,

ln

)

(

a

R

x

a

a

a

x

x

R

x

e

e

x

x

)

(

R

R

x

x

x

,

)

(

1

1

)

(

n

n

nx

x

)

1

;

1

(

1

1

)

(arcsin

2

x

x

x

)

1

;

1

(

1

1

)

(arccos

2

x

x

x

R

x

x

arctgx

2

1

1

)

(

R

x

x

arcctgx

2

1

1

)

(

Definicja różniczki .
  Niech funkcja  f  będzie różniczkowalna w punkcie  

0

. Różniczką funkcji  f  w punkcie  

0

x

nazywamy funkcję liniową, która dowolnej liczbie rzeczywistej 

h

 przypisuje liczbę 

h

x

f

)

(

'

0

. Różniczkę funkcji f w punkcie 

0

 będziemy oznaczać jako 

 

0

x

df

Uwaga

  

  Zauważmy, że różniczka funkcji identycznościowej obliczana w dowolnym punkcie

przypisuje dowolnej liczbie rzeczywistej  nią samą. Stąd wniosek, że 

  

h

h

dx

0

. Ponieważ

różniczka   funkcji  f  w   dowolnym   punkcie  

0

  to  

 

0

x

df

,   więc   możemy   zapisać,   że

 

 

0

0

0

'

dx

x

f

x

df

. W powyższym wzorze 

 

0

x

df

 jest funkcją, 

0

dx  jest funkcją, a 

)

(

'

0

x

f

jest   liczbą.   Wzór   ten   można   zapisać   w   postaci  

 

 

0

0

0

'

dx

x

df

x

f

.   Jest   on   oczywiście

prawdziwy   dla   dowolnego   argumentu  

0

h

i   stwierdza,   że   iloraz   dwóch   różniczek   jest

funkcją stałą. Argument   z przyczyn praktycznych w powyższym wzorze nie występuje.

Definicja pochodnej rzędu n (indukcja). 
Załóżmy, że  

Df

x

0

wraz z pewnym otoczeniem, oraz że zdefiniowaliśmy już pochodną

 

n

f

 funkcji   rzędu   w każdym punkcie wspomnianego otoczenia. Jeśli 

 

n

f

 jest funkcją

14

background image

różniczkowalną w punkcie 

0

 to jej pochodną w tym punkcie nazywać będziemy pochodną

rzędu 

1

n

 funkcji  w punkcie 

0

. Pochodną rzędu   funkcji   w punkcie 

0

 oznaczać

będziemy jako 

 

 

0

x

f

n

. Przyjmujemy ponadto, że 

 

 

 

0

0

0

x

f

x

f

Twierdzenie  
Jeżeli f i g mają pochodne rzędu   w punkcie 

0

, to funkcja 

g

f

 ma pochodną rzędu w

punkcie 

0

 i wyraża się ona wzorem 





n

k

k

k

n

n

x

g

x

f

k

n

x

g

f

0

0

)

(

0

)

(

0

)

(

)

(

)

(

)

(

   (wzór Leibniza).

Załóżmy, że 

b

a

R

b

a

 ,

,

.

Twierdzenie (ROLLE’A) 
Jeżeli   funkcja  f  jest   ciągła  w   przedziale  

]

,

b

a

,  różniczkowalna   w   przedziale  

 

b

a, ,  oraz

 

)

(b

f

a

f

, to istnieje przynajmniej jeden punkt 

 

b

a

c

,

 taki, że 

0

)

(

'

c

f

.

Twierdzenie (CAUCHE’EGO ) 
Jeżeli funkcje     i     są ciągłe w przedziale  

]

,

b

a

, różniczkowalne w przedziale  

 

b

a,   to

istnieje przynajmniej jeden punkt 

 

b

a

c

,

 taki, że

   

     

a

f

b

f

c

g

a

g

b

g

c

f

'

)

(

'

.

Twierdzenie (LAGRANGEA).
Jeżeli funkcja f  jest ciągła w przedziale 

]

,

b

a

i różniczkowalna w przedziale 

 

b

a, , to istnieje

punkt 

 

b

a

c

,

 taki, że 

 

   

a

b

a

f

b

f

c

f

'

.

Powyższe trzy twierdzenia zwane są twierdzeniami o wartości średniej.

Twierdzenie.
 Niech funkcja 

R

I

f

:

 będzie różniczkowalna w przedziale  .

1)

Jeśli

0

)

(

'

x

f

I

x

 to funkcja f jest stała w przedziale I.

2)

Jeśli 

0

)

(

'

x

f

I

x

to funkcja f jest rosnąca w przedziale I.

3)

Jeśli 

0

)

(

'

x

f

I

x

to funkcja f jest niemalejąca w przedziale I.

4)

Jeśli 

0

)

(

'

x

f

I

x

to funkcja f jest malejąca w przedziale I.

5)

Jeśli 

0

)

(

'

x

f

I

x

to funkcja f jest nierosnąca w przedziale I.

Twierdzenie. 
Jeżeli  funkcja  

R

I

f

:

  jest różniczkowalna w przedziale  I  oraz jest niemalejąca w tym

przedziale, to

0

)

(

'

x

f

I

x

.

Twierdzenie.

15

background image

  Jeżeli  funkcja  

R

I

f

:

  jest  różniczkowalna w przedziale  I,  to jest ona rosnąca w tym

przedziale, wtedy i tylko wtedy, gdy 

0

)

(

'

x

f

I

x

 oraz zbiór 

}

0

)

(

'

;

{

x

f

I

x

 nie zawiera

przedziału.

Twierdzenie. 
Niech  

R

I

f

:

,  

R

I

g

:

będą   funkcjami   różniczkowalnymi  na   przedziale  I  oraz   niech

I

x

0

. Jeżeli 

)

(

)

(

0

0

x

g

x

f

 oraz 

)

'

)

(

'

x

g

x

f

I

x

, to 

)

(

)

(

x

g

x

f

I

x

.

Twierdzenie. (REGUŁA DE L’HOSPITALA)
Niech    i  

g

 będą funkcjami różniczkowalnymi w pewnym sąsiedztwie    punktu  

0

oraz

0

)

(

'

x

g

U

x

.  Jeżeli  

)

(

lim

0

)

(

lim

0

0

x

g

x

f

x

x

x

x

, oraz   istnieje granica  

)

(

)

(

lim

'

'

0

x

g

x

f

x

x

  (właściwa

lub nie), to istnieje również granica 

)

(

)

(

lim

0

x

g

x

f

x

x

 przy czym 

)

(

)

(

lim

)

(

)

(

lim

'

'

0

0

x

g

x

f

x

g

x

f

x

x

x

x

.

Uwaga: twierdzenie odwrotne nie jest prawdziwe.

Twierdzenie (WZÓR TAYLORA)
Jeśli funkcja f ma ciągłą pochodną rzędu   w przedziale 

]

,

b

a

 oraz pochodną rzędu 

1

n

w

przedziale

 

 

b

a,

,

 

to

 

istnieje

 

punkt

 

)

,

b

a

c

n

 

taki,

 

że

 

 

1

1

)

(

2

!

1

)

(

!

)

(

...

)

(

!

2

)

(

''

)

(

!

1

)

(

'

)

(

)

(

n

n

n

n

n

a

b

n

c

f

a

b

n

a

f

a

b

a

f

a

b

a

f

a

f

b

f

.

Ostatni   składnik   sumy   występującej   w   powyższym   wzorze   oznaczać   będziemy   jako

n

  i

nazywać resztą w postaci Lagrange’a. Tak więc 

 

 

1

1

!

1

n

n

n

n

a

b

n

c

f

R

Wniosek. Dla 

1

n

 otrzymujemy twierdzenie Lagrange’a.

Uwaga    Wzory   twierdzeń   o   wartości   średniej   i   wzór   Taylora   są   prawdziwe   również   w
przypadku, gdy 

a

b

 .

Wniosek. Jeśli we wzorze Taylora przyjmiemy 

x

b

a

 ,

0

, to otrzymujemy wzór Maclaurina

 

1

1

)

(

2

!

1

)!

(

)

0

(

...

!

2

)

0

(

''

!

1

)

0

(

'

)

0

(

)

(

n

n

n

n

n

x

n

c

f

x

n

f

x

f

x

f

f

x

f

.

Twierdzenie. 
Załóżmy, że funkcja  ma pochodną dowolnego rzędu   w przedziale 

 

b

a, . Jeśli 

0

lim

n

n

R

, to 

0

)

(

)

(

!

)

(

)

(

n

n

n

a

b

n

a

f

b

f

.

16

background image

Uwaga

  

.   Założenie istnienia pochodnych dowolnego rzędu  nie wystarcza do udowodnienia

powyższego   wzoru   nawet   wtedy,   gdy   wzbogacić   je   założeniem   zbieżności   szeregu

0

)

(

)

(

!

)

(

n

n

n

a

b

n

a

f

.

Wniosek. Załóżmy, że funkcja   ma pochodną dowolnego rzędu     w przedziale pomiędzy

liczbami 

0

i  . Jeśli 

0

lim

n

n

R

, to 

0

)

(

!

)

0

(

)

(

n

n

n

x

n

f

x

f

Twierdzenie. 

Jeśli  

0

)

(

n

n

n

x

a

x

f

,   to  

f

ma   pochodną   dowolnego   rzędu   w   każdym   punkcie  

0

x

położonym   wewnątrz   przedziału   zbieżności   szeregu

 

0

n

n

n

x

a

przy   czym

 

 

 

k

n

n

k

n

k

x

a

k

n

n

n

x

f

0

0

1

1

 dla 

2

,

1

k

   , oraz 

 

 

!

0

n

f

a

n

n

 dla. 

2

,

1

,

0

n

.

Twierdzenie  (o różniczkowaniu ciągu funkcyjnego) 
Załóżmy, że 

 

N

n

n

f

 jest ciągiem funkcyjnym złożonym z funkcji mających ciągłe pochodne

na przedziale 

 

b

a, . Jeśli 

 

f

f

b

a

n

,

 , oraz  

n

f

 

b

a,

g

, to   jest różniczkowalna na 

 

b

a, , przy

czym 

 

g

f

b

a,

'

 .

Załóżmy teraz, że funkcja jest określona w pewnym otoczeniu punktu 

0

.

Definicja. 
Funkcja   f osiąga w punkcie 

0

 maksimum (minimum) lokalne, jeżeli 

 

 

 

x

f

x

f

x

S

U

0

U

x

 

0

(

 

 

 

x

f

x

f

x

S

U

0

U

x

 

0

).

Definicja.
  Funkcja    f  osiąga   w   punkcie  

0

  maksimum   (minimum)   lokalne   właściwe,   jeżeli

 

 

 

x

f

x

f

x

S

U

0

U

x

 

0

 (

 

 

 

x

f

x

f

x

S

U

0

U

x

 

0

).

Maksima i minima funkcji nazywamy ekstremami tej funkcji.

Twierdzenie Fermata. (warunek konieczny istnienia ekstremum). 
Jeżeli   funkcja  f  ma   ekstremum   lokalne   w   punkcie  

0

  oraz   jest   różniczkowalna   w   tym

punkcie, to 

0

)

(

'

0

x

f

.

Twierdzenie. ( I warunek wystarczający istnienia ekstremum lokalnego . 
Załóżmy,   że  

 

 

0

0

,

,

,

x

S

V

x

S

U

Df

V

U

.   Przyjmijmy,   że   jest   ciągła   na

 

0

x

V

U

  i różniczkowalna na  

V

U

 .   Jeśli  

 

 

0

'

0

'

v

f

u

f

V

v

U

u

  to   ma w

17

background image

punkcie  

0

minimum  właściwe. Jeśli  

 

 

0

'

0

'

v

f

u

f

V

v

U

u

  to   ma  w  punkcie  

0

x

maksimum właściwe.

Twierdzenie. (II warunek wystarczający). 
Jeżeli funkcja ma pochodną rzędu   w pewnym otoczeniu punktu

0

, ciągłą w punkcie 

0

,

oraz  

0

)

(

...

)

(

''

)

(

'

0

)

1

(

0

0

x

f

x

f

x

f

n

,  

0

)

(

0

)

(

x

f

n

,  to  w   przypadku  gdy  n  jest   liczbą

parzystą, funkcja  f  ma ekstremum lokalne w punkcie  

0

. Jest to maksimum właściwe, gdy

0

)

(

0

)

(

x

f

n

, zaś minimum właściwe, gdy 

0

)

(

0

)

(

x

f

n

. Jeśli n jest liczbą nieparzystą, to f nie

ma ekstremum lokalnego w punkcie 

0

.

Definicja ekstremum absolutnego. 
Niech 

R

A

 i  niech   będzie funkcją rzeczywistą taka, że 

Df

A

. Mówimy, że  osiąga

w punkcie 

A

x

0

 maksimum (minimum) absolutne na zbiorze A, jeżeli 

)

(

)

(

)

(

)

(

0

0

x

f

x

f

A

x

x

f

x

f

A

x

Twierdzenie 
Niech  będzie ciągła w przedziale 

 

b

a,  i różniczkowalna w 

 

b

a, . Funkcja  osiąga w tym

przedziale swoje ekstrema absolutne w punktach zbioru 

 

   

0

'

:

,

,

x

f

b

a

x

b

a

Definicja. 
Załóżmy, że   jest funkcją różniczkowalną w punkcie

0

. Funkcję     nazywamy wypukłą

(wklęsłą)   w   punkcie

 

0

jeśli

 

 

 

 

 

0

0

0

U

x

'

 

0

x

x

x

f

x

f

x

f

x

S

U

 

(

 

 

 

 

0

0

0

U

x

'

 

0

x

x

x

f

x

f

x

f

x

S

U

).   Funkcję     nazywamy   wypukłą   (wklęsłą)   na

przedziale 

 

b

a, ,  gdy jest wypukła (wklęsła) w każdym punkcie tego przedziału.

Twierdzenie (warunek wystarczający wypukłości (wklęsłości)) 

Załóżmy, że istnieje druga pochodna funkcji  w przedziale 

 

b

a, . Jeśli 

0

)

(

''

)

,

(

x

f

b

a

x

   (

0

)

(

''

)

,

(

x

f

b

a

x

) to funkcja  jest wypukła (wklęsła) na 

 

b

a, .

Definicja punktu przegięcia 
Mówimy, że funkcja ciągła w punkcie 

0

 ma w punkcie 

0

punkt przegięcia, jeśli funkcja ta

jest wypukła (wklęsła) na pewnym lewostronnym sąsiedztwie punktu 

0

i wklęsła (wypukła)

na pewnym prawostronnym sąsiedztwie punktu 

0

.

Twierdzenie (warunek konieczny istnienia punktu przegięcia ) 
Jeśli funkcja  ma  pochodną rzędu drugiego w pewnym otoczeniu punktu 

0

ciągłą w 

0

 i

0

 jest punktem przegięcia funkcji  to 

 

0

''

0

x

f

.

18

background image

Twierdzenie ( I warunek wystarczający 

  

istnienia punktu przegięcia).

  

 

  Załóżmy, że  

 

 

0

0

,

,

,

x

S

V

x

S

U

Df

V

U

. Przyjmijmy, że   ma pochodną rzędu

pierwszego   na  

 

0

x

V

U

  i   pochodną   rzędu   drugiego   na  

V

U

 .     Jeśli

 

 

0

''

0

''

v

f

u

f

V

v

U

u

 lub 

 

 

0

''

0

''

v

f

u

f

V

v

U

u

 to  ma w punkcie 

0

punkt

przegięcia.

 Twierdzenie. (II warunek wystarczający istnienia punktu przegięcia 
Jeżeli funkcja  ma pochodną rzędu   w  pewnym otoczeniu punktu

0

, ciągłą w punkcie 

0

,

oraz  

0

)

(

...

)

(

''

)

(

'

0

)

1

(

0

0

x

f

x

f

x

f

n

,  

0

)

(

0

)

(

x

f

n

,  to  w   przypadku  gdy  n  jest   liczbą

nieparzystą, funkcja f ma w punkcie 

0

punkt przegięcia.. Jeśli n jest liczbą parzystą, to  f nie

ma punktu przegięcia w punkcie 

0

.

Definicja asymptoty pionowej  
Załóżmy, że  jest funkcją  określoną na pewnym sąsiedztwie punktu

0

. Prostą o równaniu

0

x

x

 nazywamy asymptotą pionową funkcji  gdy 

 

 





x

f

x

f

x

x

x

x

0

0

lim

lim

.

Definicja asymptoty ukosnej

  Załóżmy, że   jest  funkcją określoną na pewnym przedziale  

  

)

,

(

,

b

a

. Prostą  o

równaniu  

n

mx

y

  nazywamy   asymptotą   ukośną   w   minus   nieskończoności   (plus

nieskończoności) funkcji  gdy 

 

0

lim



n

mx

x

f

x

 (

 

0

lim



n

mx

x

f

x

).

Twierdzenie o współczynnikach asymptoty ukośnej 
Prosta o równaniu  

n

mx

y

  jest asymptotą ukośną funkcji     w minus nieskończoności

(plus   nieskończoności)   wtedy   i   tylko   wtedy   gdy  

 

 

mx

x

f

n

x

x

f

m

x

x





lim

lim

    (

 

 

mx

x

f

n

x

x

f

m

x

x





lim

lim

Definicja (funkcji pierwotnej).
Funkcję F nazywamy funkcją pierwotną funkcji f na przedziale I, jeśli

)

(

)

(

'

x

f

x

F

I

x

Gdy I   jest   przedziałem  domkniętym  (I=[a,b])  lub  jednostronnie  domkniętym  (I=[a,b)   lub  I=(a,b]),  to   przez
pochodną funkcji w punktach a i b należy rozumieć pochodną jednostronną, odpowiednio F’

+

(a) i F’

-

(b).

Twierdzenie (Podstawowe własności funkcji pierwotnych)
Niech F będzie funkcją pierwotną funkcji f na przedziale I. Wówczas

(1) każda funkcja postaci F(x)+C, gdzie C=const, jest również funkcją pierwotną funkcji f
(2) jeśli ponadto funkcja G jest też funkcja pierwotną funkcji f na przedziale I, to G=F+C na przedziale I,

gdzie C=const.

Uwaga:
Z powyższego twierdzenia wynika, że funkcje pierwotne funkcji f na przedziale I mają postać:
(*)  F(x)+C

gdzie c

R i F jest pewną funkcją pierwotną funkcji f na przedziale I 

oraz tylko funkcje postaci (*) są funkcjami pierwotnymi funkcji f na przedziale I.

Definicja (całki nieoznaczonej).
Niech  F  będzie   funkcja   pierwotną  funkcji   f  na  przedziale   I.  Całką   nieoznaczoną   funkcji   f  na  przedziale  I
nazywamy zbiór funkcji:

19

background image

{F(x)+C: C

R}

i oznaczamy 

dx

x

f

)

(

.

Uwaga

Działania   i   operacje   na   całkach   nieoznaczonych   oznaczają   działania   i   operacje   na   funkcjach   pierwotnych
reprezentujących   te   całki.   Jeśli   F   jest   pewną   funkcją   pierwotną   funkcji   f   na   przedziale   I,   to   zapisujemy

C

x

F

dx

x

f

)

(

)

(

, gdzie C

R.

Bezpośrednio z definicji całki nieoznaczonej wynikają następujące

Wnioski:
Niech funkcja f ma funkcję pierwotną na przedziale I. Wtedy:

(1) 

 

 

x

f

dx

x

f

I

X

x

(2) 

 

R

c

c

x

f

dx

x

f

X

x

,

)

(

'

Twierdzenie

Niech dany będzie punkt x

0

  wewnątrz przedziału I i niech dana będzie dowolna liczba y

0

R. Jeśli funkcja f

posiada funkcję pierwotną w przedziale I, to istnieje tylko jedna funkcja pierwotna F taka, że F(x

0

)=y

0

.

Uwaga:
Geometrycznie twierdzenie to oznacza, że przez każdy punkt płaszczyzny o odciętej x

I przechodzi krzywa

całkowa (tzn. wykres funkcji pierwotnej). Ponieważ krzywe całkowe są do siebie równoległe, więc przez każdy
punkt płaszczyzny przechodzić może tylko jedna krzywa całkowa danej funkcji f.

Bezpośrednio z definicji całki nieoznaczonej wynikają następujące wzory na całki nieoznaczone ważniejszych
funkcji elementarnych:

 

 

R

x

c

e

dx

e

x

x

c

x

dx

x

c

x

dx

x

R

x

c

dx

x

x

)

4

(

,

0

0

,

ln

1

)

3

(

1

,

1

1

)

2

(

,

0

)

1

(

1

 
 

 

 

Z

k

k

k

x

c

tgx

dx

x

Z

k

k

k

x

c

ctgx

dx

x

R

x

c

x

xdx

R

x

c

x

xdx

,

,

cos

1

8

,

)

1

(

,

sin

1

7

sin

cos

6

cos

sin

5

2

2

2

2

 

 

1

arcsin

1

10

1

9

2

2

x

c

x

x

dx

R

x

c

arctgx

x

dx

20

background image

 
 

 

 

R

x

c

thx

dx

x

ch

x

c

cthx

dx

x

sh

R

x

c

shx

chxdx

R

x

c

chx

shxdx

2

2

1

14

0

1

13

12

11

Twierdzenie (o liniowości całki nieoznaczonej)
Jeżeli funkcje f i g mają funkcje pierwotne na przedziale I, to:

(1)

dx

x

g

dx

x

f

dx

x

g

x

f

)

(

)

(

)

(

)

(

(2)

dx

x

f

c

dx

x

f

c

)

(

)

(

Twierdzenie (o całkowaniu granicy ciągu funkcyjnego)
Jeżeli funkcje f

n

 są ciągłe i posiadają funkcje pierwotne w przedziale I oraz ciąg {f

n

} jest jednostajnie zbieżny do

funkcji f na przedziale I, to funkcja f również posiada funkcję pierwotną i zachodzi równość

dx

x

f

dx

x

f

n

n

)

(

lim

)

(

Korzystając z powyższego twierdzenia dowodzi się
Twierdzenie (warunek wystarczający istnienia funkcji pierwotnej)
Każda funkcja ciągła na przedziale I posiada w tym przedziale funkcję pierwotną

Twierdzenie (o całkowaniu szeregu funkcyjnego)

Jeżeli funkcje f

n

 są ciągłe i posiadają funkcje pierwotne w przedziale I oraz szereg funkcyjny 

1

)

(

n

n

dx

x

f

 jest

jednostajnie zbieżny do funkcji f na przedziale I, to funkcja f również posiada funkcję pierwotną i zachodzi
równość:



1

)

(

)

(

n

n

dx

x

f

dx

x

f

Twierdzenie (o całkowaniu przez części)
Jeżeli funkcje f i g mają ciągłe pochodne, to 

dx

x

g

x

f

x

g

x

f

dx

x

g

x

f

)

(

)

(

'

)

(

)

(

)

(

'

)

(

Twierdzenie (o całkowaniu przez podstawienie)
Jeżeli :

1) funkcja f: I

R jest ciągła na przedziale I

2)

funkcja 

I

J

h

na

:

 ma ciągłą pochodną na przedziale 

J

to    

 

 

)

(

)

(

)

(

'

)

(

t

h

F

dx

x

f

dt

t

h

t

h

f

+c   ,  gdzie  F   jest  dowolną  funkcją   pierwotną

funkcji f oraz c

R.

Definicja (całki oznaczonej Riemanna).
Niech f będzie funkcją ograniczoną na przedziale [a,b] i niech zbiór P

n

={x

0

, x

1

,…, x

n

}

oznacza podział odcinka [a,b] na n części, przy czym a=

 x

0

< x

1

<…< x

n

=b. Niech 

21

background image

x

k

=x

k

-x

k-1

 oznacza długość k-tego odcinka podziału P

n

, gdzie 1

kn oraz (P

n

)=max{

x

k

:

1

kn} oznacza średnicę podziału P

n

, zaś 

x

k

*

[

 x

k-1

, x

k

] oznacza punkt pośredni k-tego odcinka

podziału P

n

, gdzie 1

kn.

Sumą całkową funkcji f na przedziale [a,b] odpowiadającą podziałowi P

n

  oraz punktom pośrednim  

x

k

*

  tego

podziału gdzie 

1

kn, nazywamy liczbę

k

n

k

k

def

n

n

x

x

f

P

f

S

)

(

,

1

*

.

Całkę oznaczoną Riemanna z funkcji f na przedziale [a,b] definiujemy wzorem;

 

),

,

(

lim

)

(

0

n

n

P

def

P

f

S

dx

x

f

n

o ile istnieje granica właściwa występująca po prawej stronie znaku równości oraz granica ta nie zależy od
sposobu podziałów P

n

 przedziału [a,b] ani od sposobu wyboru punktów pośrednich 

x

k

*

, gdzie 

1

kn. Ponadto

przyjmujemy  

b

a

a

b

a

a

def

dx

x

f

dx

x

f

oraz

dx

x

f

)

(

)

(

0

)

(

    dla a<b.

Funkcję, dla której istnieje całka oznaczona Riemanna na [a,b] nazywamy funkcją całkowalną na [a,b].

Uwaga

Każda   funkcja   całkowalna   jest   ograniczona,   ale   nie   każda   funkcja   ograniczona   na   przedziale   jest   na   nim
całkowalna np. funkcja Dirichleta na przedziale [0,1].

Twierdzenia o funkcjach całkowalnych w sensie (R)

Twierdzenie 1

Jeżeli funkcja f jest całkowalna na przedziale I=[a,b], to jest również całkowalna na każdym podprzedziale [c,d]
I.

Twierdzenie 2

Jeśli f jest całkowalna na przedziale I, zaś 

 jest funkcją ciągłą, to funkcja f jest całkowalna na I.

Twierdzenie 3.
Jeśli a=t

0

< t

1

<… t

n-1

< t

n

=b oraz f jest całkowalna na każdym przedziale [t

i

,t

i+1

], i

{0,…,n-1}, to f jest całkowalna

na [a,b].

Twierdzenie 4 (warunek wystarczający całkowalności)
Jeśli funkcja f jest ograniczona na przedziale [a,b] i ma na tym przedziale skończoną liczbę punktów nieciągłości
I rodzaju, to jest na nim całkowalna.

Uwaga *

Z powyższego twierdzenia wynika, że funkcja ciągła na przedziale jest na nim całkowalna. Z drugiej strony
funkcja całkowalna na przedziale może mieć nieskończenie wiele punktów nieciągłości.

Twierdzenie 5

Jeśli funkcja f jest monotoniczna i ograniczona na przedziale [a,b], to jest całkowalna na [a,b].

Twierdzenie 6 (Newtona - Leibnitza, I podstawowe twierdzenie rachunku całkowego)

Jeśli funkcja f jest ciągła na przedziale [a,b], to 

b

a

a

F

b

F

dx

x

f

)

(

)

(

)

(

, gdzie F oznacza dowolną funkcję

pierwotną funkcji f na tym przedziale. Różnicę F(b)-F(a) oznaczamy 

b

a

x

)

(

.

22

background image

Twierdzenie 7 (o liniowości całki oznaczonej)
Jeżeli funkcja f i g są całkowalne na przedziale [a,b], to

1)

b

a

b

a

b

a

dx

x

g

dx

x

f

dx

x

g

x

f

)

(

)

(

)

(

)

(

2)

,

)

(

)

(

b

a

b

a

dx

x

f

c

dx

x

cf

 gdzie c

R

Twierdzenie 8 (o całkowaniu przez części)
Jeżeli funkcje f i g mają ciągłe pochodne na przedziale [a,b], to

b

a

b

a

b

a

dx

x

g

x

f

x

g

x

f

dx

x

g

x

f

)

(

)

(

'

)

(

)

(

)

(

'

)

(

Twierdzenie 9 (o całkowaniu przez podstawienie)
Jeżeli:

1) funkcja 

   

b

a

na

,

,

:

 ma ciągłą pochodną na przedziale [

,]

2)

()=a, ()=b,

3) funkcja f jest ciągła na [a,b],

wówczas  

dt

t

t

f

dx

x

f

b

a

)

(

'

)

(

)

(

.

Twierdzenie 10 (o równości całek)
Niech funkcja f będzie  całkowalna na przedziale [a,b]  oraz niech funkcja g różni się od funkcji f tylko w
skończonej liczbie punktów tego przedziału. Wtedy funkcja g także jest całkowalna na przedziale [a,b] oraz

b

a

b

a

dx

x

f

dx

x

g

)

(

)

(

.

Twierdzenie 11 (addytywność całki względem przedziału całkowania)
Jeżeli funkcja f jest całkowalna na przedziale [a,b] oraz c

(a,b), to

b

c

c

a

b

a

dx

x

f

dx

x

f

dx

x

f

)

(

)

(

)

(

Twierdzenie 12 (o zachowaniu nierówności przy całkowaniu)
Jeżeli funkcja f i g spełniają warunki:

1) są całkowalne na przedziale [a,b],

2)

 

),

(

]

,

[

x

g

x

f

b

a

x

to     

b

a

b

a

dx

x

g

dx

x

f

)

(

)

(

Uwaga

Jeżeli nierówność w założeniu twierdzenia jest ostra, to także nierówność w tezie jest ostra.

Twierdzenie 13 (o całce funkcji nieparzystej, parzystej i okresowej)
Jeżeli funkcja f jest całkowalna oraz

1) jest nieparzysta, to 

a

a

dx

x

f

0

)

(

;

23

background image

2) jest parzysta, to 

a

a

a

dx

x

f

dx

x

f

0

)

(

2

)

(

;

3) ma okres T, to 

T

a

a

T

dx

x

f

dx

x

f

0

)

(

)

(

.

Twierdzenie 14

Jeżeli f jest całkowalna na przedziale [a,b] oraz istnieją liczby m, M

R takie, że

 

,

]

,

[

M

x

f

m

b

a

x

wówczas    

b

a

a

b

M

dx

x

f

a

b

m

)

(

.

Definicja (wartości średniej funkcji)
Niech f będzie całkowalną na przedziale [a,b]. Wartością średnią funkcji f na przedziale [a,b] nazywamy liczbę

b

a

a

b

df

śr

dx

x

f

f

)

(

1

.

Twierdzenie 15 (całkowe o wartości średniej funkcji)
Jeżeli f jest ciągła na przedziale [a,b], to

b

a

śr

b

a

c

c

f

a

b

dx

x

f

tzn

c

f

f

)

(

)

(

.

),

(

]

,

[

.

Twierdzenie 16 (nierówność Schwartza)
Jeśli f i g są całkowalne na przedziale [a,b], to





b

a

b

a

b

a

dx

x

g

dx

x

f

dx

x

g

x

f

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

2

Definicja (funkcji górnej granicy całkowania)

Niech funkcja f będzie całkowalna na przedziale [a,b] oraz niech c

[a,b]. Funkcję 

x

c

dt

t

f

x

F

)

(

)

(

,  gdzie x

[a,b], nazywamy funkcja górnej granicy całkowania.

Twierdzenie 17 (o ciągłości funkcji górnej granicy całkowania)

Jeżeli funkcja f jest całkowalna na przedziale [a,b] i c

[a,b], to funkcja 

x

c

dt

t

f

x

F

)

(

)

(

, gdzie x

[a,b] jest

ciągła na przedziale [a,b].

Twierdzenie 18 (II główne twierdzenie rachunku całkowego)

Jeżeli funkcja f jest całkowalna na przedziale [a,b] oraz ciągła w punkcie x

0

[a,b], to funkcja 

x

c

dt

t

f

x

F

)

(

)

(

, gdzie c

[a,b], ma pochodną właściwą w punkcie x

0

 oraz 

)

(

)

(

'

0

0

x

f

x

F

.

Uwaga

Jeżeli funkcja f jest ciągła na przedziale [a,b], to jej funkcja górnej granicy całkowania F jest funkcją pierwotną
funkcji f.

Twierdzenie 19 (O całkowaniu ciągu funkcyjnego)

24

background image

Jeżeli ciąg {f

n

}

n

N

 funkcji ciągłych na przedziale [a,b] jest zbieżny jednostajnie do funkcji f na [a,b], to 

b

a

n

b

a

n

dx

x

f

dx

x

f

)

(

lim

)

(

Twierdzenie 20 (O całkowaniu szeregu funkcyjnego)

Jeżeli funkcje f

n

, dla n=1, 2, …, są ciągłe na przedziale [a,b] i szereg  

1

)

(

n

n

x

f

 jest zbieżny jednostajnie do

funkcji f na [a,b], to

dx

x

f

dx

x

f

n

b

a

n

b

a

n

n



 

1

1

)

(

)

(

Z powyższego twierdzenia jako bezpośredni wniosek mamy
Twierdzenie 21 (O całkowaniu szeregów potęgowych)

Niech   0<R

+  będzie   promieniem   zbieżności   szeregu   potęgowego  

n

n

n

x

x

a

0

0

,   wówczas

dx

x

x

a

n

n

t

n

 

0 0

0

 ma ten sam promień zbieżności R oraz

1

0

0

0 0

0

0

0

0

1





n

n

n

n

n

t

n

t

n

n

n

x

t

n

a

dx

x

x

a

dx

x

x

a

dla każdego t

(x

0

-R, x

0

+R).

Zastosowania geometryczne całki oznaczonej.

1) Pole figury płaskiej

Twierdzenie 1

Niech krzywa AB będzie określona równaniem y=f(x) dla x

[a,b], gdzie f jest funkcją dodatnią i ciągłą w

przedziale [a,b]. Wtedy pole 

P trapezu krzywoliniowego ograniczonego krzywa AB z góry oraz prostymi y=0,

x=a, x=b, wyraża się wzorem:

b

a

dx

x

f

P

)

(

.

Wniosek 1

Jeżeli  krzywa AB ograniczająca  z góry trapez  krzywoliniowy P  opisany w twierdzeniu 1 jest  określona za
pomocą równań parametrycznych:
(*) 

 

,

),

(

),

(

t

t

y

y

t

x

x

gdzie x=a dla t=

, x=b dla t=, funkcje x i y mają ciągłe pochodne i y jest dodatnia w przedziale [,], zaś

krzywa AB nie ma punktów wielokrotnych, wówczas pole trapezu krzywoliniowego P wyraża się wzorem:

dt

t

x

t

y

P

)

(

'

)

(

.

Wniosek 2

Jeżeli trapez krzywoliniowy P określony jest następująco:

 

)

(

)

(

:

,

2

1

2

x

f

y

x

f

b

x

a

R

y

x

P

25

background image

gdzie funkcje f

1

  i f

2

  są ciągłe na przedziale [a,b]  oraz  f

1

(x)

f

2

(x) dla każdego x

[a,b], wtedy pole trapezu

krzywoliniowego wyraża się wzorem:

dx

x

f

x

f

P

b

a

)

(

)

(

1

2

.

Twierdzenie 2

Niech AOB będzie wycinkiem ograniczonym krzywa AB i dwoma promieniami Oa i OB. (z których każdy może
być punktem) i niech krzywa AB będzie określona równaniem biegunowym:

 

2

1

 g

r

gdzie g jest funkcją ciągłą i dodatnią w przedziale 

 

2

1

. Wtedy pole 

P wycinka AOB wyraża się wzorem:

d

a

g

P

2

2

1

2

1

)

(

.

Wniosek 3 

Jeśli krzywa AB jest określona równaniami parametrycznymi (*) i spełnia założenia z wniosku 1, wówczas pole
wycinka AOB wyraża się wzorem:

dt

t

y

t

x

t

y

t

x

P

)

(

)

(

'

)

(

'

)

(

2

1

.

2) Długość łuku krzywej

Twierdzenie 3

Jeżeli łuk l dany jest równaniami parametrycznymi:

 

,

),

(

),

(

t

t

y

y

t

x

x

przy czym nie ma punktów wielokrotnych oraz funkcje x i y posiadają ciągłe pochodne na przedziale [

,], to

długość 

l łuku l wyraża się wzorem:

 

dt

t

y

t

x

l

2

2

)

(

'

)

(

'

.

Twierdzenie 4

Jeżeli łuk l dany jest równaniem jawnym 

 

b

a

x

x

f

y

,

),

(

, gdzie f jest funkcją posiadającą ciągłą

pochodną na przedziale [a,b], wówczas długość 

l tego łuku wyraża się wzorem:

dx

t

f

l

b

a

2

)

(

'

1

.

Twierdzenie 5

Jeżeli łuk l dany jest równaniem biegunowym  

 

2

1

,

,

 g

r

, gdzie g jest funkcją nieujemną

posiadającą ciągłą pochodną na przedziale 

2

1

,

, wówczas długość 

l łuku l wyraża się wzorem:

 

 

d

g

g

l

2

2

'

.

3) Objętość bryły obrotowej.
Twierdzenie 6 (objętość bryły)
Niech S(x), gdzie x

[a.b], oznacza pole przekroju bryły V płaszczyzną prostopadłą do osi OX w przestrzeni X

oraz niech S będzie funkcją ciągłą na przedziale [a,b]. Wtedy objętość bryły V wyraża się wzorem;

26

background image

b

a

dx

x

S

V

)

(

.

Twierdzenie 7 (objętość bryły obrotowej)
Niech 

 

 

x

f

y

b

x

a

R

y

x

D

0

:

,

2

, gdzie f jest funkcją ciągłą na przedziale [a,b], oznacza

trapez krzywoliniowy. Wtedy objętość bryły V powstałej z obrotu trapezu krzywoliniowego D wokół osi 0x
wyraża się wzorem:

b

a

dx

x

f

V

)

(

2

.

4) Pole powierzchni obrotowej.

Twierdzenie 8

Niech krzywa AB będzie dana równaniem 

 

]

,

[

,

b

a

x

x

f

y

, gdzie f jest funkcją nieujemną posiadającą

ciągłą pochodną na przedziale [a,b]. Wówczas pole powierzchni S powstałej w wyniku obrotu krzywej AB
dokoła osi Ox wyraża się wzorem:

b

a

dx

x

f

x

f

S

2

)

(

'

1

)

(

2

.

Twierdzenie 9

Niech krzywa AB będzie dana równaniami parametrycznymi: 

 

,

),

(

),

(

t

t

y

y

t

x

x

gdzie funkcje x i y posiadają ciągłe pochodne i y jest nieujemna na przedziale 

 

,

, oraz krzywa AB nie

posiada punktów wielokrotnych. Wówczas pole powierzchni S powstałej w wyniku obrotu krzywej AB wokół osi
Ox wyraża się wzorem:

 

b

a

dt

t

y

t

x

t

y

S

2

2

)

(

'

)

(

'

)

(

2

.

Całki niewłaściwe

W rozważaniach tego rozdziału będziemy zakładać, że wszystkie funkcje sa całkowalne na

dowolnym przedziale domkniętym zawartym w ich dziedzinie.

Definicja (całki niewłaściwej pierwszego rodzaju)
Niech   funkcja   f:   [a,   +

)  R.   Całką   niewłaściwą   pierwszego   rodzaju   z   funkcji   f   na   półprostej   [a, +)

definiujemy następująco:





a

def

a

dx

x

f

dx

x

f

)

(

lim

)

(

.

.

Jeżeli granica po prawej stronie znaku równości jest właściwa, to mówimy, że całka niewłaściwa z funkcji f na
[a, +

)jest zbieżna. Jeżeli granica ta jest równa + lub -, to mówimy, że całka jest rozbieżna odpowiednio do

+

 lub do -. W pozostałych przypadkach mówimy, że całka jest rozbieżna.

27

background image

Analogicznie   definiuje   się   całkę   niewłaściwą   pierwszego   rodzaju   z   funkcji   f   na   (-

,b],

a mianowicie:



b

def

b

dx

x

f

dx

x

f

)

(

lim

)

(

.

.

Niech f: R

R. Całkę niewłaściwą z funkcji f na prostej (-, +) definiujemy następująco:

a

a

def

dx

x

f

dx

x

f

dx

x

f

)

(

)

(

)

(

.

,

gdzie   a   oznacza   dowolną   liczbę   rzeczywistą.   Jeżeli   obie   całki   po   prawej   stronie   znaku

równości są zbieżne, to mówimy, że całka niewłaściwa z funkcji f na (-

, +) jest zbieżna.

Uwaga:

Zbieżność całki niewłaściwej na (-

, +) nie zależy od wyboru liczby a.

Wniosek:

Całka niewłaściwa postaci 



a

p

x

dx

, gdzie a>0, jest zbieżna dla p>1 i rozbieżna do +

 dla p1.

Analogiczny fakt jest prawdziwy dla całek  

b

p

x

dx

, gdzie b<0, o ile funkcja podcałkowa jest

poprawnie określona.

Kryteria zbieżności całek niewłaściwych pierwszego rodzaju

Twierdzenie 1 (Kryterium porównawcze)

Niech funkcje f i g spełniają warunek:

).

(

)

(

0

)

,

[

x

g

x

f

a

x



Wówczas:

1) jeśli całka 



a

dx

x

)

(

 jest zbieżna, to także całka 



a

dx

x

)

(

 jest zbieżna;

2) jeśli całka 



a

dx

x

)

(

 jest rozbieżna, to także całka 



a

dx

x

)

(

 jest rozbieżna.

Uwaga:

28

background image

Twierdzenie   to   zachodzi   także   dla   funkcji   f   i   g   niedodatnich.   Ponadto   prawdziwe   są

analogiczne twierdzenie dla całek niewłaściwych na półprostej (-

,b].

Twierdzenie 2 (Kryterium ilorazowe)

Niech   funkcje   f   i   g   będą   dodatnie   (ujemne)   na   półprostej   [a,   +

)   oraz   niech   spełniają

warunek:

k

x

g

x

f

x



)

(

)

(

lim

, gdzie 0<k<+

. Wówczas całki 



a

dx

x

)

(

 i 



a

dx

x

)

(

 są jednocześnie zbieżne

albo rozbieżne.

Definicja (zbieżności bezwzględnej całek niewłaściwych I rodzaju). 

Całka niewłaściwa pierwszego rodzaju z funkcji f jest zbieżna bezwzględnie, gdy zbieżna jest

całka niewłaściwa z funkcji 

f.

Twierdzenie 3 

Jeżeli całka niewłaściwa z funkcji f jest zbieżna bezwzględnie, to jest zbieżna. Ponadto

dx

x

f

dx

x

f

a

a





)

(

)

(

.

Definicja (całek niewłaściwych drugiego rodzaju)

Niech funkcja f: (a,b]

R będzie nieograniczona tylko na prawostronnym sąsiedztwie punktu

a. Całką niewłaściwą drugiego rodzaju z funkcji f na (a,b] definiujemy następująco:

b

a

def

b

a

dx

x

f

dx

x

f

)

(

lim

)

(

.

.

Jeżeli   granica   po   prawej   stronie   znaku   równości   jest   właściwa,   to   mówimy,   że   całka

niewłaściwa z funkcji  f na (a,b]  jest  zbieżna.  Jeżeli  granica ta jest równa  +

  lub -, to

mówimy, że całka jest rozbieżna odpowiednio do +

  lub -. W pozostałych przypadkach

mówimy, że całka jest rozbieżna.

Analogicznie   definiuje   się   całkę   niewłaściwa   drugiego   rodzaju   z   funkcji   f:{a,b)   i

nieograniczonej na lewostronnym sąsiedztwie punktu b:

a

b

def

b

a

dx

x

f

dx

x

f

)

(

lim

)

(

.

.

29

background image

Niech   funkcja   f:   [a,c)

(c,b]R   będzie   nieograniczona   tylko   na   obu   jednostronnych

sąsiedztwach punktu c. Całka niewłaściwą z funkcji f na [a,b] definiujemy następująco:

b

c

c

a

b

a

dx

x

f

dx

x

f

dx

x

f

)

(

)

(

)

(

.

Jeżeli   obie   całki   po   prawej   stronie   znaku   równości   są   zbieżne   to   mówimy,   że   całka

niewłaściwa z funkcji f na [a,b] jest zbieżna.

Analogicznie, jeśli f: (a,b)

R jest nieograniczona na prawostronnym sąsiedztwie punktu a i

na lewostronnym sąsiedztwie punktu b, to całkę niewłaściwą z funkcji f na (a,b) definiujemy

następująco:

,

)

(

)

(

)

(

b

d

d

a

b

a

dx

x

f

dx

x

f

dx

x

f

gdzie   d   jest   dowolnym   punktem   przedziału   (a,b),   przy  czym   zbieżność   powyższej   całki

niewłaściwej nie zależy od wyboru punktu d.

Uwaga 1

Dla   całek   niewłaściwych   drugiego   rodzaju   (analogicznie   jak   dla   całek   niewłaściwych

pierwszego rodzaju) całka niewłaściwa postaci

b

p

x

dx

0

,    gdzie b>0

jest zbieżna dla p<1 i rozbieżna do +

 dla p1.

Uwaga 2

Dla   całek   niewłaściwych   drugiego   rodzaju   z   funkcji   f   na   przedziale   (a,b]   (   lub   [a,b)   )

prawdziwe   są   kryteria   zbieżności   porównawcze   i   ilorazowe   analogiczne   jak   dla   całek

pierwszego rodzaju w twierdzeniach 1 i 2.

Twierdzenie 4 (Kryterium całkowe zbieżności szeregów)

Niech funkcja f: [n

0

, +

)[0, +), gdzie n

0

N, będzie nierosnąca. Wówczas 



0

)

(

n

n

n

f

 i całka

niewłaściwa 



0

)

(

n

dx

x

f

 są jednocześnie zbieżne albo rozbieżne.

30

background image

Wiadomości uzupełniające.

1) Szeregi Taylora i Maclaurina

Definicja (Szeregu Taylora)

Niech funkcja f ma w punkcie x

0

 pochodne dowolnego rzędu. Szereg potęgowy

 

n

n

x

x

n

x

f

0

0

!

)

(

nazywamy szeregiem Taylora funkcji f o środku w punkcie x

0

. Jeżeli x

0

=0, to szereg ten

nazywamy szeregiem Maclaurina funkcji f.

Uwaga

Ze zbieżności szeregu Maclaurina funkcji f wynika, że jego suma jest równa tej funkcji.

Twierdzenie (O rozwijaniu funkcji w szereg Taylora).

Jeżeli:

(1) funkcja f ma w otoczeniu U(x

0

) pochodne dowolnego rzędu,

(2) dla każdego x

U(x

0

)  

0

)

(

lim

x

R

n

n

, gdzie 

 

 

n

n

n

x

x

n

c

f

c

R

0

!

)

(

oznacza n-tą resztę we wzorze Taylora dla funkcji f.

Wówczas:

 

 

0

0

0

!

)

(

n

n

n

x

x

n

x

f

x

f

 dla każdego x

U(x

0

).

Uwaga

Zamiast założenia (20 można przyjąć:

(2’) wszystkie pochodne funkcji f są wspólnie ograniczone, tzn.

 

 

.

)

(

)

(

0

0

0

M

x

f

n

x

U

x

N

n

xM

31

background image

Twierdzenie (O jednoznaczności rozwinięcia funkcji w szereg potęgowy)

Jeżeli  

0

0

)

(

n

n

n

x

x

a

x

f

  dla   każdego   x   z   pewnego   otoczenia   U(x

0

),   to  

 

 

!

0

n

x

f

a

n

n

dla n=0,1,2,…

2) Ciągi i szeregi ortogonalne

Niech V={f:[a,b]

R; f-całkowalna w sensie Riemanna na [a,b]}. V jest przestrzenią liniową

nad ciałem liczb rzeczywistych z dodawaniem funkcji i mnożeniem funkcji przez liczbę. W

przestrzeni V określamy iloczyn skalarny następująco:

b

a

V

g

f

dx

x

g

x

f

g

f

)

(

)

(

,

,

;

oraz określamy normę kwadratową funkcji f:

f

f

f

V

f

,

.

Definicja 

Ci g funkcyjny {f

ą

n

}

n

N

 nazywamy ortogonalnym na [a,b], je eli (f

ż

n

,f

m

)=0 dla n

m i 

0

f

 dla

wszystkich n.

Definicja

Je eli {c

ż

n

}

n

N

  jest ci giem liczbowym, za  {f

ą

ś

n

}

n

N

  jest ci giem funkcyjnym ortogonalnym w

ą

przedziale [a,b], to szereg funkcyjny 



0

)

(

n

n

n

x

f

c

 nazywamy szeregiem ortogonalnym.

Twierdzenie (O szeregu ortogonalnym)

Jeżeli szereg ortogonalny 



0

)

(

n

n

n

x

f

c

 jest jednostajnie zbieżny do funkcji f w przedziale [a,b]

i funkcja ta jest całkowalna na [a,b], to współczynniki c

n

 wyrażają się wzorami:

2

,

n

n

n

f

f

f

c

Uwaga

32

background image

Dla każdego ciągu ortogonalnego w przedziale [a,b] i funkcji f całkowalnej w tym przedziale

istnieje więc co najwyżej jeden taki szeteg ortogonalny, który jest jednocześnie zbieżny w tym

przedziale   do   funkcji   f.   Jeżeli   taki   szereg   istnieje,   to   jest   nim   szereg  



0

n

n

n

f

c

,   gdzie

2

,

n

n

n

f

f

f

c

.

Liczby   c

n

  okre lone  powy szymi   wzorami   nazywamy  

ś

ż

wspó czynnikami   Fouriera   funkcji   f

ł

wzgl dem ci gu {f

ę

ą

n

}

n

N

.

3) Szereg trygonometryczny Fouriera

Lemat

Ciąg funkcyjny {

n

}

n

N

 okre lony nast puj co:

ś

ę

ą

 

 

 

,...

2

,

1

cos

sin

1

1

2

2

0

n

x

x

x

l

x

n

n

l

x

n

n

gdzie l>0, jest ciągiem funkcji okresowych o okresie 2l, ortogonalnych w przedziale [-l,l]

(ogólniej: w każdym przedziale [a, 2l+a] ), przy czym 

l

2

2

0

l

n

2

.

Wniosek

Współczynniki Fouriera funkcji f(x) w przedziale [a, 2l+a] względem ciągu ortogonalnego

{

n

}

n

N

 wyra aj  si  nast puj co:

ż ą ę

ę

ą

a

l

a

n

n

n

a

l

a

n

n

n

a

l

a

dx

l

x

n

x

f

l

f

c

dx

l

x

n

x

f

l

f

c

dx

x

f

l

f

c

2

2

1

2

1

2

1

2

2

2

2

2

2

2

2

0

0

0

cos

)

(

1

,

sin

)

(

1

,

)

(

2

1

,

Definicja (Szeregu trygonometrycznego Fouriera)

Szereg   Fouriera   funkcji   f(x)   względem   ciągu   ortogonalnego  {

n

}

n

N

  w   przedziale   [-l,   l]

zapisujemy tradycyjnie:

33

background image

1

0

sin

cos

2

n

n

n

l

x

n

b

l

x

n

a

a

,

gdzie   a

0

=c

0

,   a

n

=c

2n-1

,   b

n

=c

2n

  określone   są   wzorami   z   powyższego   wniosku.   Szereg   ten

nazywamy   trygonometrycznym   szeregiem   Fouriera   funkcji   f(x)   w   przedziale   [-l,   l]   i

zapisujemy

f(x)~

1

0

sin

cos

2

n

n

n

l

x

n

b

l

x

n

a

a

Uwaga

Wychodząc   od   dowolnej   funkcji   całkowalnej   f(x)   i   określając   współczynniki   a

0

,   a

n

,   b

n

wzorami Fouriera nie otrzymujemy na ogół w powyższym wyrażeniu równości. Funkcja musi

spełniać dość silne warunki, aby równość zachodziła.

Definicja 

Mówimy, że funkcja f(x) spełnia w przedziale [a,b] warunki Dirichleta, jeżeli:

(1) f(x) jest przedziałami monotoniczna w (a,b)
(2) f(x) jest ciągła w przedziale (a,b), z wyjątkiem co najwyżej skończonej liczby punktów

nieciągłości pierwszego rodzaju (tzn. istnieją skończone granice jednostronne w tych
punktach), przy czym w każdym punkcie nieciągłości x

0

 spełniony jest warunek:

 

)

(

)

(

0

0

2

1

0

x

f

x

f

x

f

, gdzie 

)

(

lim

)

(

0

.

0

x

f

x

f

x

x

def

  i  

)

(

lim

)

(

0

.

0

x

f

x

f

x

x

def

(3) w końcach przedziału [a,b] zachodzą równości:

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

b

f

a

f

b

f

a

f

.

Uwaga:

Jest wiadome, że funkcja spełniająca warunki Dirichleta w przedziale [a,b] jest całkowalna w

sensie Riemanna w [a,b].

Twierdzenie (Dirichleta)

Jeżeli funkcja f(x) spełnia w przedziale [a, 2l+a] warunki Dirichleta, to jest rozwijalna w tym

przedziale w szereg trygonometryczny Fouriera

1

0

sin

cos

2

)

(

n

n

n

l

x

n

b

l

x

n

a

a

x

f

34

background image

dla  x

[a, 2l+a] o współczynnikach zadanych wzorami z wniosku powyżej. Jeśli ponadto

funkcja  f(x) jest okresowa  o  okresie  2l, to  równość powyższa  zachodzi   dla każdego  x  z

dziedziny funkcji.

Uwaga

Jeśli funkcja f(x) spełniająca w przedziale [-l, l] warunki Dirichleta jest parzysta, to rozwija

się w szereg Fouriera postaci:

1

0

cos

2

)

(

n

n

l

x

n

a

a

x

f

.

Jeśli natomiast f(x) jest nieparzysta w [-l, l], to jej szereg Fouriera jest równy:

1

0

sin

2

)

(

n

n

l

x

n

b

a

x

f

.

35