• Nem Talált Eredményt

Differenciálszámítás és alkalmazásai

A differenciálszámítás a legfontosabb anyagrészek egyike. A differenciálhányados fogalma a függvény határértékére épül. Jelen fejezetben az egyváltozós függvények differenciálásával foglalkozunk, de későbbiekben többváltozós függvényeket is deriválni fogunk. Részletesen ismertetjük a főbb deriválási szabályokat, elemi függvények deriváltjait, valamint a derivált geometriai jelentésével is megismerkedünk.

Az alkalmazási lehetőségek messze túlmutatnak e jegyzet keretein, azonban a főbb területekre egy-egy példával szolgálunk majd. Bemutatjuk például, hogy hogyan kell egy függvény elaszticitását kiszámolni, egy ráfordítás-hozam görbe fedezeti pontját meghatározni, valamint egy függvény teljes vizsgálatát elkészíteni különös tekintettel a szélsőértékek meghatározására. Szöveges szélsőérték problémákat oldunk majd meg, és vesszük a L’Hospital szabályt is, mint a deriválás alkalmazását határozatlan alakú határértékek kiszámítására.

6.1. Példa. Határozzuk meg az f(x) = 2x2 függvénynek az x0 = 1 helyhez tartozó differenciahányados függvényét, majd vizsgáljuk meg, hogy f(x) differenciálható-e az x0-ban (adjuk meg az x0 = 1 helyhez tartozó differenciálhányadost).

Megoldás:

(1) 2x 2, differenciálhányados: lim 2x 2 4.

1 származtatottja az azonosan 0 függvény.

(2) f(x) = x függvény differenciahányadosa

, származtatottja az azonosan 1 függvény.

(3) f(x) = x2 mindenütt differenciálható, hiszen

  

53

6.3. Példa. Tekintsük az f(x) = |x| függvényt és vizsgáljuk az x0 = 0 helyen folytonosság és a differenciálhatóság tekintetében. Mutassuk meg, hogy folytonos a függvény a 0-ban, de ott mégsem differenciálható.

Megoldás:

A függvény grafikonját a 9. ábra mutatja be. A függvény az értelmezési tartománya (R) minden helyén folytonos, így a 0-ban is, mivel a helyettesítési érték megegyezik a határértékkel (a bal és jobb oldali határértékeket számítva mindkét esetben 0-t, kapunk). A 0 helyen a differenciálhányados:

Ez azt jelenti, hogy a differenciahányadosnak a 0 pontban nincs határértéke, hiszen a jobb és bal oldali határérték nem egyezik meg, mivel

1

Tehát a függvénynek a 0 helyen nem létezik a deriváltja, nem differenciálható.

6.4. Példa. Határozzuk meg az alábbi függvények deriváltjait!

(1) f(x) = 6x2 − 7x + 5x + ex − 8cos(x), x ∈ R,

Megoldás:

(1) Az összeg, különbség és a skalárszoros függvény deriválási szabálya alapján:

f′(x) = (6x2)′ − (7x)′ + (5x)′ + (ex)′ − (8cos(x))′ = 12x − 7 + 5x · ln5 + ex − 8(−sin(x)) = 12x − 7 + 5x · ln5 + ex + 8sin(x).

(2) A szorzat függvény deriválási szabálya alapján:

f′(x) = (3x2 + 6x)′sin(x) + (3x2 + 6x)(sin(x))′ = (6x + 6)sin(x) + (3x2 + 6x)cos(x).

(3) A hányados és szorzat függvény deriválási szabálya alapján:

54 alkalmazni:

h′(x) = f′(g(x)) · g′(x) = 4(x2 − 2x + 5)3 · (2x − 2).

(5) Mivel a h függvény a g(x) = 7x2 és az f(u) = lnu függvények segítségével h(x) = f(g(x)) alakban állítható elő, így az összetett függvény deriválási szabálya alapján:

. segítségével h(x) = f(g(z(x))) alakban állítható elő, így az összetett függvény deriválási szabálya alapján:

).

6.5. Példa. Vizsgáljuk meg a

6

Megoldás:

Ha az x → 2, akkor látható, hogy mind a számláló, mind pedig a nevező is a 0-hoz tart, hiszen a számláló és a nevező is folytonos az x0 = 2 helyen, és itt a helyettesítési érték 0. Mivel az x0 = 2 alkalmasan választott környezetében teljesülnek a differenciálhatóságra vonatkozó feltételek, alkalmazhatjuk a L’Hospital-szabályt:

. határértékkel lesz egyenlő, vagyis

.

Ugyanezt az eredményt kaptuk volna a tört előzetes egyszerűsítése után is.

6.6. Példa. Határozzuk meg a 2

Megoldás:

Látható, hogy a 0 hely egy alkalmasan választott környezetében teljesülnek a differenciálhatóság feltételei, a 0 helyen a kifejezés

0

0 alakú. Alkalmazva a L’Hospital-szabályt:

. lim sin(

x 1 ) x lim cos(

0

55 Mindeközben felhasználtuk a 1

x ) x lim sin(

0 x

nevezetes határértéket.

6.7. Példa. Határozzuk meg a x

2

x 2

x

lim határértéket.

Megoldás:

A számláló és a nevező határértéke egyaránt végtelen, így a kifejezés

határozatlan alakú.

Alkalmazható a L’Hospital-szabály:

. 2 ln 2

x 2 lim 2 x

lim x x x

2

x

A tört még most is

alakú, ismét alkalmazzuk a L’Hospital-szabályt:

ln 2.

2 lim 2 2 ln 2

x lim 2

x 2 x x

x

A számláló véges, a nevező határértéke végtelen, így a tört határértéke 0, azaz

. 0 2 x lim x

2

x

6.8. Példa. Határozzuk meg a

3 x 2 x 6

6 x 5 x lim 3

3 3

x

határértéket.

Megoldás:

A számláló és a nevező határértéke egyaránt végtelen, így a kifejezés

határozatlan alakú.

A L’Hospital-szabályt ismét alkalmazva újból

alakú törthöz jutunk, így a szabályt újra alkalmazni kell. Összesen háromszor alkalmazva a L’Hospital-szabályt végül eljutunk a határértékhez, ami véges lesz:

2 1 x 36

x lim 18 2 x 18

5 x lim 9 3 x 2 x 6

6 x 5 x lim 3

2 x 2

3 x 3

x

.

6.9. Példa. Vizsgáljuk meg az f(x) = x3 − 5x2 függvényt!

(1) A függvény értelmezési tartománya a valós számok halmaza, azaz Df = R.

(2) Határozzuk meg, hogy hol van a függvénynek zérushelye.

Ehhez az x3 − 5x2 = 0 egyenletet kell megoldanunk.

x3 − 5x2 = 0, x2 (x − 5) = 0, x1 = 0 vagy x2 = 5.

Tehát a függvénynek két zérushelye van: x1 = 0 és x2 = 5.

56

(3) Mivel a függvénynek nincs szakadási helye, ezért a határértéket csak a ±∞-ben kell vizsgálnunk.



2 3 x

x 5 x lim





2 3 x

x 5 x lim

(4) A függvénynek ott lehet szélsőértékhelye, ahol f′(x) = 0.

Mivel f′(x) = 3x2 − 10x, meg kell oldanunk a 3x2 − 10x = 0 egyenletet.

x (3x − 10) = 0, x1 = 0, x2 =

3 10 .

Számítsuk ki továbbá a szélsőértékhelyekhez tartozó értékeket:

f(0)=0 és

27 500 3

f 10

(23. ábra).

(5) A függvénynek ott lehet inflexiós pontja, ahol f’’(x) =0. Mivel f’’(x) = 6x – 10, így meg kell oldanunk a 6x – 10 = 0 egyenletet.

x3 =

3 5 6 10 .

(6) Táblázatot készítünk a lehetséges szélsőértékhelyek és inflexiós pontok segítségével (3. táblázat).

3. táblázat: A lehetséges szélsőértékhelyek és inflexiós pontok vizsgálata

x < 0 x = 0 0 < x <

3

5 x =

3 5

3

5 < x <

3

10 x =

3 10

3 10 < x

f’’ – – – 0 + + +

f’ + 0 – – – 0 +

f MAX

I.P. MIN

konkáv konvex

Forrás: Bíró és Vincze (2000)

57 (7) A függvény grafikonja (23. ábra).

23. ábra: Az f(x) = x3 – 5x2 függvény ábrája

Forrás: Bíró és Vincze (2000)

(8) A függvény értékkészlete: Rf = R.

6.10. Példa. Vizsgáljuk meg az f(x) =

x

x 1 függvényt.

Megoldás:

(1) Az f függvény értelmezési tartománya: Df = R\{0}.

(2) Az

x

x 1 = 0 egyenlet megoldása adja a függvény zérushelyét. Mivel ennek az egyenletnek nincs megoldása (x2 + 1 = 0-ból kifejezve x2 = -1 miatt), így a függvénynek nincs zérushelye.

(3) Meg kell vizsgálnunk a függvény határértéke a ben és a 0-ban.

, x x 1 lim

x

és .

x x 1 lim

x





. n n lim 1

n 0 1

1 n

0 1 lim x x 1 lim

, n n lim 1

n 0 1

1 n

0 1 lim x x 1 lim

n n

0 0 x

n n

0 0 x



(4) Keressük meg a függvény szélsőértékhelyeit.

, x 1 1 ) x ( '

f 2

azaz az 0

x 1 1

2

egyenletet kell megoldanunk, amelynek két megoldása van:

x1 = 1 és x2 = -1. Ezek alapján y1 = 2 és y2 = -2 a két függvényérték.

58

(5) Határozzuk meg az f függvény lehetséges inflexiós pontjait.

, x ) 2 x ( ' '

f 3

Így a 0

x 2

3 egyenletet kell megoldanunk, aminek nincs megoldása, így a függvénynek nincs inflexiós pontja.

(6) Készítsük el a szükséges táblázatot (4. táblázat) az 1,-1,0 pontok segítségével.

4. táblázat: A lehetséges szélsőértékhelyek és inflexiós pontok vizsgálata

x < -1 x = -1 -1 < x < 0 x = 0 0 < x < 1 x = 1 1 < x

f’’ – – – | + + +

f’ + 0 – | – 0 +

f MAX szakadási

hely

MIN

konkáv konvex

Forrás: Bíró és Vincze (2000)

(7) A függvény grafikonja (24. ábra).

24. ábra: Az f(x) =

x

x 1 függvény ábrája

Forrás: Bíró és Vincze (2000)

6.11. Példa. Tegyük fel, hogy egy gép vételára 1 200 000 Ft. A gép értéke az idő múlásával csökken, „t” idő alatt az eredeti vételárának

50 t ) 50 t (

f -szeresére. A fenntartási költségek időfüggvénye g(t) = 400t2. Állapítsuk meg, hogy hány évig érdemes a traktort üzemeltetni.

Megoldás:

Egy gépet addig érdemes üzemeltetni, amíg átlagos használati költsége minimálissá nem válik. Esetünkben az átlagos használati költségfüggvény legyen:

6 400 t2

50 t 1 50 10 2 , 1 t ) 1 t (

K .

59

Ennek a költségfüggvénynek kell tehát a minimumát meghatározni. Szélsőértéke ott lehet a függvénynek, ahol K’(t) = 0. Az alábbi egyenletet kell tehát megoldanunk:

 

5. táblázat: A költségfüggvény lehetséges szélsőértékhelyeinek vizsgálata 0  t  4,8 t = 4,8 4,8  t

f’ - 0 +

f MIN

konvex

Forrás: Bíró és Vincze (2000)

Az 5. táblázatból leolvasható, hogy a traktort kb. 4 – 5 évig érdemes használni.

6.12. Példa. A víz molekulái [H3O+] és [OH] ionokra disszociálnak.

ahol […] az egyensúlyi koncentrációt jelenti, a K pedig egy pozitív állandó.

A felírt egyenlőség azt jelenti, hogy savat adva a vízhez az oxónium-ionok koncentrációja növekszik, a hidroxid-ionok koncentrációja pedig megfelelő mértékben csökken. Mikor lesz a vízben a legkevesebb OH és H3O+ ion együttesen?

60 Megoldás:

Amikor az ionok össz-száma a legkevesebb, akkor nyílvánvalóan az S = [H3O+] + [OH] összeg minimális. Legyen [H3O+] = x, ekkor [OH] =

x

. Feladatunk az S(x) = x +

x

függvény minimumhelyének megkeresése. Szélsőértéke ott lehet a függvénynek, ahol az S’(x) = 0, azaz

0 x 1 2

x2 x .

A nem lehet megoldás. Vizsgáljuk meg a második derivált segítségével, hogy az

x valóban szélsőértékhely-e!

2 , ) ( '

' 3

x x

S így 2 0.

) ( ' '

3

S K H2O

H3O

 

OH

10 14.

A keresett minimum tehát:

[H3O+] = , de akkor [OH] =

.

Tehát a disszociált vízmolekulák száma akkor a legkevesebb, ha a kétféle ion azonos számban van jelen (vagyis semleges kémhatás jelentkezik). Mérések alapján 10 14,tehát minimum esetén:

H3O

 

OH

10 7. A megfelelő pH érték pedig: -lg10-7 = 7.

6.13. Példa. Tegyük fel, hogy az őszibarack x ára, és a vásárlók f(x) igénye között az alábbi összefüggés van:

. 10 x ) 1000 x (

f

Hány %-kal változik a kereslet, ha az árat x = 150 Ft-ról 5%-kal megnöveljük, vagy ha 3%-kal lecsökkentjük?

Megoldás:

Mivel

) x ( ' f ) x ( f ) x x (

E , és ,

) x 10 ( ) 1000 x ( '

f 2

így

. 10 x

x )

x 10 (

1000 1000

10 x x

) x (

E 2

,

. 94 , 0 160

) 150 150 (

E

Ez azt jelenti, hogy az ár 1%-os növekedéséhez a kereslet -0,94-os növekedése (azaz csökkenése) tartozik. 5%-os árnövekedés esetén: 5∙(-0,94)% = -4,7%, azaz 4,7%-os keresletcsökkenés mutatkozik, míg ha az ár 3%-kal csökken, akkor -3(-0,94)% 2,8%, vagyis közel 2,8%-os az igénynövekedés.

61

6.14. Példa. Tekintsük az f: Df R+, f(x) = -0,008x3 + 0,72x2 + 4x adott ráfordítás hozam függvényünket, és legyen az x és f(x) mértékegysége 1 000 Ft. Deriválás segítségével válaszoljon a következő kérdésekre:

(1) Hol lesz maximális a hozam értéke?

(2) Hol ad 1.000 Ft plusz ráfordítás 1.000 Ft plusz termelési értéket? Azaz a nyereség mikor lesz 0?

(3) Hol lesz maximális az 1 000 Ft ráfordításra eső termelési növekedés?

(4) Mikor lesz az átlagos hatékonyság maximális?

Megoldás:

(1) A hozam értéke ott lesz maximális, ahol f’(x) = 0 és f’’(x) < 0, tehát az

f’(x) = -0,024x2 + 1,44x + 4 = 0 egyenletet megoldva az x1 = 62,6 és x2 = -2,7 gyököket kapjuk. Az x2 nem lehet megoldás, így ha x1 = 62,6, akkor f(x1) = 1 109. Ezt a pontot a beruházás során csak akkor célszerű elérni, ha bármilyen áron maximális hozamra törekszünk.

(2) A nyereség akkor lesz 0, ha a függvény meredeksége 1, azaz f’(x) = 1. Ekkor a

-0,024x2 + 1,44x + 4 = 1 egyenletet kell megoldanunk, azaz -0,024x2 + 1,44x + 3 = 0, amiből adódik, hogy x1 = 62, x2 = -2 a megoldásai, de az x2 nem jöhet szóban.

(3) 1 000 Ft ráfordításra eső termelési növekedés maximuma akkor van, amikor f’(x) maximális, azaz f’’(x) = 0, és f’’ az adott pontban előjelet vált. Esetünkben az

f’’(x) = -0,048x + 1,44 = 0 egyenletet kell megoldani. Ennek egyetlen gyöke x = 30, és ebben a pontban f’’ előjelet is vált. A megoldás azt jelenti, hogy a 30 000 Ft-os befektetést mindenképpen célszerű meghaladni, mert ekkor növekszik leggyorsabban a bevétel.

(4) Adott pontbeli átlagos hatékonyságról kimutatható, hogy megegyezik az origótól a ponthoz húzott szelő meredekségével. Ez akkor maximális, ha a szelő éppen érinti a görbét. Mivel a görbét érintő egyenes meredeksége a derivált, ezért a következő egyenlet megoldására vezetjük vissza a problémát:

x ) x ( ) f x ( '

f

Meg kell tehát oldanunk az

x

x 4 x 72 , 0 x 008 , 4 0 x 44 , 1 x 024 , 0

2 3

2

egyenletet, melynek a megoldása: x = 45.

Ez azt jelenti, hogy 45 000 Ft-os befektetésnél lesz maximális az átlagos hatékonyság, azaz eddig a pontig érdemes elmenni a befektetéssel.

62 Kitűzött feladatok

1. Deriválja a következő függvényeket

a)

x x 2 x y 3

3 2

b) 2

3

x x 6 x 5

y

c) 6

x 1 y

d)

1 x

x y 2

2

e) y 3 x f)

6 x 4

x 3 x y 2

2

g)

4 3

x

y 2 h)

2 x

2 x y

3

i) y x4 x

j) y x

5x x2

k)

3 21

x

y 1 l)

3 x 5

x 6 2 x 4

x 3

y 2

m) y 3x 72 n)

5 x

x x

y 3 o) y e5x cos x

p) y 5x6 4x4 3x3 r) y 6tgx cos x s) 2 x 5 x x 3 y

6

t) y 5ln x 3ln x u) y

5x3 4x2 1

3 v) y ln3x 4 2. Feladatok teljes függvényvizsgálatra

a) f(x) x3 3x2 3x 8 b)

x x 1 ) x (

f c) 2

x 1 ) x x (

f

d) f(x) x3 48x e) f(x) x4 8x2 f) 2

x x 4 ) x (

f

g)

x 1 ) x x ( f

2

h) 2

2

x 1 ) x x (

f i) 2

2

x 1 ) x x (

f

j) f(x) x x2 k) f(x) x x3 l) f(x) x2 x4

3. Oldja meg a következő szélsőérték-feladatokat!

a) Egy felül nyitott, négyzet alapú egyenes hasáb alakú doboz készítéséhez 2m2 területű lemezt használtunk fel. Hogyan válasszuk meg a doboz méreteit, hogy a térfogata s legnagyobb legyen, és mekkora ez a legnagyobb térfogat?

b) Egy felül nyitott, henger alakú 2m3 térfogatú mérőedényt akarunk készíteni. Hogyan válasszuk az edény alapsugarát és magasságát, hogy minél kevesebb lemezt használjunk fel, és mennyi lesz a felhasznált hosszmennyiség?

c) Adott V térfogatú, négyzet alapú egyenes hasáb élei milyen méretűek legyenek, hogy a felülete minimális legyen?

d) Egy gazdaság 2 500m3 termény befogadására alkalmas egyenes henger formájú alul-felül zárt gabonasilót készített. Milyenek legyenek a méretei, hogy a legkevesebb anyagfelhasználásával lehessen elkészíteni?

63

e) Vízparton egy 500m3 területű téglalap alakú részt akarnak 3 oldalról elkeríteni.

Mekkorák legyen a téglalap oldalai, hogy a legrövidebb kerítésre legyen szükség?

f) Milyen méretezésű legyen a 3m3 térfogatú konzervdoboz, amely előállításához a legkevesebb anyag kell?

4. Határozza meg az alábbi függvények határértékét L’Hospital szabály alkalmazásával!

a)

5. A raktározási költség a raktározott mennyiség (x) és egy állandó költség függvénye az f(x) = 40x2+8 000 képlet szerint. Hány százalékkal változna a raktározási költség, ha a jelenlegi 1 000 db raktározott mennyiséget

a) 3%-kal növelnék?

b) 2%-kal csökkentenék?

6. Tegyük fel, hogy az egy főre jutó havi húsfogyasztást (kg-ban kifejezve) az egy főre jutó havi nettó jövedelem (x) (ezer ft-ban kifejezve) függvényében az f(x) = 0,1x-2 függvény írja le. Számítsa ki ezen függvény esetében a függvény rugalmasságát az x=80 helyen. Mit jelent a kapott eredmény?

64