B÷¾

edy studentów

na egzaminach z matematyki

W opracowaniu omówi÷

em typowe b÷¾

edy pope÷

niane przez studentów na kolokwiach

i egzaminach z algebry oraz analizy. Ponadto podaj ¾

e b÷¾

edy rzadziej spotykane, które

zaskoczy÷

y mnie pomys÷

owości ¾

a zdaj ¾

acych. Mam nadziej ¾

e, ·

ze dzi ¾

eki opracowaniu stu-

denci nie pope÷

ni ¾

a ju·

z tego rodzaju b÷¾

edów.

I. Fa÷

szywe wzory algebraiczne, trygonometryczne i inne Studenci b÷¾

ednie przyjmuj ¾

a, ·

ze funkcje elementarne s ¾

a liniowe i dlatego stosuj ¾

a wzory a), b).

p

p

p

1

1

1

a) (a + b)2 = a2 + b2;

x + y =

x +

y;

=

+ ;

x + y

x

y

b) sin 2 = 2 sin ; tg (x + y) = tg x + tg y; p

ln a

c)

x2 = x;

= ln (a

b) ;

an am = an m;

ln b

a

b

a + b

a + b

a

d)

+

=

;

=

+ b:

x

y

x + y

x

x

II. B÷¾

edne metody obliczania granic ci ¾

agów i funkcji

Jednym z najcz ¾

eściej pope÷

nianych b÷¾

edów przy wyznaczaniu granic ci ¾

agów i funkcji jest obliczenie

granicy w dwóch etapach. Studenci najpierw przechodz ¾

a do granicy z cz ¾

eści ¾

a zmiennych i dopiero po

uproszczeniu wyra·

zenia, przechodz ¾

a do granicy z pozosta÷

ymi zmiennymi.

1

n

a) lim

1 +

= lim (1 + 0)n [ ! ] = lim 1 = 1:

n!1

2n

n!1

n!1

p

Prawid÷

owy wynik

e:

1

1

1

b) lim

p

+ p

+ : : : + p

n!1

n2 + 1

n2 + 2

n2 + n

= lim (0 + 0 + : : : + 0) [ ! ] = lim 0 = 0: Prawid÷

owy wynik 1:

n!1

n!1

r

r

!

p

p

5

2

c) lim

x2 + 5x

x2 + 2x = lim

x

1 +

x

1 +

x!1

x!1

x

x

p

p

lim

x 1 + 0

x 1 + 0 [ ! ] = lim (x 1

x 1) = lim 0 = 0:

x!1

x!1

x!1

3

Prawid÷

owy wynik :

2

3x + sin x

0 + sin x

sin x

d) lim

= lim

[ ! ] = lim

= 1:

x!0

x

x!0

x

x!0

x

Prawid÷

owy wynik 4:

1 + 8x

1 + 3x

1 + 0

1 + 0

e) lim

= lim

[ ! ] =

x!0+

x

sin x

x!0+

x

sin x

1

x

1

1

1

lim

= lim

1 [ ! ] = lim 0 = 0:

x!0+

x

sin x x

x!0+

x

x

x!0+

Prawid÷

owy wynik 5:

ex

1

1

ex

1

1

1

f ) lim

= lim

[ ! ] =

1 =

:

x!0 sin 2x

x!0

sin 2

x

sin 2

sin 2

1

Prawid÷

owy wynik :

2

g) Po podniesieniu wyra·

zenia za limesem do czwartej pot ¾

egi otrzymam:

p

4 16x4 + 1

16x4 + 1

16 + 1

lim

p

= lim

[ ! ] = lim

x4

= 16:

x!1

x2 + 3

x!1 (x2 + 3)2

x!1

2

1 + 3

x2

Prawid÷

owy wynik 2:

1

h) Dla wielu studentów wyra·

zenia 1 1;

; 0 1; 11 s ¾

a tylko pozornie

1

nieoznaczone, gdy·

z ich zdaniem zachodz ¾

a wzory:

1

1

1 = 0;

= 1;

0 1 = 0;

11 = 1:

1

Z poni·

zszych równości wynika, ·

ze stwierdzenia te s ¾

a fa÷

szywe:

ex

2

1 x

lim x2

x = 1; lim

= 1; lim

sin x

= 2; lim

1 +

= e:

x!1

x!1 x

x!0+

x

x!1

x

i) Studenci stosuj ¾

a regu÷¾

e de L’Hospitala bez sprawdzenia za÷

o·

zeń:

x H

1

1

lim

= lim

[ ! ] =

= 1; prawid÷owy wynik 1;

x! 1 ex

x! 1 ex

0+

2x H

2x ln 2

1 ln 2

lim

= lim

[ ! ] =

= ln 2; prawid÷

owy wynik 1;

x!0+ x

x!0+

1

1

x2 + sin x2 H

2x + 2x cos x2

lim

= lim

= lim 1 + cos x2 ; a poniewa·

z

x!1

x2

x!1

2x

x!1

ostatnia granica nie istnieje, wi ¾

ec nie istnieje tak·

ze granica pocz ¾

atkowa[ ! ] :

Prawid÷

owy wynik 1: Ponadto stosuj ¾

a fa÷

szyw ¾

a "regu÷¾

e de L’Hospitala" do

obliczania wartości wyra·

zenia nieoznaczonego 0 1 : lim [p (x) q (x)] =

x!x0

1

1

lim [p0 (x) q0 (x)] ; np. lim (x

ctg x) = lim

1

[ ! ] = 1

=

x!x0

x!0+

x!0+

sin2 x

0+

1 - poprawna wartość 1 oraz do wyra·

zenia 1 1: lim [p (x)

q (x)] =

x!x0

1

lim [p0 (x)

q0 (x)] ; np. lim (x

ln x) = lim

1

[ ! ] = 1

0 = 1 -

x!x0

x!1

x!1

x

poprawna wartość 1:

sin x

j) Dla studentów granica lim

zawsze równa si ¾

e 1; niezale·

znie od

x!

x

symbolu wpisanego w ramk¾

e. W rzeczywistości ta granica w punktach ró·

znych od 0 ma inne wartości, np.

sin x

sin x

2

sin x

sin x

lim

= 0;

lim

=

; lim

= sin 1;

lim

= 0:

x!

x

x!

x

x!1

x

x!1

x

2

III. B÷¾

edne wzory do obliczania pochodnych

a) [p (x) q (x)]0 = p0 (x) q0 (x) ;

np. x3 sin x 0 = 3x2

cos x [ ! ] ; poprawny wynik 3x2 sin x + x3 cos x; p (x) 0

p0 (x)

b)

=

;

q (x)

q0 (x)

hcos xi0

sin x

sin x + cos x

np.

=

[ ! ] ; poprawny wynik

;

ex

ex

ex

1

0

1

c)

=

;

q (x)

q0 (x)

1

0

1

4x3

1

np.

=

[ ! ] ; poprawny wynik

;

x4

x

4x3

1

(x4

x)2

d) ff [g (x)]g0 = f0 [g0 (x)] ;

1

1

np. [sin (ln x)]0 = cos

[ ! ] ; poprawny wynik

cos (ln x) ;

x

x

e) (9x)0 = x 9x 1;

(arcsin x)0 = arccos x;

(tg x)0 = ctg x;

1

f ) (xx)0 = xx ln x;

e7 0 = e7;

(ln 44)0 =

;

5 0 = 5 4;

44

1

1

1

h

i0

g) (arc tg x)0 =

(tg x)0 =

;

jxj3 = 3 jxj2 :

1 + x2

1 + x2 cos2 x

h) Studenci potra… ¾

a ró·

zniczkować nie istniej ¾

ace funkcje, np. :

p

0

sin x

cos x

3 = p

[ ! ] ;

2 cos x

3

2x

arcsin 2 + x2 0 = q

[ ! ] ;

1

(2 + x2)2

h

i0

1

ln 1

ex2

=

ex2

(2x) [ ! ] :

1

ex2

p

@f

i) Zadanie: dla f (x; y) =

x4 + y4 zbadać, czy istnieje

(0; 0) : Roz-

@x

"

#

@f

4x3

0

wi ¾

azanie studenta:

(0; 0) =

p

=

: Otrzyma÷

em wyra-

@x

2

x4 + y4

0

(0;0)

@f

@f

·

zenie nieoznaczone, wi ¾

ec

(0; 0) nie istnieje [ ! ] : Odp.

(0; 0) = 0:

@x

@x

IV. B÷¾

edne sposoby obliczania ca÷

ek nieoznaczonych

Z

Z

Z

a)

[f (x) g (x)] dx =

f (x) dx

g (x) dx;

Z

x2

np.

x cos xdx =

sin x + C; poprawny wynik cos x + x sin x + C; 2

Z

R

f (x)

f (x) dx

b)

dx = R

;

g (x)

g (x) dx

Z x

1 x2

(x + 1)

np.

dx = 2

+ C [ ! ] ; poprawny wynik

+ C;

ex

ex

ex

Z

pn+1 (x)

c)

pn (x) dx =

+ C (n 2 N) ;

n + 1

Z

cos4 x

sin3 x

np.

cos3 xdx =

+ C [ ! ] ; poprawny wynik x

+ C;

4

3

Z dx

d)

= ln jp (x)j + C;

p (x)

Z

dx

np.

= ln jex + 1j + C [ ! ] ; poprawny wynik x ln (ex + 1) + C;

ex + 1

Z

e)

ep(x)dx = ep(x) + C;

Z p

p

p

p

np.

e xdx = e x + C [ ! ] ; poprawny wynik 2

x

1 e x + C;

Z

dx

f )

= arctg p (x) + C;

1 + p2 (x)

Z

dx

x

1

np.

= arctg (tg x) + C [ ! ] ; poprawny wynik sin 2x + C:

1 + tg2x

2

4

V. Je·

zeli student mo·

ze utrudnić sobie ·

zycie, to tak zrobi

a) Rozwi ¾

azać równanie (x

1) (x

2) (x

3) (x

4) = 0: Metoda stu-

denta: po wymno·

zeniu czynników po lewej stronie równania otrzymam x4

10x3 + 35x2

50x + 24 = 0 [ ! ] :

(x

2) (x + 4)

b) Rozwi ¾

azać nierówność

< 0: Rozwi ¾

azanie studenta: po

(x + 1) (x

3)

wyznaczeniu iloczynów w liczniku i mianowniku otrzymam nierówność x2 + 2x

8 < 0 [ ! ] :

x2

2x

3

h

i

4 0

c) Obliczyć

x2 + 3

: Rozwi ¾

azanie studenta: po obliczeniu pot¾

egi

h

i

4 0

otrzymam

x2 + 3

= x8 + 12x6 + 54x4 + 108x2 + 81 0 [ ! ] : Z

dx

d) Obliczyć

: Rozwi ¾

azanie studenta: po podniesieniu mianow-

(x

2)3 Z

Z

dx

dx

nika do sześcianu dostan¾

e

=

[ ! ] :

(x

2)3

x3

6x2 + 12x

8

q

e) Wyznaczyć 4 (3

2i)4: Rozwi ¾

azanie studenta: po obliczeniu czwartej q

p

pot¾

egi otrzymam 4 (3

2i)4 = 4

119

120i [ ! ] :

02

3 1

1

1 2 3

B

C

f ) Obliczyć det @4 2 5 4 5 A : Rozwi ¾

azanie studenta: po wyznacze-

1 3 2

niu macierzy odwrotnej otrzymam

02

3 1

1

02

3

1

1 2 3

2

5

7

B

C

det @4 2 5 4 5 A = det @4 0

1

2 5 [ ! ]A = 1:

1 3 2

1

1

1

!

5

2 3

g) Obliczyć det

: Rozwi ¾

azanie studenta: po obliczeniu pi ¾

atej

1 2

pot¾

egi macierzy otrzymam

!

5

2 3

362 627

det

= det

[ ! ]

= 1:

1 2

209 362

h) Znaleźć wszystkie rozwi ¾

azania równania (z + 2i)6 + (z

1)6 = 0: Roz-

wi ¾

azanie studenta: po wykonaniu dzia÷

ań otrzymam równanie równowa·

zne

2z6

(6

12i) z5

45z4

(20 + 160i) z3 + 255z2

(6

192i) z

63 = 0 [ ! ] :

i) Student napisa÷

: po obliczeniu silni otrzymam:

8!

40 320

1

=

[ ! ] =

:

10!

3628 800

90

VI. B÷¾

edne de…nicje, fa÷

szywe twierdzenia, ciekawe sformu÷

owa-

nia, dziwne rozumowania oraz zaskakuj ¾

ace wnioski

a) Fragment rozwi ¾

azania zadania z rachunku prawdopodobieństwa o wyst ¾

epowaniu daltonizmu wśród m¾

e·

zczyzn i kobiet: wyznacz¾

e liczb ¾

e m¾

e·

z-

czyzn, którzy nie rozró·

zniaj ¾

a kobiet.

b) Poniewa·

z ca÷

y okr ¾

ag ma równanie x2 +y2 = r2; wi ¾

ec jego dolna po÷

owa

1

1

jest opisana wzorem

x2 + y2 = r2 ; a górna wzorem

x2 + y2 = r2:

2

2

c) Je·

zeli twierdzenie Tn określone dla n liczb naturalnych jest prawdziwe dla n + 1 liczb i zachodzi implikacja Tn =) Tn+1; to mamy do czynienia z zasad ¾

a indukcji matematycznej.

d) Granica lim f (x) nie istnieje. Zatem w punkcie x = 0 funkcja f nie x!0

mo·

ze być ju·

z nigdy ci ¾

ag÷

a i dobrze jej tak!

e) Ci ¾

ag ( 1)n raz d ¾

a·

zy do +1; a raz do

1; wobec tego zachodzi

+1

stosunek

:

1

f ) Móg÷

bym policzyć pochodn ¾

a, ale nie ka·

z ¾

a.

g) Funkcja f jest monotoniczna w przedziale (a; b); gdy wszystkie punkty z tego przedzia÷

u daj ¾

a si ¾

e po÷¾

aczyć prost ¾

a lub krzyw ¾

a.

h) Bez linijki i gumki nie potra…¾

e narysować wykresu tej funkcji.

i) Monotoniczność funkcji f określ ¾

e na podstawie znaku ró·

znicy

f (x + 1)

f (x) :

j) Z powodu braku czasu dalsz ¾

a cz¾

eść rozwi ¾

azania przeprowadz¾

e w formie

kontemplacji.

k) Granica ci ¾

agu jest to ostatnia liczba ze zbioru liczb nale·

z ¾

acych do tego

ci ¾

agu.

l) Zachodzi wzór lim (an bn) = lim an + lim bn; bo logarytm iloczynu n!1

n!1

n!1

równa si ¾

e sumie logarytmów.

m) Po pomno·

zeniu obu stron równania przez x otrzymam: 1

1

1

1

+

= 1 ()

+

= x:

sin x

cos x

sin

cos

n) Prawdziwa jest równowa·

zność tg x < 1 () x <

+ k

(k 2 Z) :

4

o) Nierówność wyk÷

adnicza jest ró·

zniczkowalna, wi ¾

ec mo·

zemy opuścić

podstawy.

p) Po podzieleniu obu stron równania ctg x = 3 tg x przez tg x otrzy-mamy, ·

ze sta÷

a c równa si ¾

e 3:

q) Dla ka·

zdego x > 0 funkcje f; g; h spe÷

niaj ¾

a nierówności

f (x) 6 g (x) 6 h (x) ; ale lim f (x) 6= lim h (x) : x!1

x!1

Zatem granica lim g (x) nie istnieje.

x!1

r) Zak÷

adam, ·

ze to·

zsamość jest prawdziwa dla ka·

zdego n = 1:

s) Zadanie rozwi ¾

a·

z¾

e metod ¾

a spekulacji.

t) Wyobraźmy sobie sześcian, który ma sześć tysi ¾

ecy ścian.

u) Granic ¾

a ci ¾

agu nazywamy wartość, jak ¾

a osi ¾

aga funkcja przy d ¾

a·

zeniu do

końca przedzia÷

u.

v) Z niemo·

zliwości matematycznego rozwi ¾

azania pos÷

u·

zy÷

am si ¾

e logik ¾

a.

w) Niech zdarzenie A oznacza, ·

ze czerwony tramwaj jedzie z prawej

strony. Wtedy zdarzenie przeciwne do A oznacza, ·

ze niebieski tramwaj

jedzie z przeciwnej strony.

x) Prawie wszystkie oznacza wszystkie, oprócz tych co nie nale·

z ¾

a.

y) W ten sposób pokaza÷

em rodzicom, ·

ze nie nadaj ¾

e si ¾

e na studia.

z) Zachodzi tutaj zjawisko indukcji matematycznej.

A) Sam si ¾

e dziwi ¾

e, jak zda÷

em matur¾

e.

B) Istnieje twierdzenie, niepotrzebne w zadaniu, które brzmi ... .

C) Prawdopodobieństwo zdarzenia wynosi 1000! 999! 998! : : : 1!: D) Rozumowania w rozwi ¾

azaniach zadania dotycz ¾

acego wieku trzech

braci. „W celu skorzystania z ostatniej informacji w zadaniu dodatkowo wprowadzam czwartego brata”. Inny zadaj ¾

acy otrzyma÷ujemny wiek braci,

jednak nie straci÷g÷

owy i napisa÷

: „Najstarszy brat urodzi si ¾

e za 6 lat, średni

za 9 lat, a najm÷

odszy za 12 lat”.

E) Uk÷

ad równań jest nie do rozwi ¾

azania.

F) Pochodn ¾

a nazywamy granic¾

e okresów ilorazowych.

G) W trójk ¾

acie jeden k ¾

at ma 1350; drugi ma tak·

ze 1350; a trzeci - 900:

Poniewa·

z suma k ¾

atów w tym trójk ¾

acie równa si ¾

e 3600; wi ¾

ec taki trójk ¾

at nie

istnieje.

p

H) Go÷

ym okiem widać, ·

ze funkcja f (x) =

2x

1 jest ściśle rosn ¾

aca.

I) Zadanie jest tak proste, ·

ze nie ma co rozwi ¾

azywać.

J) Oczywiście w praktyce wybiera si ¾

e du·

zo mniejsze " ni·

z na rysunku.

K) Zak÷

adamy, ·

ze nierówność jest prawdziwa dla dowolnej liczby natu-ralnej n: Poka·

zemy, ·

ze jest ona prawdziwa tak·

ze dla liczby n + 1:

L) Proste l1 i l2 s ¾

a prostopad÷

e, gdy s ¾

a w stosunku.

Z prac egzaminacyjnych wybra÷

: Zbigniew Skoczylas