Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Obecnie wiele problemów pozostawiamy komputerom. Na przykład, gdy przyjdzie nam rozwiązać równanie postaci x=cossinx2 zazwyczaj używamy odpowiedniego oprogramowania, by wyliczyło ono rozwiązanie numerycznie lub narysowało dość dokładne wykresy lewej i prawej strony. Następnie jesteśmy w stanie znaleźć punkty przecięcia, które są rozwiązaniami równania. To wszystko jest jednak tylko przybliżeniem.

Skąd nasza pewność, że równanie, które analizujemy w ogóle posiada rozwiązanie? Nie trudno przecież podać równanie, które nie posiada rozwiązań.
Przykład może stanowić choćby x2+2x+2=0
Wyznaczając wyróżnikwyróżnik wielomianu stopnia drugiegowyróżnik powyższego wielomianu mamy =4-4·1·2=-4<0, co jak wiemy przekłada się na brak rozwiązań rzeczywistych.

Podamy teraz główne twierdzenie obecnej lekcji i skomentujemy, dlaczego stanowi ono odpowiedź na postawiony powyżej problem.

Darboux (1)
Twierdzenie: Darboux (1)

Niech funkcja f:a,b będzie funkcją ciągłąfunkcja ciągłafunkcją ciągłą, oznaczmy:

α=min{f(a),f(b)}mniejsza z wartości w klamrach  oraz       β=max{f(a),f(b)} .większa z wartości w klamrach

Wówczas dla każdego cα,β istnieje taki xa,b, że f(x)=c.

R10vFiXqRww7Q

Twierdzenie Darboux mówi zatem, że funkcja ciągła f określona na przedziale a,b przyjmuje wszystkie wartości pomiędzy f(a)f(b). Jeszcze inne, prostsze w zapamiętaniu sformułowanie Darboux wymaga dodatkowej definicji.

obraz zbioru
Definicja: obraz zbioru

Niech funkcja f:XY. Obrazem zbioru AX przez funkcję f nazywamy zbiór

f(A)={f(x):xA}.
Darboux (2)
Twierdzenie: Darboux (2)

Niech funkcja f:A będzie funkcją ciągłąfunkcja ciągłafunkcją ciągłą. Wówczas f(a,b) jest przedziałem dla każdego a,bA.

Wróćmy teraz do wyjściowego problemu, a więc do równania x=cossinx2.

Przykład 1

Rozważmy funkcję f: daną wzorem f(x)=x-cos(sin(x2)).

Nietrudno zauważyć, że x jest rozwiązaniem równania dokładnie wtedy, gdy f(x)=0. Ponadto funkcja f jest ciągła. Policzmy teraz

f(2)=2cos(sin4)2+1=1
oraz
f(2)=2cos(sin4)21=1.

Na mocy twierdzenia Darboux otrzymujemy, że funkcja f przyjmuje wszystkie wartości z przedziału -1,1. Tym samym istnieje taki x-2,2, że f(x)=0.

Pokażemy teraz, że teza twierdzenia Darboux nie musi zachodzić, gdy założenia nie są spełnione.

Przykład 2

Rozważmy funkcję f:-π,-22,π daną wzorem fx=x-sinx.

Wówczas wykres funkcji f wygląda następująco.

R1bfT2xhFXbxI

Tym samym, mimo tego, że f-π=-π oraz fπ=π, to nie istnieje x-π,-22,π spełniający fx=0, ponieważ 0-π,π.

Przykład 3

Niech funkcja f:-1,1 będzie określona wzorem

fx=x3-1,gdy x-1,0,sinx,gdy x0,1..

Wtedy wykres f ma postać.

R1QtRmu4RDCR4

Zatem mimo tego, że f-1=-2, f0=0 oraz -12-2,0, to wartość -12 nie jest przyjmowana

Zobaczmy na prostym przykładzie w jaki sposób pokazać, że funkcja spełnia tezę Twierdzenia Darboux (1).

Przykład 4

Udowodnimy, że dla funkcji ciągłej f:-1,1, fx=x2+3x spełniona jest teza Twierdzenia Darboux (1).

Skoro f-1=-2f1=4, to α=-2β=4. Weźmy c-2,4. Pokażemy, że istnieje takie x2-1,1, że fx2=c.

W tym celu rozwiążemy równanie x2+3x=c, tj. x2+3x-c=0. Wyróżnik tego trójmianu to Δ=9+4c. Zauważmy, że dla c-2,4 spełniona jest nierówność Δ>0. Mamy zatem dwa pierwiastki x1=-3-9+4c2 oraz x2=-3+9+4c2. Pokażemy, że x2 jest szukanym argumentem, czyli że x2-1,1.

Mamy ciąg równoważnych nierówności: -3+9+4c21

-3+9+4c2

9+4c5

Obie strony nierówności są liczbami większymi od 0 , więc możemy podnieść nierówność stronami do kwadratu. Tym samym otrzymujemy nierówność 9+4c25, która jest prawdziwa dla c4.

Pozostaje pokazać, że dla rozważanych wartości c spełniona jest nierówność x2-1, czyli

-3+9+4c2-1

-3+9+4c-2

9+4c1, co również jest spełnione gdy c-2.

Zatem x2-1,1 oraz fx2=c, więc spełnione jest teza Twierdzenia Darboux (1).

Słownik

wyróżnik wielomianu stopnia drugiego
wyróżnik wielomianu stopnia drugiego

dla wielomianu ax2+bx+c liczba dana wzorem b2-4ac

funkcja ciągła
funkcja ciągła

funkcja spełniająca jeden z równoważnych warunków ciągłości (Cauchy’ego lub Heinego)