M_R_W19_M2 Własności funkcji
3. Włsność Darboux
Pewnie nie raz podczas rozwiązywania zadania z matematyki w Twojej głowie pojawiła się myśl: Całe szczęście, że te liczby są dobrane tak, żeby wszystko się skróciło. Inaczej nie dałoby się tego rozwiązać. Dotyczyć to mogło na przykład wielomianów o współczynnikach niewymiernych stopnia wyższego niż . Co jednak, gdy liczby nie będą dobrane przez nauczyciela lub egzaminatora tak, by można było uprościć obliczenia? Co gdy nie będziemy w stanie rozwiązać istotnego dla nas równania? Wtedy rzecz jasna z pomocą przychodzi nam komputer i liczne metody numeryczne. Pozostaje więc zagwarantować, że rozwiązanie istnieje. Jedna z metod, której możemy użyć oparta jest na twierdzeniu Darboux.
Poznasz jedno z podstawowych twierdzeń analizy matematycznej.
Nauczysz się prostej metody pozwalającej sprawdzić czy równanie ma rozwiązania.
Nauczysz się sprawdzać, czy podana funkcja ma miejsce zerowe w zadanym przedziale.
Nauczysz się wyznaczać przybliżone miejsca zerowe funkcji.
Na wstępie zapoznamy się z twierdzeniem Darboux oraz przeanalizujemy je bardzo skrupulatnie.
Załóżmy, że dana jest funkcja ciągła na przedzialefunkcja ciągła na przedziale domkniętym , tzn. jest ciągła. Jeżeli , to istnieje punkt pośredni taki, że .
Przeanalizujemy powyższe twierdzenie krok po kroku.
Musimy sprawdzić, czy badana funkcja w zadanym przedziale jest ciągła.
Zapis oznacza, że na końcach przedziału wartości funkcji mają różne znaki. Nie musimy badać monotoniczności funkcji, bo nie ma to w tym przypadku znaczenia.
Istnienie punktu pośredniego takiego, że oznacza, że badana funkcja ma miejsce zerowe należące do przedziału , jednak w wielu przypadkach możemy nie być w stanie wyznaczyć tej wartości w sposób analityczny.
Należy zauważyć, że teza twierdzenia jest implikacją, a to oznacza, że jeśli , to nie możemy nic powiedzieć o istnieniu pierwiastka.
Sprawdzimy czy równanie ma rozwiązanie w przedziale .
Rozwiązanie:
Zauważmy na początku, że w zadanym przedziale funkcja jest określona i ciągła, bowiem zarówno funkcja wykładnicza jak i wielomian są ciągłe, a zatem ich różnica również jest funkcją ciągłą.
Ponadto:
Czyli . Zatem na mocy twierdzenia Darboux funkcja na przedziale ma miejsce zerowe.
Rozwiązanie tego równania jest dość skomplikowane, na szczęście nie jest wymagane wskazanie dokładnego rozwiązania, a jedynie sprawdzenie, czy takie rozwiązanie istnieje.
Analizując wykres funkcji:

utwierdzamy się w przekonaniu o istnieniu rozwiązania równania
.
Twierdzenie Darboux należy stosować w umiejętny sposób i w razie potrzeby odpowiednio modyfikować przedział, na którym szukamy rozwiązania.
Zbadamy czy funkcja ma pierwiastki należące do przedziału .
Rozwiązanie:
Badana funkcja jako wielomian jest ciągła na całym zbiorze liczb rzeczywistych, czyli w szczególności na przedziale .
Z drugiej strony
oraz .
Na podstawie twierdzenia Darboux nie można wyciągnąć jednoznacznych wniosków o istnieniu pierwiastków w przedziale . Wystarczy jednak zauważyć, że , zatem
,
czyli na przedziale funkcja ma miejsce zerowe oraz
,
co oznacza, że również na przedziale funkcja ma miejsce zerowe.
Reasumując, funkcja ma co najmniej pierwiastki należące do przedziału .
Po zapisaniu funkcji w nieco innej postaci
okazuje się, że funkcja ma dokładnie miejsca zerowe, które można łatwo wyznaczyć:
, gdy , skąd: lub .
Twierdzenie Darboux jest podstawą metody równego podziału, inaczej zwanej bisekcją, która pozwala na poszukiwanie miejsc zerowych dowolnej funkcji ciągłej w przedziale , dla której . Dzięki algorytmowi znajdujemy przybliżone rozwiązanie ze z góry zadaną dokładnością – ustalamy i szukamy przybliżonego rozwiązania, które różni się od rozwiązania właściwego o co najwyżej .
Algorytm bisekcji sprowadza się do następujących kroków:
Sprawdzamy, czy jest pierwiastkiem, czyli . Jeśli tak, to algorytm się kończy, a jest szukanym rozwiązaniem.
W przeciwnym razie, dopóki nie osiągamy zakładanej dokładności, czyli , to:
a) jeśli , to przyjmujemy oraz ,
b) jeśli , to przyjmujemy orazPonawiamy procedurę dla przedziału otrzymując przedział ...
Po osiągnięciu zakładanej dokładności, jako rozwiązanie przyjmujemy .
Wyznaczymy pierwiastek równaniaWyznaczymy pierwiastek równania w przedziale z dokładnością do .
Rozwiązanie:
Przyjmijmy , , , czyli w badanym przedziale jest pierwiastek. Zauważamy, że i . Stąd szukany pierwiastek należy do przedziału . Zatem
, .
Skoro , to miejsce zerowe należy do przedziału .
Postępując analogicznie w kolejnych krokach, otrzymujemy:
,
,
,
, ,
ale , czyli jako rozwiązanie przyjmujemy środek przedziału i ostatecznie mamy:
.
Zapoznaj się z przykładami zaprezentowanymi w filmie i wykonaj polecenia znajdujące się poniżej.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RrXUzJltgUD20
Film nawiązujący do treści lekcji dotyczącej zastosowania twierdzenia Darboux.
Wiadomo, że wykres ciągłej funkcji przechodzi przez punkty ; ; ; ; . Wyznaczyć ile co najmniej rozwiązań należących do przedziału mają równania:
a)
b)
Wykaż, że funkcja ma co najmniej jeden pierwiastek należący do przedziału .
A, równa się, nawias ostry zero, średnik, pięć zamknięcie nawiasu ostrego B, równa się, nawias ostry, minus, dwa, średnik, dwa zamknięcie nawiasu ostrego C, równa się, nawias ostry zero, średnik, dziesięć zamknięcie nawiasu ostrego D, równa się, nawias ostry, minus, jeden, średnik, jeden zamknięcie nawiasu ostrego
f indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, x indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, minus, x indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, cztery x indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, minus, cztery x indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, trzy x, minus, trzy
A, równa się, nawias ostry zero, średnik, pięć zamknięcie nawiasu ostrego B, równa się, nawias ostry, minus, dwa, średnik, dwa zamknięcie nawiasu ostrego C, równa się, nawias ostry zero, średnik, dziesięć zamknięcie nawiasu ostrego D, równa się, nawias ostry, minus, jeden, średnik, jeden zamknięcie nawiasu ostrego
f indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, x indeks górny, siedem, koniec indeksu górnego, minus, siedem x indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, plus, dwa x indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, minus, czternaście x indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, trzy x indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, minus, dwadzieścia jeden x indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, sześć x, minus, czterdzieści dwa, mianownik, nawias, x indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, pięć, zamknięcie nawiasu, nawias, x indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, trzy, zamknięcie nawiasu, koniec ułamka
A, równa się, nawias ostry zero, średnik, pięć zamknięcie nawiasu ostrego B, równa się, nawias ostry, minus, dwa, średnik, dwa zamknięcie nawiasu ostrego C, równa się, nawias ostry zero, średnik, dziesięć zamknięcie nawiasu ostrego D, równa się, nawias ostry, minus, jeden, średnik, jeden zamknięcie nawiasu ostrego
f indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, sinus x, mianownik, nawias x indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, jeden zamknięcie nawiasu nawias x indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, plus, dwa zamknięcie nawiasu, koniec ułamka
A, równa się, nawias ostry zero, średnik, pięć zamknięcie nawiasu ostrego B, równa się, nawias ostry, minus, dwa, średnik, dwa zamknięcie nawiasu ostrego C, równa się, nawias ostry zero, średnik, dziesięć zamknięcie nawiasu ostrego D, równa się, nawias ostry, minus, jeden, średnik, jeden zamknięcie nawiasu ostrego
f indeks dolny, pięć, koniec indeksu dolnego, nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, dwa indeks górny, x, koniec indeksu górnego, minus, dwa, mianownik, x indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, trzy, plus, kosinus x, koniec ułamka
A, równa się, nawias ostry zero, średnik, pięć zamknięcie nawiasu ostrego B, równa się, nawias ostry, minus, dwa, średnik, dwa zamknięcie nawiasu ostrego C, równa się, nawias ostry zero, średnik, dziesięć zamknięcie nawiasu ostrego D, równa się, nawias ostry, minus, jeden, średnik, jeden zamknięcie nawiasu ostrego
f indeks dolny, sześć, koniec indeksu dolnego, nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, pierwiastek kwadratowy z x indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, jeden koniec pierwiastka
A, równa się, nawias ostry zero, średnik, pięć zamknięcie nawiasu ostrego B, równa się, nawias ostry, minus, dwa, średnik, dwa zamknięcie nawiasu ostrego C, równa się, nawias ostry zero, średnik, dziesięć zamknięcie nawiasu ostrego D, równa się, nawias ostry, minus, jeden, średnik, jeden zamknięcie nawiasu ostrego
- Funkcja f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, sinus początek ułamka, jeden, mianownik, dwa, koniec ułamka, x, mianownik, x indeks górny, dwa, plus, jeden, koniec ułamka dla x, należy do, nawias ostry, minus, jeden, średnik, jeden zamknięcie nawiasu ostrego wartość zero osiąga dla argumentu x, równa sięTu uzupełnij.
- Funkcja f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, x indeks górny, cztery, minus, cztery x indeks górny, trzy plus, cztery x indeks górny, dwa, minus, cztery x, plus, trzy dla x, należy do, nawias ostry, minus, pięć, średnik, dwa zamknięcie nawiasu ostrego wartość zero osiąga dla argumentu x, równa sięTu uzupełnij.
- Funkcja f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, x indeks górny, cztery, minus, x indeks górny, trzy, minus, szesnaście x indeks górny, dwa, plus, cztery x, plus, czterdzieści osiem dla x, należy do, nawias ostry trzy, średnik, pięć zamknięcie nawiasu ostrego wartość zero osiąga dla argumentu x, równa sięTu uzupełnij.
Korzystają z twierdzenia Darboux, podaj przybliżenie liczby z dokładnością do .
Słownik
pierwiastkiem równania nazywamy wszystkie liczby rzeczywiste spełniające analizowane równanie
funkcję nazywamy ciągłą na przedziale jeśli jest ciągła w każdym punkcie , tzn. istnieje granica
i granica ta jest równa wartości funkcji w tym punkcie, czyli
