• Nem Talált Eredményt

A függvénygrafikon ívhossza

In document Valós analízis I-II. (Pldal 171-177)

folytonossága és határértéke

9. A függvénygrafikon ívhossza

Az analízis egyik alapfeladata a hosszúságok, területek és térfogatok mérése. A következőkben egy speciális esettel, a függvénygrafikonok hosszúságának értelmezésével foglalkozunk9.

A pontokat összekötő szakaszt -val jelöljük, azaz . A

szakasz hosszúsága (definíció szerint) a végpontjainak távolsága, azaz . Töröttvonalnak (vagy poligonnak) nevezzük azokat a halmazokat, amelyek csatlakozó szakaszok uniói. Egy töröttvonal tehát alakú, ahol a sík tetszőleges pontjai. A töröttvonal hossza az

alkotó szakaszok hosszainak összege, azaz .

Mivel „két pont között legrövidebb út az egyenes”, ezért egy görbe hossza (bárhogyan értelmezzük is) nem lehet kisebb a végpontjainak távolságánál. Ha a görbébe „beírjuk” a

töröttvonalat, akkor tehát az és pontokat összekötő részív hossza legalább , és így a teljes

görbe hossza legalább kell, hogy legyen. Másfelől – ismét a

szemléletre hivatkozva – azt várhatjuk, hogy egy „elég finom” beírt töröttvonal annyira „megközelíti” a görbét, hogy a hosszúsága is közel lesz a görbe hosszához. Mindezekből azt szűrhetjük le, hogy a görbe ívhossza egyenlő a beírt töröttvonalak hosszainak szuprémumával. Ezt a megállapítást fogjuk definícióként elfogadni.

Emlékeztetjük az olvasót, hogy az függvény grafikonját -fel jelöljük.

9.77. Definíció. Legyen tetszőleges függvény és legyen az

intervallum egy felosztása. Az függvény grafikonjának az felosztáshoz tartozó beírt poligonján az pontokat összekötő poligont értjük. A grafikon ívhossza az összes beírt poligon hosszaiból álló halmaz felső határa. (Ez lehet végtelen is.) Az grafikonjának ívhosszát -vel jelöljük. Így

Azt mondjuk, hogy rektifikálható, ha véges.

9Erre a trigonometrikus függvények értelmezésénel lesz szükségünk. Általánosabb görbék ívhosszának értelmezését és kiszámítását a 15. fejezetben fogjuk tárgyalni.

9. Függvények folytonossága és határértéke

9.17. ábra

Jegyezzük meg, hogy ha , akkor minden függvényre.

9.78. Tétel.

i. Tetszőleges függvényre

9.25. egyenlet - (9.25)

és így esetén .

ii. Ha monoton, akkor rektifikálható, és

9.26. egyenlet - (9.26)

Bizonyítás. Nyilvánvaló, hogy nem kisebb egyetlen beírt poligon hosszánál sem. Mármost az és pontokat összekötő szakasz is egy beírt poligon, amely az felosztáshoz

tartozik. Mivel e szakasz hossza , ezért (9.25) fennáll.

Most tegyük fel, hogy monoton növő, legyen az intervallum egy

felosztása, és jelöljük az pontot -vel minden -re. Ekkor monotonitását

felhasználva

minden -re, amiből

Mivel a felosztás tetszőleges volt, ezzel (9.26)-ot beláttuk. Ha monoton csökkenő, akkor hasonlóan okoskodhatunk, vagy az állítást visszavezethetjük a monoton növő függvény esetére a függvényre való áttéréssel.

9.79. Megjegyzés. Mivel nem minden monoton függvény folytonos, így az előző tétel (ii) állítása szerint vannak olyan függvények, amelyek nem mindenütt folytonosak, de a grafikonjuk mégis rektifikálható. Tehát a rektifikálhatóság általánosabb fogalom, mint amit az „ívhossz" szó szemléletesen sugall.

A következő tétel állítását úgy is kifejezhetjük, hogy az ívhossz additív.

9.80. Tétel. Legyen és . Ha rektifikálható, akkor

9.27. egyenlet - (9.27)

A tételt a fejezet függelékében bizonyítjuk.

A következőkben szükségünk lesz egy egyszerű geometriai tényre.

9.81. Lemma. Ha konvex sokszögek és , akkor kerülete nem nagyobb kerületénél.

Bizonyítás. A sokszöget egy oldalegyenesével levágva egy -t tartalmazó és -nél nem nagyobb kerületű sokszöget kapunk. Az eljárást folytatva a sorozatot kapjuk, amelyben mindegyik sokszög kerülete nem nagyobb az előzőnél.

A körvonal ívhossza. Jelöljük -val az origó középpontú egység sugarú körvonalat. A körvonalnak az felső félsíkba eső része legyen . Nyilvánvaló, hogy megegyezik a

intervallumon értelmezett függvény grafikonjával. Mivel a függvény monoton mind a , mind a intervallumon, ezért a fenti tételek szerint grafikonja rektifikálható.

A grafikon (vagyis a félkörív) ívhosszát -vel jelöljük.

Az előző két tételből a becslést olvashatjuk ki, ahol a érték a

felosztáshoz tartozó beírt poligon hossza. A félkörbe különböző más poligonokat beírva különböző alsó becsléseket kaphatunk -re, és ezek segítségével -t tetszőleges pontossággal megközelíthetjük (legalábbis elvben).

Ha a egységkört belefoglaljuk egy tetszőleges konvex sokszögbe, akkor a 9.81. Lemma szerint bármely -ba írt poligon hossza nem nagyobb hosszánál. Így e beírt poligonok hosszainak szuprémuma – vagyis – sem lehet hosszánál nagyobb.

Az így nyert alsó és felső becslések segítségével meg lehet mutatni, hogy .10 A szám – az -hez hasonlóan – irracionális11. Azt is meg lehet mutatni, hogy a szám – csakúgy, mint az – transzcendens, ennek a bizonyítása azonban meghaladja e könyv kereteit.

10Lásd a Számítástechnika és analízis című függeléket (l. 20.4.3. alfejezetet).

11Ezt később belátjuk az integrálszámítás számelméleti alkalmazásai között a II. kötetben.

9. Függvények folytonossága és határértéke

9.18. ábra

9.82. Megjegyzés. A trigonometrikus függvények értelmezéséhez szükségünk lesz arra a (szemléletesen nyilvánvaló) tényre, hogy a körre az pontból kiindulva tetszőleges hosszúságú ívet „felmérhetünk”.

Tekintsük azt az esetet, amikor . Azt kell belátnunk, hogy van olyan szám, amelyre

. Az jelöléssel ez azt jelenti, hogy az függvény a

intervallumban minden és közötti értéket felvesz.

9.83. Tétel. Az függvény szigorúan monoton csökkenő és folytonos -ben.

Bizonyítás. Ha , akkor a 9.80. Tétel szerint

Mivel , ebből következik, hogy szigorúan monoton csökkenő -ben.

Mivel a függvény monoton mind -ban, mind -ben, ezért (9.26) alapján

valahányszor vagy . Így

9.28. egyenlet - (9.28)

ha vagy . Mivel a függvény folytonos -ben, ezért

minden -re, amiből (9.28) alapján azonnal következik, hogy folytonos -ben.

Mármost az előző tétel, valamint a Bolzano–Darboux-tétel szerint az függvény minden és közötti értéket felvesz -ben, méghozzá pontosan egyszer. Mivel (hiszen ez volt definíciója) és , ezzel beláttuk, hogy ha , akkor a körre valóban felmérhetünk egy hosszúságú ívet. Mi a helyzet az egyéb hosszúságokkal? Mivel a félkörív hossza , ezért ha egy hosszúságú ívet felmérhetünk, akkor egy (vagy ) hosszúságú ívet is, és ekkor a körvonal átellenes pontjába jutunk.

9.1. Feladatok

9.103. Legyen olyan függvény, amelyre . Bizonyítsuk be, hogy konstans.

9.104. Bizonyítsuk be, hogy az függvény akkor és csak akkor lineáris (azaz alakú alkalmas és konstansokkal), ha

9.105. Bizonyítsuk be, hogy ha grafikonja rektifikálható, akkor korlátos -ben.

9.106. Bizonyítsuk be, hogy ha grafikonja rektifikálható, akkor -nek minden pontban létezik a jobb oldali határértéke, és minden pontban létezik a bal oldali határértéke.

9.107. Bizonyítsuk be, hogy sem a Dirichlet-függvény, sem a Riemann-függvény intervallum feletti grafikonja nem rektifikálható.

9.108. Legyen az függvény a következőképpen értelmezve: , ha ( ), és egyébként. Bizonyítsuk be, hogy grafikonja rektifikálható. Mennyi az ívhossza?

9.109. Bizonyítsuk be, hogy ha Lipschitz, akkor a grafikonja rektifikálható.

10. Függelék: A 9.80. Tétel bizonyítása

9. Függvények folytonossága és határértéke

Jelöljük az , illetve intervallum felosztásaihoz tartozó beírt poligonok hosszainak halmazát

-gyel, -vel, illetve -sel. Ekkor , és az ívhossz

definíciója szerint.

Mivel az és intervallumok egy-egy felosztása együtt az intervallum egy felosztását adják, ezért bármely -beli számnak és bármely -beli számnak az összege -ben van. Ez azt jelenti, hogy

. A 2.20. Tétel szerint , amiből azt kapjuk, hogy

Most belátjuk, hogy

9.29. egyenlet - (9.29)

Legyen az intervallum egy felosztása, és jelöljük az pontot

-vel. Ekkor az -hez tartozó poligon hossza . Ha a pont egyenlő az pontok

valamelyikével, mondjuk -val, akkor , illetve

az , illetve intervallum egy-egy felosztása, tehát

Mivel , ezért . Ha a pont az pontok egyikével sem egyenlő

és , akkor legyen és

. Jelöljük -val a pontot. Az és felosztásokhoz tartozó poligonhosszak

Mármost a háromszög-egyenlőtlenség szerint

amiből világos, hogy . Így minden

felosztásra, amiből (9.29.) nyilvánvaló.

In document Valós analízis I-II. (Pldal 171-177)