Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 5

Like dokumenter
jx + j < 7. Hvis vi i tillegg srger for at faktoren jx j < ", far vi 7 ialt jf(x) f()j = jx + jjx j < 7 " 7 = " Dette blir flgelig ofylt for alle x sl

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

EKSEMPLER TIL ETTERTANKE MAT1100 KALKULUS

En (reell) funksjon f fra en (reell) mengde D er en regel som til hvert element x D tilordner en unik verdi y = f (x).

Grunnleggende notasjon ℕ = 1, 2, 3, 4, 5, 6, ℤ =, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3,

K A L K U L U S. Løsningsforslag til utvalgte oppgaver fra Tom Lindstrøms lærebok. ved Klara Hveberg. Matematisk institutt Universitetet i Oslo

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1100, uka 20-24/9

OPPGAVESETT MAT111-H17 UKE 36. Oppgaver til seminaret 8/9. Husk at seminaret finnes i to varianter, begge fredag :

Deleksamen i MAT111 - Grunnkurs i Matematikk I

Oppgaveark Uke 37 (07/09-11/09) MAT111 - H09

Flere anvendelser av derivasjon

UNIVERSITETET I OSLO. Løsningsforslag

Nicolai Kristen Solheim

Løsningsforslag til underveiseksamen i MAT 1100, 6/

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2014

Løsningsforslag, midtsemesterprøve MA1101, 5.oktober 2010

Analysedrypp II: Kompletthet

UNIVERSITETET I OSLO

Notasjon i rettingen:

MA oppsummering så langt

Prøveeksamen i MAT 1100, H-03 Løsningsforslag

Fremdriftplan. Siste uke. I dag. Kap. 1 Funksjoner Grenseverdier

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Løsningsforslag, eksamen MA1101/MA6101 Grunnkurs i analyse I, vår 2009

Matematikk 1 (TMA4100)

Notasjon i rettingen:

OPPGAVESETT MAT111-H16 UKE 36. Oppgaver til seminaret 9/9. Husk at seminaret finnes i to varianter, begge fredag :

UNIVERSITETET I BERGEN Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Eksamen i MAT111 Grunnkurs i matematikk I Løsningsforslag

Formelsamling Kalkulus

Løsningsforslag for Eksamen i MAT 100, H-03

Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 10

Ekstremverdier Mellomverdisatsen Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Analysedrypp IV: Metriske rom

Kontinuitet og derivasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 3

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2014

Fasit, Kap : Derivasjon 2.

Oppfriskningskurs i matematikk 2008

Lsningsforslag ved Klara Hveberg Lsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 6 I kapittel 6 minner oppgavene mer om de du er vant til fra skolemat

LØSNINGSFORSLAG. Skriv følgende komplekse tall både på kartesisk form som a + bi og på polar form som re iθ (r 0 og 0 θ < 2π). a) 2 + 3i.

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1110, uka 28/4-2/5

Fasit MAT102 juni 2016

lny = (lnx) 2 y y = 2lnx x y = 2ylnx x = 2xlnx lnx

OPPGAVESETT MAT111-H16 UKE 44. Oppgaver til seminaret 4/11

Første og andrederivasjons testen Anvendt optimering Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Løsningsforslag til underveiseksamen i MAT 1100, H-06

Oppfriskningskurs i Matematikk

Løsningsforslag midtveiseksamen Mat 1100

Kontinuitet og grenseverdier

Eksamensoppgave i MA1101 Grunnkurs i analyse

EKSAMEN I EMNET Løsning: Mat Grunnkurs i Matematikk I Mandag 14. desember 2015 Tid: 09:00 14:00

Løsningsforslag. Innlevering i BYFE/EMFE 1000 Oppgavesett 1 Innleveringsfrist: 14. september klokka 14:00 Antall oppgaver: 3.

Heldagsprøve i matematikk. Svar og løsningsforslag

NOTAT OM UNIFORM KONTINUITET VEDLEGG TIL BRUK I KURSET MAT112 VED UNIVERSITETET I BERGEN

Løsningsforslag MAT102 Vår 2018

Litt topologi. Harald Hanche-Olsen

. Følgelig er csc 1 ( 2) = π 4. sinθ = 3

Løsningsforslag i matematikk

Løsningsforslag til underveisvurdering i MAT111 vår 2005

Høgskolen i Oslo og Akershus. sin 2 x cos 2 x = 0, x [0, 2π) 1 cos 2 x cos 2 x = 0 2 cos 2 x = 1 cos 2 x =

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

BYFE DAFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 5 Innleveringsfrist Fredag 15. april 2016 kl 14 Antall oppgaver: 8

TMA4100 Matematikk1 Høst 2008

MAT jan jan jan MAT Våren 2010

Løsningsforslag eksamen i TMA4100 Matematikk desember Side 1 av 7

Løsningsforslag eksamen MAT111 Grunnkurs i Matematikk I høsten 2009

(1 + x 2 + y 2 ) 2 = 1 x2 + y 2. (1 + x 2 + y 2 ) 2, x 2y

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

Løsningsforslag. Oppgave 1 Gitt matrisene ] [ og C = A = 4 1 B = 2 1 3

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

MAT 100a - LAB 3. Vi skal først illustrerere hvordan Newtons metode kan brukes til å approksimere n-te roten av et positivt tall.

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen i MAT1100 H14: Løsningsforslag

INVERST FUNKSJONSTEOREM MAT1100 KALKULUS

UNIVERSITETET I OSLO

Matematikk 1 (TMA4100)

OPPGAVESETT MAT111-H17 UKE 38. Oppgaver til gruppene uke 39

TMA4100: Repetisjon før midtsemesterprøven

BYFE DAFE Matematikk 1000 HIOA Obligatorisk innlevering 4 Innleveringsfrist Fredag 11. mars 2016 Antall oppgaver: Løsningsforslag

ANALYSEDRYPP. Et forkurs til MAT2400. av Tom Lindstrøm. Matematisk insitutt og CMA Universitetet i Oslo 2011

Løsningsforslag til eksamen i MAT111 - Grunnkurs i Matematikk I

Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

Oppsummering MA1101. Kristian Seip. 23. november 2017

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I MA0001 BRUKERKURS A Tirsdag 14. desember 2010

Løsningsforslag til eksamen i MAT 1100 H07

Løsningsforslag til eksamen i fag MA1101/MA6101 Grunnkurs i analyse I Høst 2008

Løsningsforslag, eksamen MA1101/MA

UNIVERSITETET I OSLO

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN I GRUNNKURS I ANALYSE I (MA1101/MA6101)

Funksjonsdrøfting MAT111, høsten 2017

Løsningsforslag Eksamen M100 Høsten 1998

Alle svar skal grunngis. Alle deloppgaver har lik vekt.

= x lim n n 2 + 2n + 4

Oppgaver og fasit til seksjon

x 2 2 x 1 =±x 2 1=x 2 x 2 = y 3 x= y 3

Korreksjoner til fasit, 2. utgave

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Transkript:

Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 5 I kapittel 5 har mange av oppgavene et mer teoretisk preg enn du er vant til fra skolematematikken, og jeg har derfor lagt vekt på å lage løsningsforslag til oppgaver som involverer de formelle definisjonene av kontinuitet (kap 5.1 og grenseverdi (kap 5.4, og som illustrerer hvordan man kan anvende skjæringssetningen (kap 5.2 og ekstramalverdisetningen (kap 5.3 på ulike måter. Dersom du finner noen feil eller trykkfeil i løsningsforslagene, er det fint om du gir meg beskjed på epostadressen klara@math.uio.no. Oppgave 5.1.3 Vi minner om at funksjonen f er kontinuerlig i punktet a D f hvis det for enhver ε > 0 finnes en δ > 0 slik at når x D f og x a < δ, så er f(x f(a < ε. a Vi skal vise at f(x = 2x + 1 er kontinuerlig i punktet x = 2. For en gitt ε > 0 må vi finne en δ > 0 slik at Vi har Velger vi nå δ = ε 2, blir når x 2 < δ. x 2 < δ = f(x f(2 < ε f(x f(2 = (2x + 1 (2 2 + 1 = 2x + 1 5 = 2 x 2 f(x f(2 = 2 x 2 < 2δ = 2 ε 2 = ε b Vi skal vise at f(x = x 2 er kontinuerlig i punktet x = 3. For en gitt ε > 0 må vi finne en δ > 0 slik at x 3 < δ = f(x f(3 < ε Funksjonsdifferensen kan skrives slik: f(x f(3 = x 2 3 2 = (x + 3(x 3 = x + 3 x 3 For å holde faktoren x+3 under en fast skranke velger vi å begrense oss til intervallet (2, 4, hvor x 3 < 1, slik at x < 4 og dermed 27

x + 3 < 7. Hvis vi i tillegg sørger for at faktoren x 3 < ε 7, får vi ialt f(x f(3 = x + 3 x 3 < 7 ε 7 = ε Dette blir følgelig oppfylt for alle x slik at x 3 < δ dersom vi velger δ = min(1, ε 7. c Vi skal vise at f(x = 1 x er kontinuerlig i punktet x = 1. For en gitt ε > 0 må vi finne en δ > 0 slik at x 1 < δ = f(x f(1 < ε Funksjonsdifferensen kan skrives slik: f(x f(1 = 1 x 1 = x 1 x For at denne skal bli mindre enn ε når x ligger i en δ-omegn om 1, må vi sørge for at x holder seg unna origo. Dette kan vi få til ved først å velge δ 1 = 1 2. Da blir x > 1 2 dersom x 1 < δ 1, slik at f(x f(1 = x 1 x < 2 x 1 Sørger vi samtidig for at x 1 < δ 2 = ε 2, får vi videre at f(x f(1 < 2 x 1 < 2 ε 2 = ε Setter vi derfor δ = min(δ 1, δ 2 = min( 1 2, ε 2, har vi nå ialt vist at f(x f(1 < ε for alle x slik at x 1 < δ. Oppgave 5.1.4a Vi skal vise at f(x = { x + 1 for x < 0 x for x 0 er diskontinuerlig i punktet x = 0. Velger vi nemlig en ε slik at 0 < ε < 1, vil f(x = x + 1 > (ε 1 + 1 = ε for alle x (ε 1, 0. Men det betyr at f(x f(0 = f(x > ε for alle x i dette intervallet. Uansett hvor liten vi velger δ > 0 vil det derfor finnes en x (faktisk uendelig mange i intervallet ( δ, δ slik at f(x f(0 > ε. Altså er funksjonen diskontinuerlig i punktet x = 0. 28

Oppgave 5.2.2a Vi skal vise at f(x = ln x + x har nullpunkt i intervallet (0, 1. Siden lim x 0 f(x =, kan vi finne en x 0 i intervallet (0, 1 slik at f(x 0 < 0. Vi kan for eksempel velge x 0 = 1/e, som gir f(1/e = ( ln e + 1/e = 1 + 1/e < 0. Siden f(1 = ln 1 + 1 = 1 > 0, og funksjonen f er kontinuerlig i intervallet [ 1 e, 1], følger det av skjæringssetningen at f har et nullpunkt i intervallet ( 1 e, 1 og dermed også i det større intervallet (0, 1. Oppgave 5.2.3b Vi skal vise at grafene til f(x = sin x og g(x = x 3 skjærer hverandre i intervallet [ π 6, π 3 ]. I endepunktene av intervallet har f og g verdiene ( π f = 1 ( π ( π 3 ( 4 3 ( 2 3 6 2, g 8 = < = = 6 6 6 3 27 < 1 2 ( π f = 1 ( π ( π 3 3 < 1, g = > 1 3 2 3 3 Siden f( π 6 > g( π 6, f( π 3 < g( π 3 og begge funksjonene er kontinuerlige i intervallet [ π 6, π 3 ], så må grafene skjære hverandre ved korollar 5.2.2 i Kalkulus. Oppgave 5.2.4 La f(x = tan x og g(x = x. Da har vi ( π f = 1 > π ( π 4 4 = g 4 ( 3π f = 1 < 3π ( 3π 4 4 = g 4 Vi ser av en figur (tegn grafen selv! at det ikke finnes noe tall c ( π 4, 3π 4 slik at f(c = g(c. Dette er likevel ikke i strid med korollar 5.2.2, da funksjonen f ikke er kontinuerlig i intervallet (den er diskontinuerlig for x = π 2. Oppgave 5.2.6 Vi skal vise at ethvert polynom av odde grad har minst én reell rot. La f(x = a n x n + a n 1 x n 1 + a 0 = x n( a n + a n 1 x + + a 0 x n være et polynom av grad n, det vil si at a n 0. Hvis n er et oddetall, vil faktoren x n i uttrykket ovenfor skifte fortegn med x. For tilstrekkelig 29

store verdier av x vil faktoren i parentes ha samme fortegn som det første leddet a n, idet de øvrige leddene i parentesen går mot null når x vokser. Det finnes derfor et (stort tall x 0 > 0 slik at f(x 0 og f( x 0 har motsatte fortegn. (De behøver ikke derfor være motsatt like store. Siden funksjonen f er kontinuerlig på intervallet [ x 0, x 0 ], har den et nullpunkt i intervallet ( x 0, x 0 ifølge skjæringssetningen. Oppgave 5.2.7 En fjellklatrer starter fra bakken klokken 7 og når toppen klokken 15. Neste dag starter hun nedstigningen klokken 7 og er nede klokken 15. a Vi skal vise at det finnes et klokkeslett der hun er like høyt oppe begge dager. Vi lar fjellets høyde være H. Vi lar så f(t stå for klatrerens høyde over bakken ved et klokkeslett t under oppstigningen og g(t høyden under nedstigningen. Begge funksjonene er kontinuerlige, og siden f(7 = 0 < H = g(7 og f(15 = H > 0 = g(15, må funksjonsgrafene skjære hverandre for en verdi t 0 (7, 15 ifølge korollar 5.2.2 til skjæringssetningen. Det betyr at hun er like høyt oppe ved klokkeslettet t 0 begge dager. b Nå antar vi at hun begynner nedstigningen klokken 10 i steden for 7, og at hun er nede klokken 16. Siden hun ikke er oppe før klokken 15 den første dagen, må f(10 < H = g(10. Og siden hun når toppen klokken 15, er hun der klokken 16 også, så vi må ha f(16 = H > 0 = g(16. På samme måte som i punkt a kan vi derfor trekke den konklusjon at hun også i dette tilfelle er like høyt oppe ved et klokkeslett t 1 (10, 16 begge dager. Oppgave 5.2.8 Vi skal vise at en kontinuerlig funksjon f : [0, 1] [0, 1] har et fikspunkt, det vil si at det finnes en x [0, 1] slik at f(x = x. La g : [0, 1] [0, 1] være identitetsfunksjonen g(x = x. Siden f antar verdier i intervallet [0, 1], har vi at f(0 0 = g(0 og f(1 1 = g(1. Da f (og g er kontinuerlige, finnes det ved korollar 5.2.2 en x [0, 1] slik at f(x = g(x, altså f(x = x. Oppgave 5.3.2 a Siden g(x = x er kontinuerlig for alle x, blir f(x = 1 g(x = 1 x kontinuerlig for alle x 0 ifølge setning 5.1.2. Funksjonen f er dermed kontinuerlig i hele sitt definisjonsområde (så f er kontinuerlig ifølge definisjon 5.1.8. 30

b Siden lim x 0 f(x = og lim x 0 + f(x =, er ikke funksjonen begrenset på intervallet [ 1, 1] og har dermed ingen maksimums- eller minimumspunkter. Dette strider ikke mot ekstremalverdisetningen, siden f ikke er definert for x = 0, og dermed ikke er definert på hele intervallet [ 1, 1]. Oppgave 5.3.4 Vi antar at f : (a, b R er kontinuerlig og at grenseverdiene av f(x når x nærmer seg a ovenfra og b nedenfra eksisterer. Vi skal vise at f er begrenset. Siden lim x a + f(x og lim x b f(x eksisterer, kan vi utvide f til en kontinuerlig funksjon definert på det lukkede intervallet [a, b] slik at f(a x a + f og f(b x b f. Dermed kan vi benytte ekstremalverdisetningen som sikrer at f har maksimums- og minimumsverdi(er på [a, b]. Dette betyr at f er begrenset på [a, b], og dermed også begrenset på det mindre intervallet (a, b. Oppgave 5.3.5 Anta at f : [a, b] R er kontinuerlig. Vi skal vise at verdimengden V f = {f(x : x [a, b]} er et lukket, begrenset intervall. Vi viser at V f er lik det lukkede, begrensede intervallet [f min, f max ] ved å vise inklusjon begge veier. Inklusjonen V f [f min, f max ] er oppfylt per definisjon av minimum og maksimum. På den annen side sikrer ekstremalverdisetningen at den kontinuerlige funksjonen f oppnår sitt minimum og maksimum på det lukkede, begrensende intervallet [a, b], så f min og f max er med i V f. Og skjæringssetningen sikrer oss at alle verdier d mellom f min og f max også er med i V f : Den kontinuerlige funksjonen g(x = f(x d er jo negativ i minimumspunktet til f og positiv i maksimumspunktet, og har derfor et mellomliggende nullpunkt c. Men det betyr nettopp at f(c = d. Dermed har vi også vist den omvendte inklusjonen V f [f min, f max ]. Oppgave 5.4.1 a Vi skal vise at lim x 2 3x = 6. Gitt en ε > 0 må vi produsere en δ > 0 slik at hvis x 2 < δ så er 3x 6 < ε. Dette oppnår vi ved å velge δ = ε ε 3, idet vi da får 3x 6 = 3 x 2 < 3δ = 3 3 = ε. b Vi skal vise at lim x 3 x 2 = 9. Gitt en ε > 0 må vi produsere en δ > 0 slik at hvis x 3 < δ så er x 2 9 < ε. La h = x 3. Da er x = h + 3, slik at vi får x 2 9 = (h + 3 2 9 = h 2 + 6h + 9 9 = h h + 6 31

Her ser vi at den andre faktoren h + 6 holder seg mindre enn 7 dersom vi velger h < 1. Sørger vi samtidig for at den første faktoren h er mindre enn ε 7, vil produktet holde seg mindre enn ε. Begge disse kravene blir oppfylt dersom vi velger δ = min(1, ε 7. For hvis h = x 3 < δ, så er x 2 9 = h h + 6 < δ 7 = ε 7 7 = ε. c Vi skal vise at lim x 4 x = 2. Gitt en ε > 0 må vi finne en δ > 0 slik at hvis x 4 < δ så er x 2 < ε. Ved hjelp av tredje kvadratsetning ser vi at x 2 = ( x 2( x + 2 x + 2 = x 4 x + 2 Velger vi δ = 2ε, ser vi at hvis x 4 < δ så er Oppgave 5.4.3 x 2 < x 4 2 < 2ε 2 = ε 7x 2 + 4x 4 a lim x 0 3x 3 2x 2 7 + 4x 2 x 0 3x 2 = 7 + 0 0 2 = 7 2 8x 2 + 2x + 7 b lim x 4x 2 8 + 2 x + 7 x 2 x x 4 2 = 8 + 0 + 0 0 4 < x 4 2 = 2 c lim ( x 2 ( x + 3x x 2 + 3x x( x 2 + 3x + x x2 + 3x + x x 2 + 3x x 2 x2 + 3x + x 3 x 2 +3x x 2 + 1 3x x2 + 3x + x 3 = 3 1 + 3 x + 1 2 d x 2 lim x 4 x 4 x 4 x 2 ( x 2( x + 2 1 = 1 x 4 x + 2 2 + 2 = 1 4 Oppgave 5.4.4a Vi skal avgjøre om funksjonen { x f(x = 2 + 2 for x 1 4 cos(πx for x > 1 32

er kontinuerlig i punktet x = 1. Vi ser på de ensidige grensene lim f(x = f(1 = 1 2 + 2 = 3 x 1 lim f(x 4 cos(πx = 4 cos π = 4 x 1 + x 1 + Siden lim x 1 f(x lim x 1 + f(x, eksisterer ikke den tosidige grensen lim x 1 f(x, så funksjonen f er ikke kontinuerlig i x = 1. 33