• Nem Talált Eredményt

Folytonos f¨ uggv´ enyek fontosabb tulajdons´ agai

In document Kalkulus (Pldal 135-144)

Ismertetj¨uk a folytonos f¨uggv´enyek z´art intervallumokra vonatkoz´o tulaj-dons´agait.

7.4.1. T´etel (Bolzano t´etele a z´erushely l´etez´es´er˝ol)

Ha az [a, b] z´art intervallumon folytonos f f¨uggv´enyre teljes¨ul, hogy:

f(a)·f(b)<0, akkor l´etezik olyan ξ ∈(a, b) pont, melyre

f(ξ) = 0.

Bizony´ıt´as:

Alkalmazzuk a m´ar kor´abban haszn´alt egym´asba skatuly´azott intervallumok tulajdons´ag´at. Vegy¨uk az [a, b] intervallum felez˝opontj´aban az f f¨uggv´eny

´ert´ek´et. Ha f akkor a k´et r´eszintervallum k¨oz¨ul jel¨olje [a1, b1] azt, melyre

f(a1)·f(b1)<0.

Mivel b1−a1 = b−a 2 , ez´ert

[a1, b1]⊂[a, b].

Folytatva ezt az intervallumfelez˝o elj´ar´ast, olyan egym´asba skatuly´azott intervallum-sorozatot kapunk, melyre

A felez´esi elj´ar´ast minden hat´aron t´ul folytatva csak egyetlen olyanξ ∈(a, b) pont marad, amely eleme minden intervallumnak, azaz

nlim→∞an= lim

n→∞bn =ξ.

Mivelξ ∈(a, b) ´esf folytonosξ-ben; tov´abb´a b´armelyε-sugar´u k¨ornyezetben f negat´ıv ´es pozit´ıv ´ert´eket egyar´ant felvesz, ez´ert a folytonos f¨uggv´enyek el˝ojeltart´asa miatt (7.1.7. T´etel) :

f(ξ) = 0.

A ξ pontbeli folytonoss´ag miatt a hat´ar´ert´ek Heine-f´ele defin´ıci´oja alapj´an, az {an} sz´amsorozat eset´en (legyen ∀ an-re f(an)≤0):

nlim→∞f(an) = f(ξ)≤0, illetve a {bn} sz´amsorozatra (legyen ∀ bn-re f(bn)≥0):

nlim→∞f(bn) = f(ξ)≥0.

Teh´at, val´oban

f(ξ) = 0.

7.4.2. T´etel (Bolzano tulajdons´ag folytonos f¨uggv´eny k´et pont k¨oz¨otti ´ert´ekeir˝ol)

Ha az [a, b] z´art intervallumon folytonos f¨uggv´enyre fenn´all, hogy:

f(a)< f(b),

akkor a f¨uggv´eny minden olyanc´ert´eket felvesz, amelyf(a)´esf(b)k¨oz´e esik, azaz ∃ ξ∈(a, b), amelyre

f(ξ) =c.

Bizony´ıt´as:

Tekints¨uk a g(x) = f(x)−c f¨uggv´enyt. Erre a f¨uggv´enyre teljes¨ul az el˝oz˝o t´etel ´all´ıt´asa, mivel g(a) =f(a)−c < 0 ´esg(b) =f(b)−c >0. L´etezik teh´at ξ ∈[a, b], melyre g(ξ) = 0, ´es ez´ert

f(ξ) = c.

7.4.3. T´etel (Weierstrass t´etele folytonos f¨uggv´eny korl´atoss´ag´ar´ol) Ha az [a, b] intervallum minden pontj´aban folytonos az f f¨uggv´eny, akkor az [a, b] intervallumon korl´atos is, azaz l´etezik K >0, hogy

|f(x)| ≤K, ∀x∈[a, b].

Bizony´ıt´as:

A 6.4.19. T´etelb˝ol k¨ovetkezik az ´all´ıt´as, amely v´eges hat´ar´ert´ek l´etez´ese eset´en garant´alja a f¨uggv´eny korl´atoss´ag´at.

7.4.4. T´etel (folytonos f¨uggv´eny maximum´anak ´es minimum´anak l´etez´es´er˝ol)

Egy z´art [a, b] intervallumon folytonos f f¨uggv´eny felveszi legnagyobb ´es legkisebb ´ert´ek´et.

Bizony´ıt´as:

Az el˝oz˝o t´etel szerint az f f¨uggv´eny korl´atos az [a, b] intervallumon, azaz l´etezik

sup

x[a,b]

f(x) = S.

A t´etel ´all´ıt´as´aval ellent´etben t´etelezz¨uk fel, hogy azf f¨uggv´eny azS ´ert´eket nem veszi fel az [a, b] intervallumon, vagyis

f(x)< S, ∀x∈[a, b]

eset´en. Vezess¨uk be a

g(x) = 1 S−f(x)

seg´edf¨uggv´enyt, amely nyilv´anval´oan folytonos az [a, b] intervallumon ´es k¨ovetkez´esk´eppen korl´atos is. L´etezik olyan K >0, amelyre

g(x) = 1

S−f(x) < K.

Ez ut´obbi egyenl˝otlens´eget ´atrendezve ad´odik, hogy f(x)< S− 1

K, ∀x∈[a, b].

´Igy ellentmond´ashoz jutottunk, mert felt´eteleink szerint azf f¨uggv´eny supre-muma az [a, b] intervallumban az S sz´am. Azaz l´etezik olyan ξ ∈[a, b] pont, ahol

f(ξ) =S = max

x[a,b]f(x).

Hasonl´oan l´athat´o be a minimumra vonatkoz´o ´all´ıt´as.

7.4.5. T´etel (folytonos f¨uggv´eny egyenletes folytonoss´ag´ar´ol)

Ha azf f¨uggv´eny a z´art[a, b] intervallumon folytonos, akkor ugyanott egyen-letesen is folytonos.

Bizony´ıt´as:

Indirekt ´uton bizony´ıtunk. Ellent´etben a t´etel ´all´ıt´as´aval felt´etelezz¨uk, hogy az egyenletes folytonoss´ag 7.3.6. Defin´ıci´oj´aban valamilyen r¨ogz´ıtett ε > 0-hoz nem tal´alhat´o olyan δ >0, amelyre |x−x|< δ eset´en

|f(x)−f(x)|< ε

teljes¨ulne. Ez azt jelenti, hogy tetsz˝oleges δ > 0-ra az [a, b] intervallumban tal´alhat´o k´et olyan pont, x´es x, melyekre |x−x|< δ, de ugyanakkor

|f(x)−f(x)| ≥ε.

V´alasszunk ki egy pozit´ıv sz´amokb´ol ´all´o, null´ahoz konverg´al´o sz´amsorozatot:

n}n=1, δn>0 ´es lim

n→∞δn = 0.

Az el˝obbiek alapj´an mindegyik δn-hez tal´alhat´o az [a, b] intervallumban k´et olyan pont, xn ´es xn, amelyekre |xn−xn|< δn, de ennek ellen´ere:

|f(xn)−f(xn)| ≥ε, n= 1,2, ...

A Bolzano-Weierstrass-f´ele kiv´alaszt´asi t´etel alapj´an a korl´atos {xn}n=1

sorozatb´ol kiv´alaszthat´o egy x0 ∈ [a, b] ponthoz konverg´al´o r´eszsorozat.

Jel¨olje ezt a r´eszsorozatot ´eppen {xn}n=1:

nlim→∞xn=x0.

Mivel (xn−xn)→0, mert|xn−xn|< δn ´es δn→0, ´ıgy

nlim→∞xn=x0. Az f f¨uggv´enyx0-beli folytonoss´aga alapj´an:

f(xn)→f(x0), ha n→ ∞

´es

f(xn)→f(x0), ha n → ∞, amelyekb˝ol ad´odik, hogy

f(xn)−f(xn)→0, ha n → ∞. Ez viszont ellentmond annak, hogy minden n-re

|f(x)−f(x)| ≥ε.

Teh´at az ´all´ıt´as igaz.

7.4.6. T´etel (monoton f¨uggv´eny inverz´enek l´etez´es´er˝ol ´es annak folytonoss´ag´ar´ol)

Ha az f f¨uggv´eny az (a, b) intervallumon folytonos ´es szigor´uan monoton n¨ovekv˝o (illetve cs¨okken˝o), akkor a megadott intervallumon l´etezik az in-verz f1(x) f¨uggv´eny, amely szint´en folytonos ´es monoton cs¨okken˝o (illetve n¨ovekv˝o) az (f(a), f(b)) (illetve f(b), f(a)) intervallumban.

A t´etelt nem bizony´ıtjuk.

8 Elemi f¨ uggv´ enyek, Nevezetes f¨ uggv´ enyek

8.1 Szakaszonk´ ent line´ aris f¨ uggv´ enyek

8.1.1. Defin´ıci´o (elemi f¨uggv´enyek)

Az elemi f¨uggv´enyek olyan formul´aval megadhat´o f¨uggv´enyek, amelyek v´eges sz´am´u ¨osszead´assal, kivon´assal, szorz´assal, oszt´assal ¨osszetett f¨uggv´eny ´es inverz k´epz´essel sz´armaztathat´ok a konstans f¨uggv´enyek (f(x) = c), a hatv´anyf¨uggv´enyek (f(x) = xn), az exponenci´alis f¨uggv´enynek (f(x) = ax), a trigonometrikus f¨uggv´enyek (f(x) = sinx, f(x) = cosx, f(x) =tgx, f(x) =ctgx), illetve a logaritmus f¨uggv´enyek (f(x) = logax) oszt´aly´ab´ol.

Az al´abbiakban nevezetes szakaszonk´ent line´aris f¨uggv´enyeket mutatunk be.

Ezen f¨uggv´enyek k¨oz¨os jellemz˝oje, hogy grafikonjaik egyenes szakaszokb´ol vagy f´elegyenesekb˝ol ´allnak (´es esetleg m´eg n´eh´any pontb´ol).

1. Egys´egugr´as f¨uggv´eny

f :R\ {0} →R, f(x) :=

0, hax <0 1, hax >0 Az orig´oban a f¨uggv´eny nincs meghat´arozva.

A f¨uggv´eny grafikonja:

8.1. ´abra

2. Szignum f¨uggv´eny

A f¨uggv´eny elnevez´ese a latin eredet˝u szignum - jelent´ese: jel - sz´ob´ol sz´armazik.

f :R→R, f(x) = sgnx:=

1, hax >0 0, hax= 0

−1, hax <0 Az orig´oban a f¨uggv´eny ´ert´eke 0. A f¨uggv´eny grafikonja:

8.2. ´abra 3. Abszol´ut´ert´ek f¨uggv´eny

f :R→R, f(x) = |x|:=

x, hax≥0

−x, hax <0

A f¨uggv´eny grafikonja k´et f´elegyenesb˝ol ´all. Grafikonja a 8.3. ´abr´an l´athat´o (piros sz´ınnel ´abr´azolva).

8.1.2. Megjegyz´es K¨onny˝u ellen˝orizni, hogy

|x|=x·sgnx.

8.1.3. P´elda

V´azoljuk ah(x) = |x−2|+3 f¨uggv´eny grafikonj´at f¨uggv´enytranszform´aci´o seg´ıts´eg´evel!

Megold´as:

El˝osz¨or az f(x) = |x| f¨uggv´eny grafikonj´at v´azoltuk, ezt k¨ovet˝oen a g(x) = |x −2| f¨uggv´eny grafikonj´at rajzoltuk meg (z¨old sz´ınnel).

Legv´eg¨ul a h(x) =|x−2|+ 3 f¨uggv´eny grafikonj´at k´esz´ıtett¨uk el az y tengely ment´en val´o eltol´as seg´ıts´eg´evel (k´ek sz´ınnel).

8.3. ´abra 4. Eg´eszr´esz f¨uggv´eny

8.1.4. Defin´ıci´o (eg´eszr´esz f¨uggv´eny)

Az x ∈R sz´am eg´eszr´esz´enek azt a legnagyobb eg´esz sz´amot nevezz¨uk, amely nem nagyobb x-n´el.

Jel¨ol´ese: [x] vagy Entx.

f :R→Z, f(x) = [x]

N´eh´any p´elda:

[0.5] = 0; [1.2] = 1; [2.8] = 2; [7.2] = 7;

[−2.8] =−3; [−1.2] = −2; [−1.0001] =−2; [−0.2] =−1.

A f¨uggv´eny grafikonja:

8.4. ´abra A f¨uggv´eny monoton n¨ovekv˝o, nem korl´atos.

5. T¨ortr´esz f¨uggv´eny

f :R→[0,1), {x}= fracx:=x−[x]

N´eh´any p´elda:

{0.5}= 0.5; {1.2}= 0.2; {2.8}= 0.8; {7}= 0;

{−2.8}= 0.2; {−1.2}= 0.8; {−1.0001}= 0.9999; {−0.2}= 0.8.

A t¨ortr´esz f¨uggv´eny korl´atos, szakaszosan monoton, nem p´aros ´es nem p´aratlan. Ha x /∈ Z, akkor a f¨uggv´eny folytonos x-ben, ha x ∈ Z, akkor a f¨uggv´enynek els˝ofaj´u, nem megsz¨untethet˝o szakad´asa van ´es ott a f¨uggv´eny jobbr´ol folytonos:

xlimn+0f(x) = 0 ´es lim

xn0f(x) = 1 ∀n ∈Z.

A t¨ortr´esz f¨uggv´eny periodikus, peri´odusa 1.

A f¨uggv´eny grafikonja a k¨ovetkez˝o ´abr´an l´athat´o.

8.5. ´abra

In document Kalkulus (Pldal 135-144)