RBjg6pkBUOLsK
Ilustracja przedstawia różnokolorową abstrakcję.

M_R_W19_M2 Własności funkcji

Źródło: Gerd Altmann from Pixabay, domena publiczna.

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 4. 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.

Twoje cele
  • Poznasz jedno z podstawowych twierdzeń analizy matematycznej.

  • Nauczysz się prostej metody pozwalającej sprawdzić czy równanie ma rozwiązania.

Twoje cele
  • 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.

Darboux
Twierdzenie: Darboux

Załóżmy, że dana jest funkcja ciągła na przedzialefunkcja ciągła na przedzialefunkcja ciągła na przedziale domkniętym a,b, tzn. f:a,b jest ciągła. Jeżeli fa·fb<0, to istnieje punkt pośredni ca,b taki, że fc=0.

Przeanalizujemy powyższe twierdzenie krok po kroku.

  1. Musimy sprawdzić, czy badana funkcja w zadanym przedziale jest ciągła.

  2. Zapis fa·fb<0 oznacza, że na końcach przedziału wartości funkcji mają różne znaki. Nie musimy badać monotoniczności funkcji, bo nie ma to w tym przypadku znaczenia.

  3. Istnienie punktu pośredniego ca,b takiego, że fc=0 oznacza, że badana funkcja ma miejsce zerowe należące do przedziału a,b, jednak w wielu przypadkach możemy nie być w stanie wyznaczyć tej wartości w sposób analityczny.

  4. Należy zauważyć, że teza twierdzenia jest implikacją, a to oznacza, że jeśli fa·fb>0, to nie możemy nic powiedzieć o istnieniu pierwiastka.

Przykład 1

Sprawdzimy czy równanie 4x-x2=0 ma rozwiązanie w przedziale -1,1.

Rozwiązanie:

Zauważmy na początku, że w zadanym przedziale funkcja fx=4x-x2 jest określona i  ciągła, bowiem zarówno funkcja wykładnicza jak i wielomian są ciągłe, a zatem ich różnica również jest funkcją ciągłą.

Ponadto:

f-1=4-1--12=14-1=-34

f1=41-12=4-1=3

Czyli f-1·f1<0. Zatem na mocy twierdzenia Darboux funkcja fx=4x-x2 na przedziale -1,1 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:

RyxdVlVeVQy0g

utwierdzamy się w przekonaniu o istnieniu rozwiązania równania

4x-x2=0.

Twierdzenie Darboux należy stosować w umiejętny sposób i w razie potrzeby odpowiednio modyfikować przedział, na którym szukamy rozwiązania.

Przykład 2

Zbadamy czy funkcja fx=x6+4x4-20x2-48 ma pierwiastki należące do przedziału -3,3.

Rozwiązanie:

Badana funkcja jako wielomian jest ciągła na całym zbiorze liczb rzeczywistych, czyli w szczególności na przedziale -3,3.

Z drugiej strony

f-3=825>0 oraz f3=825>0.

Na podstawie twierdzenia Darboux nie można wyciągnąć jednoznacznych wniosków o istnieniu pierwiastków w przedziale -3,3. Wystarczy jednak zauważyć, że f0=-48<0, zatem

f-3·f0<0,

czyli na przedziale -3,0 funkcja ma miejsce zerowe oraz

f0·f3<0,

co oznacza, że również na przedziale 0,3 funkcja ma miejsce zerowe.

Reasumując, funkcja f ma co najmniej 2 pierwiastki należące do przedziału -3,3.

Po zapisaniu funkcji w nieco innej postaci

fx=x2-4x2+6x2+2

okazuje się, że funkcja ma dokładnie 2 miejsca zerowe, które można łatwo wyznaczyć:

fx=0, gdy x2-4x2+6x2+2=0, skąd: x=2 lub x=-2.

Twierdzenie Darboux jest podstawą metody równego podziału, inaczej zwanej bisekcją, która pozwala na poszukiwanie miejsc zerowych dowolnej funkcji ciągłej w przedziale a,b, dla której fa·fb<0. Dzięki algorytmowi znajdujemy przybliżone rozwiązanie ze z góry zadaną dokładnością – ustalamy ε>0 i szukamy przybliżonego rozwiązania, które różni się od rozwiązania właściwego o co najwyżej ε>0.

Algorytm bisekcji sprowadza się do następujących kroków:

  1. Sprawdzamy, czy x1=a+b2 jest pierwiastkiem, czyli fx1=0. Jeśli tak, to algorytm się kończy, a x1 jest szukanym rozwiązaniem.

  2. W przeciwnym razie, dopóki nie osiągamy zakładanej dokładności, czyli a-b>ε, to:
    a) jeśli fa·fa+b2<0, to przyjmujemy a1=a oraz b1=a+b2
    b) jeśli fa+b2·fb<0, to przyjmujemy a1=a+b2 oraz b1=b

  3. Ponawiamy procedurę dla przedziału a1,b1 otrzymując przedział a2,b2...

  4. Po osiągnięciu zakładanej dokładności, jako rozwiązanie przyjmujemy x0a+b2.

Przykład 3

Wyznaczymy pierwiastek równaniapierwiastek równaniaWyznaczymy pierwiastek równania x5-x+1=0 w przedziale -2,2 z dokładnością do 116 .

Rozwiązanie:

Przyjmijmy fx=x5-x+1, f-2=-32+2+1=-29<0, f2=32-2+1=31>0, czyli w badanym przedziale jest pierwiastek. Zauważamy, że x1=-2+22=0f0=1>0. Stąd szukany pierwiastek należy do przedziału -2,0. Zatem

x1=-2+02=-1, f-1=-1+1+1=1>0.

Skoro f0·f-2<-1, to miejsce zerowe należy do przedziału -2,-1.

Postępując analogicznie w kolejnych krokach, otrzymujemy:

x1=-2-12=-32, f-32=-24332+32+1<0x0-32,-1

x1=-32-12=-54, f-54<0x0-54,-1

x1=-54-12=-98, f-98>0x0-54,-98

x1=-54-982=-1916, f-1916<0x0-1916,-98,

ale -1916+98=116, czyli jako rozwiązanie przyjmujemy środek przedziału i ostatecznie mamy:

x0-98-19162=-3732.

Polecenie 1

Zapoznaj się z przykładami zaprezentowanymi w filmie i wykonaj polecenia znajdujące się poniżej.

RrXUzJltgUD20
Film nawiązujący do treści lekcji dotyczącej zastosowania twierdzenia Darboux.
Polecenie 2

Wiadomo, że wykres ciągłej funkcji fx przechodzi przez punkty -5,5; -2,-5; 0,0; 2,-6; 5,6. Wyznaczyć ile co najmniej rozwiązań należących do przedziału -5,5 mają równania:

a) fx=π2

b) fx=-3

Polecenie 3

Wykaż, że funkcja fx=x5+x3+1x2+2 ma co najmniej jeden pierwiastek należący do przedziału -2,2.

1
Pokaż ćwiczenia:
R7TdgqNmUZCsf11
Ćwiczenie 1
Łączenie par. Zaznacz przedziały, w których funkcja f ma co najmniej jedno miejsce zerowe.. f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, dwa x, plus, trzy. Możliwe odpowiedzi: nawias, minus, zero przecinek pięć, średnik, dwa, zamknięcie nawiasu, nawias, minus, jeden, średnik, jeden, zamknięcie nawiasu, nawias, minus, pięć, średnik, pięć, zamknięcie nawiasu, nawias, jeden, średnik, dziesięć, zamknięcie nawiasu. f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, x indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, pięć x, minus, sześć. Możliwe odpowiedzi: nawias, minus, zero przecinek pięć, średnik, dwa, zamknięcie nawiasu, nawias, minus, jeden, średnik, jeden, zamknięcie nawiasu, nawias, minus, pięć, średnik, pięć, zamknięcie nawiasu, nawias, jeden, średnik, dziesięć, zamknięcie nawiasu. f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, x indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, minus, początek ułamka, jeden, mianownik, dwa, koniec ułamka, x indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, minus, początek ułamka, dziewięć, mianownik, cztery, koniec ułamka, x, plus, początek ułamka, dziewięć, mianownik, osiem, koniec ułamka. Możliwe odpowiedzi: nawias, minus, zero przecinek pięć, średnik, dwa, zamknięcie nawiasu, nawias, minus, jeden, średnik, jeden, zamknięcie nawiasu, nawias, minus, pięć, średnik, pięć, zamknięcie nawiasu, nawias, jeden, średnik, dziesięć, zamknięcie nawiasu. f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, sinus x. Możliwe odpowiedzi: nawias, minus, zero przecinek pięć, średnik, dwa, zamknięcie nawiasu, nawias, minus, jeden, średnik, jeden, zamknięcie nawiasu, nawias, minus, pięć, średnik, pięć, zamknięcie nawiasu, nawias, jeden, średnik, dziesięć, zamknięcie nawiasu
1
Ćwiczenie 2
R1JpKMJTQZ7a9
Wskaż przedziały, na których badana funkcja ma miejsca zerowe. f indeks dolny, jeden, koniec indeksu dolnego, nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, x indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, minus, dwadzieścia trzy x indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, osiemnaście x, plus, czterdzieści
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
RYF1bZYKvtU7t2
Ćwiczenie 3
Wybierz jedno nowe słowo poznane podczas dzisiejszej lekcji i ułóż z nim zdanie.
21
Ćwiczenie 4
Rz9KdSX2aCRAv
Wybierz jedno nowe słowo poznane podczas dzisiejszej lekcji i ułóż z nim zdanie.
RtunQegzwU5zp
Jakie są miejsca zerowe podanych funkcji? Korzystając z twierdzenia Darboux, uzupełnij luki, wpisując odpowiednie liczby.
  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
2
Ćwiczenie 5
RRj96vc8IeHEu
Korzystając z twierdzenia Darboux wykazać, że funkcja f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, x indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, minus, jeden, mianownik, x indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, minus, cztery, koniec ułamka ma dwa pierwiastki należące do przedziału nawias, minus, początek ułamka, trzy, mianownik, dwa, koniec ułamka, przecinek, początek ułamka, trzy, mianownik, dwa, koniec ułamka, zamknięcie nawiasu. Uszereguj kolejność operacji. Elementy do uszeregowania:
2
Ćwiczenie 6
RWny8ayjyTdD2
Rozważmy funkcję f działającą z domkniętego zbioru od minus trzy do trzy do zbioru liczb rzeczywistych daną wzorem f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, x indeks górny, trzy, plus, cztery x indeks górny, dwa, minus, dziewięć x, minus, trzydzieści trzy. Wskaż zdanie prawdziwe. Możliwe odpowiedzi: 1. Funkcja f jest stała, gdyż f nawias, trzy, zamknięcie nawiasu, równa się, f nawias, minus, trzy, zamknięcie nawiasu., 2. Funkcja f nie posiada miejsca zerowego, gdyż f nawias, trzy, zamknięcie nawiasu, równa się, f nawias, minus, trzy, zamknięcie nawiasu., 3. Funkcja f ma dokładnie jedno miejsce zerowe., 4. Funkcja ma przynajmniej dwa miejsca zerowe.
3
Ćwiczenie 7

Korzystają z twierdzenia Darboux, podaj przybliżenie liczby 3 z dokładnością do 116.

R1Az2MtljDAU83
Ćwiczenie 8
Rozważmy cztery funkcje w ich naturalnych dziedzinach. Zastanów się, czy mają one miejsca zerowe. Dopasuj wzory funkcji do właściwych opisów. f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, początek ułamka, jeden, mianownik, x, koniec ułamka Możliwe odpowiedzi: 1. Brak miejsc zerowych - funkcja spełnia wszystkie założenia twierdzenia Darboux, ale przyjmuje tylko wartości dodatnie., 2. Brak miejsc zerowych - funkcja jest ciągła w swojej dziedzinie, ale dziedziną nie jest przedział., 3. Funkcja ma miejsce zerowe gdyż jest ciągła, określona na przedziale oraz f nawias, zero, zamknięcie nawiasu, większy niż, zero oraz f nawias, minus, jeden, zamknięcie nawiasu, mniejszy niż, zero., 4. Brak miejsc zerowych - funkcja nie jest ciągła. f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, nawias klamrowy, układ równań, pierwsze równanie, x, minus, trzy, przecinek, x, mniejszy niż, zero, koniec równania, drugie równanie, x, plus, dwa, przecinek, x, większy równy, zero, koniec równania, koniec układu równań Możliwe odpowiedzi: 1. Brak miejsc zerowych - funkcja spełnia wszystkie założenia twierdzenia Darboux, ale przyjmuje tylko wartości dodatnie., 2. Brak miejsc zerowych - funkcja jest ciągła w swojej dziedzinie, ale dziedziną nie jest przedział., 3. Funkcja ma miejsce zerowe gdyż jest ciągła, określona na przedziale oraz f nawias, zero, zamknięcie nawiasu, większy niż, zero oraz f nawias, minus, jeden, zamknięcie nawiasu, mniejszy niż, zero., 4. Brak miejsc zerowych - funkcja nie jest ciągła. f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, x indeks górny, dwa, plus, cztery Możliwe odpowiedzi: 1. Brak miejsc zerowych - funkcja spełnia wszystkie założenia twierdzenia Darboux, ale przyjmuje tylko wartości dodatnie., 2. Brak miejsc zerowych - funkcja jest ciągła w swojej dziedzinie, ale dziedziną nie jest przedział., 3. Funkcja ma miejsce zerowe gdyż jest ciągła, określona na przedziale oraz f nawias, zero, zamknięcie nawiasu, większy niż, zero oraz f nawias, minus, jeden, zamknięcie nawiasu, mniejszy niż, zero., 4. Brak miejsc zerowych - funkcja nie jest ciągła. f nawias, x, zamknięcie nawiasu, równa się, pierwiastek kwadratowy z siedem x indeks górny, dwa, plus, trzy pierwiastek kwadratowy z trzy x, plus, jeden Możliwe odpowiedzi: 1. Brak miejsc zerowych - funkcja spełnia wszystkie założenia twierdzenia Darboux, ale przyjmuje tylko wartości dodatnie., 2. Brak miejsc zerowych - funkcja jest ciągła w swojej dziedzinie, ale dziedziną nie jest przedział., 3. Funkcja ma miejsce zerowe gdyż jest ciągła, określona na przedziale oraz f nawias, zero, zamknięcie nawiasu, większy niż, zero oraz f nawias, minus, jeden, zamknięcie nawiasu, mniejszy niż, zero., 4. Brak miejsc zerowych - funkcja nie jest ciągła.

Słownik

pierwiastek równania
pierwiastek równania

pierwiastkiem równania nazywamy wszystkie liczby rzeczywiste spełniające analizowane równanie

funkcja ciągła na przedziale
funkcja ciągła na przedziale

funkcję fx nazywamy ciągłą na przedziale a,b jeśli jest ciągła w każdym punkcie x0a,b, tzn. istnieje granica

limxx0fx

i granica ta jest równa wartości funkcji w tym punkcie, czyli

limxx0fx=fx0