Upcoming SlideShare
×

# Matematika 1 arhitektura

3,129 views

Published on

2 Likes
Statistics
Notes
• Full Name
Comment goes here.

Are you sure you want to Yes No
• Be the first to comment

Views
Total views
3,129
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
8
Actions
Shares
0
36
0
Likes
2
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

### Matematika 1 arhitektura

1. 1. Sveučilište u SplituFakultet građevinarstva, arhitekture i geodezijePreddiplomski studij arhitekture Matematika 1 - nastavni materijali - S. Pavasović Split, 2010./2011.
2. 2. Sadržaj0. Napomene o predmetu (koje, naravno, nećete pažljivo pročitati) ..................................................11. Uvod (ili odnekud moramo početi) .....................................................................................................5 1.0 Sud, ekvivalencija, implikacija.......................................................................................................................5 1.1 Skupovi..........................................................................................................................................................6 1.2 Skupovi brojeva.............................................................................................................................................7 1.3 Priče o skupu R .............................................................................................................................................81b Vježbe ..................................................................................................................................................131c Rješenja...............................................................................................................................................142. Funkcije...............................................................................................................................................15 2.1 Definicija......................................................................................................................................................15 2.2 Pojmovi i svojstva........................................................................................................................................16 2.3 Graf funkcije ................................................................................................................................................19 2.4 Temeljne elementarne funkcije ...................................................................................................................21 2.5 Neke elementarne funkcije..........................................................................................................................252b Vježbe ..................................................................................................................................................302c Rješenja...............................................................................................................................................313. Limes i neprekidnost funkcije...........................................................................................................32 3.0 Priprema......................................................................................................................................................32 3.1 Limes funkcije..............................................................................................................................................33 3.2 Neprekidnost funkcije ..................................................................................................................................383b Vježbe ..................................................................................................................................................413c Rješenja...............................................................................................................................................424. Derivacija funkcije..............................................................................................................................44 4.1 Definicija......................................................................................................................................................44 4.2 Geometrijsko i fizikalno tumačenje derivacije .............................................................................................44 4.3 Tablica nekih osnovnih derivacija ...............................................................................................................46 4.4 Pravila deriviranja........................................................................................................................................46 4.5 Tangenta i normala .....................................................................................................................................47 4.6 LHospitalovo pravilo ...................................................................................................................................47 4.7 Derivacije višeg reda ...................................................................................................................................48 4.8 Monotonost i derivacija funkcije ..................................................................................................................48 4.9 Ekstremi, točke infleksije .............................................................................................................................49 4.10 Asimptote, još jednom .................................................................................................................................52 4.11 Ispitivanje tijeka i crtanje grafa funkcije.......................................................................................................534b Rješenja...............................................................................................................................................565. Vektori .................................................................................................................................................60 5.1 Operacije s vektorima..................................................................................................................................61 5.2 Koordinatizacija prostora.............................................................................................................................635b Vježbe ..................................................................................................................................................655c Rješenja...............................................................................................................................................666. Analitička geometrija .........................................................................................................................67 6.1 Ravnina u prostoru ......................................................................................................................................67 6.2 Pravac u prostoru ........................................................................................................................................69 6.3 Međusobni položaj pravca i ravnine............................................................................................................716b Vježbe ..................................................................................................................................................726c Rješenja...............................................................................................................................................74
7. 7. 1. Uvod1. Uvod (ili odnekud moramo početi)Vječiti problem u izlaganju gradiva "Matematike 1" je odakle početi; naime, svako spominjanjenekog pojma ili oznake zahtijeva barem kratku raspravu o tome pojmu i njegovome kontekstu.U ovako koncipiranom predmetu za to nemamo vremena (a dijelom ni potrebe), pa će nekipojmovi i oznake biti prokomentirani tek onoliko koliko nam to treba u okviru predmeta. Predmetje kao jednodnevno razgledavanje Pariza autobusom: vidjet ćemo najvažnije, naučiti dosta, alise nećemo zadržavati na pojedinim detaljima.1.0 Sud, ekvivalencija, implikacijaPrije samoga početka, pokušat ćemo se "obračunati" s pričom o implikaciji i ekvivalenciji; ova jepriča vrlo jednostavna ako se o njoj malo razmisli – u protivnom, ona je izvor trajne konfuzije.Implikacija i ekvivalencija su tzv. binarne logičke operacije, koje postavljaju dva suda uizvjestan međuodnos. Sud je "izjava" kojom se nešto tvrdi ili poriče, tj. koja je u određenomtrenutku istinita ili lažna. "Danas je srijeda" jest sud, koji je jedan dan u tjednu istinit. "Crvenicincilator fluksira onomatopeju" iz razumljivih razloga nije sud.Implikacija: što, dakle, znači izjava "A implicira B" (A ⇒ B) pri čemu su A i B sudovi?Najčešći "odgovori" su u biti pokušaj izbjegavanja ("metoda sitnog šverca"): "to znači da B slijediiz A", "to znači da A povlači B", "to znači da ako je A, onda je i B" i slično. Ne može se reći da suovi odgovori netočni, ali nam ni najmanje ne pomažu u razumijevanju implikacije."Životni" primjer: "Ako dobijem na lotu, bit ću bogat". Osnovna poruka ove implikacije je jasna:(dobitak na lotu ⇒ bogatstvo). Ali, to nije sve; da bi se potpuno razumjelo implikaciju, potrebnoje znati i razumjeti odgovore na pitanja "Što je s bogatstvom ako ne dobijem na lotu?" i "Što je(bilo) s dobitkom na lotu ako nisam postao bogat?"Srećom, postoje i drugi načini stjecanja bogatstva – moguće je da se netko obogati i ako nijedobio na lotu. S druge strane, nije moguće (za ljubav matematike ćemo preskočiti mogućnostimizernoga dobitka ili puno dobitnika) da netko dobije na lotu i ne bude bogat.Poopćimo stvar na "suhi" matematički zapis: implikacija A ⇒ B ("ako jest A, onda jest B") jamčiistinitost tvrdnje B ako je tvrdnja A istinita ("iz istine slijedi istina") i neistinitost tvrdnje A ako jetvrdnja B neistinita ("iz istine ne može slijediti laž"); međutim, ako je tvrdnja A neistinita, neznamo ništa o istinitosti tvrdnje B ("iz laži može slijediti bilo što").Zadatak: Smislite sami nekoliko primjera implikacije i protumačite ih. Posebno razmotriteslučajeve "laž ⇒ istina" i "laž ⇒ laž".Ekvivalencija je daleko jednostavnija i za razumijevanje i za objašnjenje. Izjava "A jeekvivalentno B" (A ⇔ B, "B jest ako i samo ako jest A") znači da su A i B "jednakovrijedni", tj.čim poznajemo jednog od njih znamo i drugoga: ili su obje tvrdnje istinite ili su obje tvrdnje laž."Životni" primjer: iskustvo nas uči da roditeljska rečenica "Ako budeš dobar, kupit ću tisladoled" nije ekvivalencija nego "samo" implikacija – kombinacijom umiljatosti i/ili gnjavljenjasladoled se može dobiti i ako nismo bili dobri. Kada bi roditelji govorili "Kupit ću ti sladoled ako isamo ako budeš dobar", stvari bi se zakomplicirale.Zadatak: Smislite sami nekoliko primjera ekvivalencije i protumačite ih. 5
8. 8. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture 1.1 Skupovi Skup je jedan od pojmova koji su nam razumljivi nekako "sami po sebi", ali kad počne dublja rasprava o njima (koju mi nećemo provoditi), stvari ubrzo postaju komplicirane i apstraktne. Zgodno je na početku nastave postaviti pitanje "Što je to skup?" – naime, svi imamo nekakvu intuitivnu ideju o tome, ali kad tu ideju treba pretočiti u definiciju, eto nas u problemu. Najčešći pokušaj je "definicija" po kojoj "skup čine objekti koje povezuje neko zajedničko svojstvo". Slijedi obvezno pitanje mogu li elementi jednog skupa biti krava, telefon i lopta, i uobičajeni niječan odgovor. Naravno da mogu; ako ja iz nekih čudnih razloga želim napraviti skup čiji će elementi biti krava, telefon i nogometna lopta, definicija skupa mi to ne smije zabraniti. Pritom je jedino "zajedničko svojstvo" ova tri elementa činjenica da pripadaju tome skupu. "Službena" definicija skupa zvuči kao prijevara: naime, skup je jedan od fundamentalnih matematičkih pojmova i ne definira se. Eventualno, možemo dati poprilično filozofsku definiciju "Skup je množina objekata", kojom, pošteno rečeno, baš i nismo rekli nešto određeno. U svakom slučaju, skup je određen ako se točno zna tko/što jest a tko/što nije njegov element – zvuči kao "otkrivanje tople vode", ali nije: razmislite malo o "skupovima" pametnih, mladih, lijepih... ljudi; ovo nisu dobro definirani skupovi. Napomena: kad govorimo o skupovima, studenti najčešće nehotice razmišljaju o skupovima brojeva. Istina je da ćemo se u ovom predmetu najviše baviti skupovima brojeva (točnije, skupom realnih brojeva), ali treba imati na umu da elementi skupa mogu biti vrlo raznoliki. Nekoliko osnovnih naznaka, koje bi vam trebale biti poznate: Skup možemo zadati nabrajanjem elemenata ili navođenjem svojstva koje njegovi elementi moraju zadovoljavati: {1, 3, 7, 9}, {parni brojevi manji od 72}, {ljudi mlađi od 25 godina}. Dva skupa su jednaka ako sadrže iste elemente. Broj elemenata skupa A zovemo kardinalni broj skupa A i označavamo s c(A). Skup bez elemenata nazivamo prazan skup, i označavamo sa ∅. Prazan skup je podskup svakog skupa, a njegov kardinalni broj je 0. Ako je svaki element skupa A ujedno i element skupa B, kažemo da je A podskup od B (pritom razlikujemo tzv. "pravi podskup", A ⊂ B , i "podskup" A ⊆ B , ovisno o tome smije li skup A biti jednak skupu B – u slučaju pravog podskupa ne smije). Među skupovima definiramo presjek A ∩ B (zajednički elementi), uniju A ∪ B (svi elementi iz barem jednog od skupova A i B, skupovnu razliku A B (elementi skupa A koji nisu u skupu B) i Kartezijev produkt A × B (uređeni parovi oblika (a,b) gdje je a∈A, b∈B). Zadatak: Što je dovoljno pa da skup A ne bude podskup skupa B? Smislite još neki primjer "loše zadanog skupa". Što možete reći o kardinalnom broju presjeka, unije, skupovne razlike i Kartezijevog produkta dvaju skupova (u odnosu na kardinalne brojeve tih skupova)? Je li ∅ isto što i {∅}? Savjet: prisjetite se da dva jednaka skupa moraju imati iste kardinalne brojeve.6
10. 10. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture Zadatak: Provjerite razumijete li sljedeća svojstva skupa Q: Zbroj, umnožak, i razlika dvaju racionalnih broja je racionalan broj. Kvocijent a/b racionalnih brojeva je racionalan broj ako je b ≠ 0, inače nije definiran; Skup Q je beskonačan, nema najmanji ni najveći element; Za razliku od skupova N i Z, podskup skupa Q može imati i najmanji i najveći element a imati beskonačno mnogo elemenata. Racionalni brojevi mogu se prebrojiti, odnosno racionalnih brojeva ima jednako koliko i prirodnih (ovo je malo teže uočiti na prvi pogled od prebrojavanja cijelih brojeva). Sljedeće proširenje možemo motivirati pitanjem: "Kolika mora biti stranica kvadrata da bi mu površina bila 2?", odnosno traženjem rješenja jednadžbe x 2 = 2 . U knjizi [2], str. 11, predstavljen je dokaz da 2 nije racionalni broj (kažemo da je iracionalan), tj. ne može se prikazati kao razlomak – dokaz je samo naizgled kompliciran, jedini problem za njegovo razumijevanje je nenaviknutost na matematički tekst. Ovim proširenjem (dopunjavanjem skupa Q skupom iracionalnih brojeva) došli smo do skupa realnih brojeva R. Sjetite se da i dalje imamo potrebu za proširenjem; u skupu realnih brojeva ne možemo riješiti jednadžbu x 2 = −1 . Međutim, u ovom predmetu nećemo razmatrati skup kompleksnih brojeva C u kojem je i ova jednadžba rješiva. 1.3 Priče o skupu R Priča prva: geometrijski prikaz (realnih) brojeva Brojeve koje smo definirali u prethodnom poglavlju možemo prikazati na tzv. brojevnom pravcu – pravcu na kojem smo odredili dvije točke i njima pridružili brojeve 0 i 1 (nakon čega možemo jednostavno svakome broju jednoznačno pridijeliti njemu pripadajuću točku brojevnog pravca). Intuitivno je jasno da prirodni i cijeli brojevi ne prekrivaju cijeli brojevni pravac, tj. da postoji beskonačno mnogo točaka brojevnog pravca kojima nismo pridijelili nijedan prirodni (cijeli) broj. Nešto je manje očita činjenica da ni racionalni brojevi ne prekrivaju cijeli pravac – intuitivno nam izgleda da razlomaka ima "jako puno" i da prekrivaju cijeli pravac. Na slici vidimo jednostavan način kako se iracionalnom broju 2 pridjeljuje točka na brojevnom pravcu (dijagonala kvadrata stranice 1 preslika se na brojevni pravac) – time se pokazuje da tek skup realnih brojeva potpuno prekriva brojevni pravac. Napomena: Budući da je pridruživanje točaka brojevnog pravca realnim brojevima jednoznačno (svaka točka pridružena je točno jednom broju, svaki broj ima točno jednu pridruženu točku), pojednostavnjeno govorimo npr. o "točki 1", iako bi zapravo trebalo reći "točka na brojevnom pravcu pridružena broju 1". Slično ćemo pojednostavnjenje kasnije koristiti kod razmatranja dvodimenzionalnog koordinatnog sustava i grafova funkcija.8
11. 11. 1. UvodPriča druga: podskupovi skupa R, intervaliKao i za svaki drugi skup, podskupove skupova N, Z i Q označavali smo tako da u vitičastimzagradama nabrojimo njihove elemente ili navedemo svojstvo koje elementi zadovoljavaju. Naisti način, naravno, možemo označavati i podskupove skupa R, no ovdje definiramo posebnuvrstu podskupova, tzv. intervale. Za realne brojeve a i b, gdje je a < b, definiramo: (a, b ) = {x ∈ R, a < x < b} otvoreni interval [a, b] = {x ∈ R, a ≤ x ≤ b} zatvoreni interval . [a, b ) = {x ∈ R, a ≤ x < b} poluotv. interval (a, b] = {x ∈ R, a < x ≤ b} poluotv. intervalOvakav zapis podskupova skupa R praktičan nam je jer ćemo se intervalima često koristiti, pabi bilo naporno svaki put ispisivati "puni" zapis skupa. Osim toga, zapis intervala nas vizualnopodsjeća da se u geometrijskom prikazu radi o dijelu brojevnoga pravca od točke a do točke b.Prisjetimo se: racionalni, cijeli ili prirodni brojevi x za koje je a < x < b ne prekrivaju sve točkebrojevnog pravca između a i b.Za neki realni broj x0, često će nam (npr. u razmatranju svojstava funkcija) trebati interval oblika(x0-ε, x0+ε), gdje je ε neki realni broj, ε>0. Ovakav interval zovemo okolina broja x0.Napomena 1: Pojam okoline je izuzetno jednostavan – uzeli smo neki simetričan interval okotočke (odnosno, oko broja) x0. Međutim, budući da nam se ovdje po prvi put u zapisu pojavljujeslovo ε, zapis izgleda vrlo "znanstveno".Napomena 2: Općenito, ε iz definicije okoline broja x0 može biti bilo koji pozitivan realni broj.Međutim, u praksi najčešće promatramo "male" okoline – one u kojima je ε jako mali (ali jošuvijek strogo veći od 0).Zadatak: Razmotrite okoline rubnih točaka otvorenog, zatvorenog i poluotvorenog intervala, tj.u kojim su slučajevima te okoline podskupovi intervala za svaki odabir ε, za neki odabir ε, a ukojim slučajevima nisu podskupovi ni za jedan odabir ε.Posebno, razmotrite svojstvo otvorenog intervala da za svaku njegovu točku postoji okolina kojaje cijela u tome otvorenom intervalu. Koje točke poluotvorenih i zatvorenih intervala nemaju tosvojstvo?Priča treća: ograničenost (ograđenost, omeđenost) skupa realnih brojevaPrimijetimo: definirali smo intervale kojima su rubovi realni brojevi; takva definicija nam neomogućava zapisati u obliku intervala npr. skup svih realnih brojeva manjih ili jednakih 1, ili cijeliskup R. Da bismo mogli u obliku intervala zapisati i ovakve skupove realnih brojeva (dakle, radijednostavnijeg zapisivanja izraza), skup R proširujemo s dva elementa koje zovemo "minusbeskonačno" (oznaka: − ∞ ) i "beskonačno" (oznaka: ∞ ). Ove elemente definiramo kakoslijedi (oznaka ∀ čita se "za svaki"): ∀x ∈ R , x < ∞ . ∀x ∈ R, x > −∞Koristeći ova dva elementa, sada npr. možemo zapisati skup svih realnih brojeva manjih ilijednakih 1 kao interval (− ∞, 1] , a skup R kao (− ∞, ∞ ) . 9
12. 12. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture Napomena: − ∞ i ∞ nisu realni brojevi i za njih ne vrijede računske operacije definirane u skupu realnih brojeva (zbog toga se uz − ∞ i ∞ kao granicu intervala uvijek stavlja obla zagrada). Skup R je ostao kakav je bio i do sada, nema ni najmanji ni najveći element. Nažalost, nerijetko se pokušava improvizirati nekakvo "računanje s beskonačnošću": na primjer, česta je (i pogubna) zabluda kako je ∞ − ∞ = 0 . U poglavlju o limesu funkcije mi ćemo govoriti o tzv. "računanju s beskonačnošću", ali ćemo jasno odrediti što pod time podrazumijevamo. Priča o (ne)ograničenosti skupova realnih brojeva je silno jednostavna, a ipak stvara probleme. Naime, čim se u nekakvom matematičkom tekstu počnu pojavljivati (uvjetno rečeno) "ekskluzivno matematički" pojmovi i oznake, stječe se pogrešan dojam da je tekst jako težak. Kao posljedica, umjesto pokušaja razumijevanja tekst se pokušava "svladati" učenjem napamet. Tako će nam i ovdje pojmovi kao što su "gornja (donja) granica", "infimum", "supremum", "najveća donja (najmanja gornja) granica", stvoriti dojam kako je priča koju pričamo teška i nerazumljiva. Promotrimo pojam ograničenosti općenito: što znači da je nešto ograničeno? Odgovor izgleda lakonski: znači da to "nešto" ima granicu. Pokušajte sami izreći: što bi mogla značiti izjava da je neki podskup skupa realnih brojeva ograničen odozgo (ili odozdo)? Naravno, to znači da ima neku gornju ili donju granicu. Preostaje nam samo još definirati što je to gornja (donja) granica nekog skupa realnih brojeva. Razmotrimo najprije pojam gornje granice, od intuitivnog "osjećaja" za njezino (ne)postojanje pa do formalne definicije. Zadatak: Za koje od sljedećih skupova intuitivno smatrate da imaju gornju granicu? Odredite gornju granicu tim skupovima: {x ∈ R, x ≤ 1} ; {x ∈ R, x ≥ −1} ; {x ∈ R, } x2 < 2 . Gornju granicu imaju prvi i treći skup: nijedan element ovih skupova nije veći od npr. 1.000 (niti od 10.000, niti od 32.538). Jednostavno, skup S ⊆ R ograničen je odozgo ako postoji realan broj M takav koji je veći od svih elemenata skupa S. Broj M zovemo gornja granica skupa S. Zadatak: Sami iskažite analognu definiciju odozdo ograničenog skupa S realnih bojeva. Konačno, neki skup S ⊆ R je ograničen ako je ograničen odozdo i odozgo. Vjerojatno ste kao gornju granicu za prvi skup postavili 1, a za treći skup 2 . Naime, prvi se skup može zapisati kao interval ( −∞ , 1], a treći kao ( − 2 , 2 ) pa onda izgleda prirodno uzeti desnu granicu intervala kao gornju granicu (odnosno, ako postoji, lijevu granicu intervala kao donju granicu). To jest točno, odnosno to jesu gornje granice (štoviše, to su u izvjesnom smislu "najljepše" gornje granice), ali nisu jedine: svaki broj veći od 1 također je gornja granica prvog skupa. Ako skup ima gornju (donju) granicu, onda ih ima beskonačno. Spomenuta "ljepota" granica 1 i 2 je u tome što su to najmanje gornje granice i kao takve najbolje opisuju "ponašanje" članova toga skupa (više znamo o članovima skupa, tj. o njihovoj veličini, ako kao gornju granicu promatramo 1 nego 10.000, a čini se razumnim da su nam "ljepše" one granice koje bolje opisuju skup). U čemu je razlika između njih? Broj 1 jest, a broj 2 nije element skupa kojemu je gornja granica, pa kažemo da je broj 1 maksimum prvog10
13. 13. 1. Uvodskupa a broj 2 supremum trećeg skupa. Analogno se najveća donja granica naziva infimum,a ako je element skupa minimum.Nakon opširne (i dijelom matematički "neprecizne") rasprave, evo i "službenih" definicijaopisanih pojmova.Definicija: Skup S ⊆ R je ograničen odozdo ako postoji realni broj m koji je manji ili jednak od svih elemenata iz S. Svaki ovakav broj m zovemo donja granica skupa S; Ako je realni broj m najveća donja granica skupa S ⊆ R i ako je m∉S, kažemo da je m infimum skupa S; Ako je realni broj m najveća donja granica skupa S ⊆ R i ako je m∈S, kažemo da je m minimum skupa S; Skup S ⊆ R je ograničen odozgo ako postoji realni broj M koji je veći ili jednak od svih elemenata iz S. Svaki ovakav broj M zovemo gornja granica skupa S; Ako je realni broj M najmanja gornja granica skupa S ⊆ R i ako je M∉S, kažemo da je M supremum skupa S; Ako je realni broj M najmanja gornja granica skupa S ⊆ R i ako je M∈S, kažemo da je M maksimum skupa S; Skup S ⊆ R je ograničen ako je ograničen odozgo i odozdo.Konačno, čemu ovoliko priče oko tek nekoliko jednostavnih pojmova? Prije svega, iskustvopokazuje da studenti s ovim pojmovima imaju problema (uglavnom zbog toga što ih pokušavajunaučiti napamet bez razumijevanja). Nadalje, pojam ograničenosti će nam trebati u razmatranjufunkcija.Priča četvrta: apsolutna vrijednost realnog brojaEvo još jedne "silno jednostavne priče" (ne bojte se, neću za sve priče do kraja predmeta tvrditida su silno jednostavne). Dakle, manje-više svi znamo napisati da je apsolutna vrijednostrealnog broja: ⎧ x, ako je x ≥ 0 x =⎨ ⎩− x, ako je x < 0Problem ponekad nastaje u pravilnom čitanju ove definicije, što se vidi kada treba u istoj formizapisati čemu je jednako, npr. |2x – 3|. Nerijetko se i ova apsolutna vrijednost (pogrešno!)definira ovisno o tome je li x veći ili manji od nule.Kod definicija poput ove (kao ni kod nekih drugih izraza koji nas tek očekuju) važno je neshvaćati x "doslovno". Definicija apsolutne vrijednosti zapravo definira apsolutnu vrijednost bilokakvog "realnog izraza". Nije jako matematički, ali nije ni pogrešno govoriti o "krumpirima" (unamjeri da se eliminira "robovanje" x-u), pa u ovom slučaju reći da je apsolutna vrijednost"krumpira" definirana ovako: ⎧ krumpir, ako je krumpir ≥ 0 krumpir = ⎨ ⎩− krumpir, ako je krumpir < 0 11
14. 14. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture Osnovna svojstva apsolutne vrijednosti lako se provjere "zdravorazumski": x ⋅ y = x⋅y x+y ≤ x + y U ovim svojstvima govorima o "ponašanju" apsolutne vrijednosti pri množenju i zbrajanju, a x i y su realni brojevi (ili izrazi – dakle, opet "krumpiri") koji mogu biti pozitivni ili negativni – prema tome, uz malo razmišljanja može se lako zaključiti što apsolutna vrijednost "radi" umnošku ili zbroju. Geometrijska interpretacija apsolutne vrijednosti |x| je udaljenost broja x od nule na brojevnom pravcu. Geometrijska interpretacija izraza |x–y| je udaljenost točaka x i y na brojevnom pravcu. Napomena: Bez obzira u kojem kontekstu se u zadatku pojavljuje apsolutna vrijednost, u rješavanju zadatka najprije ju treba na "zakonit" način ukloniti – to najčešće znači da se razmatra nekoliko slučajeva ovisno o tome je(su) li argument(i) apsolutne vrijednosti veći ili manji od 0. Digresija: Vrlo često (ne samo vezano uz apsolutnu vrijednost, nego i inače) studenti ulete u zamku pitanja "kakvog je predznaka –x?", i uredno izjave da je –x negativan ("jer ima minus"). Naravno, ne možemo ništa reći o –x ako ne poznamo koju vrijednost (ili koje sve vrijednosti) može poprimiti x. Dakle, točan odgovor je "ne znamo". Međutim, slijedi trik-pitanje "a kakvog je predznaka –x2?" Poučeni prethodnim pitanjem, studenti često nude isti odgovor "ne znamo". Nažalost opet krivo: budući da je x2 uvijek veći ili jednak nuli, to je –x2 uvijek manji ili jednak nuli. Pouka: Razmišljajte, nemojte lupati!12
15. 15. 1. Uvod1b Vježbe1. Je li A = {x : 0 ≤ x ≤ 7} dobro zadan skup?2. Odredite presjek, uniju i skupovnu razliku skupova: A={neparni brojevi manji od 24} i B={djelitelji broja 24}.4. Odredite A ∩ B , A ∪ B i A B za skupove: a) A=[0,1), B=(1/2, 2); b) A=[0,1), B=(-1, 0]; c) A=[0,1), B=(-1, 0);5. Odredite (intuitivno, bez cjelovitog dokazivanja) supremum, infimum, minimum, maksimum (ako postoje), za skupove: { a) S = x ∈ R : x 2 ≤ 2 } b) S = {x ∈ Q : x 2 ≤ 2} ⎧1 ⎫ c) S = ⎨ , n ∈ N ⎬ ⎩n ⎭ ⎧ n ⎫ d) S = ⎨ , n ∈ N⎬ . ⎩ n +1 ⎭6. Analogno definiciji za |x|, zapišite definiciju za |2x-3|.7. Riješite: a) |3x–2|=1; b) |3x–2|≤1; c) |x+1|–|2x–3|=2;8. Grafički (geometrijskom interpretacijom apsolutne vrijednosti), riješite nejednadžbu: x −1 < 1. x +1 13
16. 16. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture 1c Rješenja 1. Nije, jer ne znamo iz kojeg skupa brojeva je x. 2. A ∩ B = { 3} ; A ∪ B = A ; A B = {5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23} 1, 4. a) A ∩ B = (1 / 2, 1) ; A ∪ B = [0, 2) ; A B = [0, 1 / 2] b) A ∩ B = {0} ; A ∪ B = (− 1, 1) ; A B = (0,1) c) A ∩ B = ∅ ; A ∪ B = (− 1, 1) ; A B = [0,1) 5. a) min(S)= − 2 ; max(S)= 2 b) inf(S)= − 2 ; sup(S)= 2 c) inf(S)=0; max(S)=1 d) min(S)=1/2; sup(S)=1 ⎧ 2x − 3, ako je 2x - 3 ≥ 0, tj x ≥ 3 / 2 6. 2x − 3 = ⎨ . ⎩− 2x + 3, ako je 2 x − 3 < 0, tj x < 3 / 2 7. a) x=1/3, x=1 b) 1/3 ≤ x ≤ 1 c) Razmatramo sljedeće slučajeve: x < −1 − 1< x < 3 / 2 x >3/ 2 − (x + 1) + (2·x − 3) = 2 (x + 1) + (2·x − 3) = 2 (x + 1) − (2·x − 3) = 2 x = 6 ne valja x = 4/3 x=2 8. x>0 (nejednadžba opisuje točke koje su bliže 1 nego -1).14
17. 17. 2. Funkcije2. Funkcije2.1 DefinicijaPojam funkcije središnji je pojam cijeloga predmeta, i jedan od osnovnih pojmova matematikeuopće. Upravo zbog toga ćemo, prije iskazane "službene" definicije funkcije poneštoneformalnijim rječnikom pokušati "prepoznati" što je to funkcija.Kao i obično, i ovdje ćemo napomenuti da je pojam funkcije iznimno jednostavan (ako se onjemu razmisli a ne uči ga se napamet i bez razumijevanja), a jednostavni su i ostali naglasciovoga poglavlja: svojstva funkcije i graf funkcije. Jedinu poteškoću može stvarati nešto veći brojpojmova vezanih uz funkcije, ali su svi ti pojmovi lako razumljivi pa ih je lako i upamtiti.Digresija: Definicije nisu "suha teorija". Definicija nekog objekta/pojma je snažni alat kojiomogućava raspoznavanje "tko jest a tko nije". Nemojte definicije učiti napamet; ako ih ne znateprimijeniti posve je beskorisna sposobnost "recitiranja".Na pitanje što je funkcija, najčešći ponuđeni odgovor je "to je zakon pridruživanja", bez ikakvogapojašnjenja koga pridružujemo kome i na koji način izvodimo to pridruživanje. Isto tako,podsvjesno se razmišlja o funkcijama definiranim nad skupovima brojeva, iako je funkcijadaleko općenitiji pojam (toliko općenit da možemo čuti i besmislene izjave poput "trebamopoljoprivredu staviti u funkciju turizma"). Pogledajmo najprije nekoliko primjera preslikavanjaizmeđu dva skupa: D K D K D K I a I a I a II b II b II b III c III c III c IV d IV 1 2 3 D K D K D K I a a I I a II b b II II b III c c III III c IV d 4 5 6Zadatak: Razmotrite sliku i pokušajte intuitivno (na osnovi "vaše" definicije funkcije) odreditikoja od preslikavanja na dijagramima 1-6 jesu funkcije, a koja nisu. Argumentirajte odgovor.Uobičajeni pogrešni odgovori su "dijagram 1 prikazuje funkciju" i eventualno izjava da dijagrami3 i 4 ne prikazuju funkcije – razmatranja se svedu na "argument" "lijepi dijagrami prikazujufunkcije, a ružni ne". No, nakon što se kao neslužbena definicija funkcije ponudi izjava"preslikavanje mora biti takvo da svaki element polaznog skupa zna gdje se preslika", lako se 15
18. 18. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture dođe do ispravnog zaključka da su funkcije prikazane na dijagramima 2, 3, 4 i 6. Dijagram 1 ne prikazuje funkciju jer element IV nije nigdje preslikan, a na dijagramu 5 element III se preslikava u dva elementa skupa K. Definicija: Neka su D i K dva neprazna skupa. Preslikavanje koje svakom elementu skupa D pridružuje točno jedan element skupa K zove se funkcija sa D u K, oznaka f : D → K. Skup D nazivamo domena funkcije (područje definicije). Skup K nazivamo kodomena funkcije (područje vrijednosti). Zanimat će nas i slika funkcije (skup funkcijskih vrijednosti). Slika je podskup kodomene, a čine je oni elementi kodomene u koje se preslikao barem jedan element domene. Na primjer, slika funkcije na dijagramu 2 je {a, b, c}, a slika funkcije na dijagramu 3 je {b}. U definiciji smo istakli tri ključna elementa: postojanje dva neprazna skupa i svojstvo koje preslikavanje mora zadovoljiti da bi funkcija bila definirana. Pritom je spominjanje nepraznih skupova D i K "tehnički argument", tj. iskazivanje banalne činjenice da moramo imati elemente koje ćemo preslikati i elemente koje ćemo im pridružiti, dok su svojstva preslikavanja bitna za prepoznavanje što jest a što nije funkcija. Ponovimo još jednom, funkcija je jednoznačno određena s tri podatka: domenom, kodomenom i pravilom preslikavanja! Da bi dvije funkcije bile jednake, moraju imati jednake i domene i kodomene i pravilo preslikavanja (ovo nije formalnost: u zadacima ćemo vidjeti da promjena domene i/ili kodomene uz isto pravilo preslikavanja, rezultira novom funkcijom drukčijih svojstava). Zadatak: Razmotrite međuodnos između kodomene funkcije i slike funkcije. Navedite primjer funkcije kojoj je slika jednaka kodomeni, i funkcije kojoj su slika i kodomena različite. 2.2 Pojmovi i svojstva Nakon što definiramo neki pojam, najčešće tragamo za posebno "lijepim" predstavnicima toga pojma. U slučaju funkcija, razmotrit ćemo dva "lijepa" svojstva: ako se različiti elementi domene preslikaju u različite elemente kodomene (odnosno, ako se nijedna dva elementa domene ne preslikaju u isti element kodomene), funkcija je injekcija (dijagrami 2 i 6 na prethodnoj stranici); ako je slika funkcije jednaka kodomeni (odnosno, ako se u svaki element kodomene preslikao barem jedan element domene), funkcija je surjekcija (dijagrami 4 i 6 na prethodnoj stranici). Injekcije i surjekcije su, dakle, "lijepe" funkcije. Uočimo da je samo dijagram 6 ujedno i surjekcija i injekcija. Uočimo nadalje da je ovo "jako, jako lijepa" funkcija: skupovi D i K imaju jednak broj elemenata i imamo tzv. "1-1" preslikavanje. Funkcija koja je surjekcija i injekcija naziva se bijekcija. Napomena: Funkcija koja nije bijekcija može se "popraviti", od nje se može dobiti funkcija koja jest bijekcija, i koja čuva preslikavanje koliko je to god moguće: ako funkcija nije injekcija, iz domene uzimamo samo jedan od elemenata koji imaju istu funkcijsku vrijednost; ako funkcija nije surjekcija, kao kodomenu nove funkcije uzimamo sliku izvorne funkcije.16
19. 19. 2. FunkcijeNapomena: Naravno, funkcija dobivena od polazne promjenom domene i/ili kodomene nijejednaka izvornoj funkciji (iako nismo mijenjali pravilo preslikavanja). Štoviše, upravo ovajpostupak je najbolji primjer da funkcija nije samo "preslikavanje", jer uz zadržano preslikavanjemijenjanjem domene i/ili kodomene dobivamo novu funkciju različitih svojstava.Primjer: Razmotrimo f(x)=x2, f : R → R. Ova funkcija nije injekcija (jer je, npr. (–1)2 = 12), nisurjekcija (jer je slika funkcije interval [0, ∞), tj. nijedan broj nema negativnu funkcijskuvrijednost). Ako želimo "lijepu" funkciju (dakle, bijekciju) koja će biti "što sličnija" funkciji f tj. kojućemo dobiti uz što manje "zahvate" na definiciji funkcije f, postupamo kako slijedi: da bismo postigli injektivnost, provodimo restrikciju domene: definiramo funkciju g(x)=x2, g : [0, ∞) → R. Funkcija g je injekcija (ali još uvijek nije surjekcija); da bismo postigli surjektivnost, provodimo restrikciju kodomene: definiramo funkciju h(x)=x2, h : [0, ∞) → [0, ∞). Funkcija h je i injekcija i surjekcija, pa je bijekcija.Primijetimo da u izbor funkcija g i h nije jedinstven; na isti smo način mogli definirati funkcijep(x)=x2, p : (–∞, 0] → R, i q(x)=x2, q : (–∞, 0] → [0, ∞), ili r(x)=x2, r : (1, 3] → (1, 9].Spomenuli smo već da se funkcije mogu definirati nad bilo koja dva neprazna skupa. Ipak,budući da ćemo se u daljnjim razmatranjima baviti funkcijama oblika f : D → K, gdje su D i Kpodskupovi skupa realnih brojeva, preostale pojmove i svojstva predstavit ćemo na primjerimatakvih funkcija. Ovakve funkcije zovemo realne funkcije realne varijable ("realne funkcije"zbog toga što im je kodomena podskup skupa realnih brojeva; "realne varijable" zbog toga štoim je domena podskup skupa realnih brojeva).Funkcija f : D → K može se zadati na razne načine. Mi ćemo najčešće koristiti eksplicitnozadavanje, tj. zadavanje izrazom y=f(x). Pritom dogovorno (ako nije drukčije naznačeno)podrazumijevamo da funkciju razmatramo na njezinom prirodnom području definicije (to jeskup svih realnih brojeva za koje se može izračunati funkcijska vrijednost, tj. za koje funkcijapoprima realnu vrijednost), a kao kodomenu uzimamo cijeli skup R;Definicija: Neka su zadane funkcije f : D → R i g : K → R. Ako je slika funkcije f podskup domenefunkcije g, definiramo kompoziciju funkcija, odnosno funkciju h : D → R takvu da jeh(x)=g[f(x)]. Kompoziciju funkcija f i g u kojoj na x najprije djeluje funkcija f a potom na f(x)funkcija g, označavamo sa g°f(x).Nije teško razumjeti kako kompozicija funkcija djeluje na x; možda je jedino na prvi poglednejasan zahtjev da slika funkcije f bude podskup domene funkcije g, no to je jednostavnopreduvjet da bi kompozicija bila dobro definirana. Naime, funkcija g djeluje samo na elementeskupa K i ako bi postojao neki x za koji je f(x) izvan skupa K, za takav x ne bi bila definiranakompozicija g[f(x)] (jer funkcija g "ne zna što bi" s vrijednošću f(x)).Primjer: Odredite g°f(x) ako je f(x)=2x+3, g(x)=x2 – 2.Rješenje: Moramo odrediti čemu je jednak g[f(x)], odnosno g(2x+3). Jedini problem koji semože pojaviti je "doslovno" shvaćanje argumenta x u definiciji funkcije g. Ovdje opet možemoposegnuti za "krumpirima" i definirati funkciju g kao g(krumpir)=(krumpir)2+2, gdje "krumpir"označava bilo koji realni izraz. Slijedom "logike krumpira": g°f(x) = g(2x+3)= (2x+3)2 – 2 = 4x2+12x+7. 17
20. 20. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture Definicija: Neka je f : D → K bijekcija. Definiramo f –1 : K → D takvu da je ∀x∈D, f–1°f(x)=x. Funkciju f–1 zovemo inverzna funkcija funkcije f. Promotrimo li dijagrame 1-6 na početku poglavlja, lako je razumjeti zbog čega f mora biti bijekcija da bi imala inverznu funkciju: samo u tom slučaju sve elemente kodomene "znamo" vratiti u izvorne elemente domene. Ako funkcija nije surjekcija, znači da je neki element kodomene nepokriven funkcijskom vrijednošću (pa se nema kamo vratiti), a ako nije injekcija znači da se u barem jedan element kodomene preslikalo više od jednog elementa domene (pa taj element kodomene "ne zna" u koji bi se od preslikanih elemenata vratio). Primjer: Odredite inverznu funkciju za f(x)=2x+1. Rješenje: Lako se vidi da je funkcija f definirana na cijelom skupu R i bijekcija je. Vrijedi: y = 2x + 1 y −1 x= 2 x −1 Prema tome, f −1 (x ) = . 2 Definicija: Nekoliko "brzopoteznih" definicija uz realne funkcije realne varijable f : D → K: Dvije su funkcije jednake ako su im jednake domene, kodomene i pravilo preslikavanja (odnosno, ako su im jednaka sva tri elementa koja jednoznačno određuju funkciju); nul-točka funkcije je svaki x0 iz domene funkcije f za koji je f(x0)=0; Funkcija je ograničena odozgo (odozdo) ako je njena slika odozgo (odozdo) ograničen skup; Funkcija je rastuća ako x1<x2 ⇒ f(x1)≤ f(x2); Funkcija je padajuća ako x1<x2 ⇒ f(x1) ≥f(x2); Funkcija je strogo rastuća (strogo padajuća) ako su nejednakosti u prethodnim definicijama stroge; Funkcija je monotona (strogo monotona) ako je rastuća (strogo rastuća) ili padajuća (strogo padajuća); Funkcija je parna ako je f(x)=f(–x), ∀x∈D; Funkcija je neparna ako je f(x)= – f(–x), ∀x∈D. Napomena: Svojstvo monotonosti može se razmatrati na dijelovima prirodnog područja definicije funkcije; u tom slučaju govorimo o funkciji koja je po dijelovima monotona. Nešto detaljnije razmotrit ćemo pojam periodičnosti: Definicija: Funkcija f je periodična ako postoji broj P takav da je ∀x∈D, ako je x+P∈D, f(x+P)=f(x). Pritom se najmanji takav pozitivan broj P zove osnovni period funkcije f. Lako se vidi da smo u osnovi zapisali ono što intuitivno smatramo periodičnošću, tj. činjenicu da se "funkcija ponavlja". Ako je područje definicije funkcije cijeli skup R, ne treba nam upit je li x+P unutar područja definicije funkcije, ali za funkcije definirane na nekom podskupu skupa realnih brojeva ovaj upit nam osigurava da ne "iskočimo" iz područja definicije funkcije. Spominjanje "najmanjeg takvog pozitivnog broja" kao osnovnog perioda nužno je zbog toga što je za periodičnu funkciju bilo koji višekratnik od P također period (ali nije osnovni period).18
21. 21. 2. Funkcije2.3 Graf funkcijeDefinicija: Graf funkcije f : D → K je skup uređenih parova {(x, f(x)), x∈D}.Ova definicija vrijedi za svaku funkciju, pa tako i za realne funkcije realne varijable. Graf je,dakle, skup uređenih parova iz kojeg se može "pročitati" kako funkcija djeluje na pojedineelemente domene. Za realne funkcije realne varijable prirodno je ove uređene parove prikazatiu pravokutnom koordinatnom sustavu u ravnini; zbog toga ćemo pod "grafom funkcije"podrazumijevati skup točaka ravnine {(x, f(x)), x∈D}.Zadatak: Samostalno ponovite priču o koordinatnom sustavu u ravnini. Provjerite znate liprikazati zadanu točku u ravnini, gdje leže točke s istom apscisom ("prvom koordinatom"), gdjetočke s istom ordinatom ("drugom koordinatom"), itd.(Ne)razumijevanje grafa funkcije, tj. (ne)sposobnost opisivanja svojstava funkcije razmatranjemnjenoga grafa, najbolji je pokazatelj (ne)razumijevanja funkcija uopće. Nakon uvodnihrazmatranja nekih elementarnih funkcija, mi ćemo se "naoružati" s dva osnovna alata za obradufunkcija – limesom i derivacijom – i pomoću njih biti u stanju nacrtati tzv. kvalitativni (približni)graf funkcije. Ukoliko nakon silnoga truda nismo u stanju opisati kako se to funkcija "ponaša"razmatranjem njenoga grafa, sav trud nam je uzaludan. Jednako je pogubno ne znati grafičkiinterpretirati neke elementarne definicije i svojstva, tj. prikazati ih na primjeru neke funkcije.Možda je korisna sljedeća preporuka: zamislite koordinatne osi kao "šetnicu" – po x-osi šetatekada želite razmatrati područje definicije i pojmove vezane uz njega, po y-osi kada želiterazmatrati funkcijske vrijednosti i pojmove vezane uz njih. Funkcijske vrijednosti za neki xočitavate na y-osi kao "očitavanje vodostaja", gledate na kojoj je visini funkcijska vrijednost f(x).Što bi, dakle, trebalo "pročitati" promatrajući graf funkcije? Za početak, sljedeće: Za neki x0 ∈ D, točka (x0 y0) je: na grafu ako je y0=f(x0); ispod grafa ako je y0<f(x0); iznad grafa ako je y0>f(x0); Uspravni pravac može sjeći graf funkcije u najviše jednoj točki (ako neki uspravni pravac x=x0 ne siječe graf, to znači da x0 nije u domeni funkcije); Vodoravni pravac može sjeći graf u proizvoljno mnogo točaka (uključujući i "nula točaka", tj. ne mora uopće sjeći graf – ako neki vodoravni pravac y=y0 ne siječe graf, to znači da y0 nije u slici funkcije); Prirodno područje definicije funkcije čine svi x0∈R u kojima uspravni pravac x=x0 siječe graf; Sliku funkcije čine svi y0∈R u kojima vodoravni pravac y=y0 siječe graf; Ako je funkcija injekcija, svaki vodoravni pravac siječe graf u najviše jednoj točki; Ako je funkcija surjekcija, za svaki y0 iz kodomene vodoravni pravac y=y0 siječe graf (barem u jednoj točki); Funkcija je ograničena odozgo ako postoji vodoravni pravac y=y0 takav da je cijeli graf ispod njega.Zadatak: Skicirajte u koordinatnom sustavu primjere funkcija kojima ćete ilustrirati svaku odovih definicija i napomena o grafu funkcije.Na osnovi definicije za ograničenost odozgo, sami iskažite analogiju za ograničenost odozdo. 19
22. 22. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture Definicija: Funkcija f : D → R je na intervalu (a, b): ⎛ x + x 2 ⎞ f (x1 ) + f (x 2 ) konveksna ako za svaki x1, x2 ∈(a, b) vrijedi f⎜ 1 ⎟≤ ⎝ 2 ⎠ 2 ⎛ x + x 2 ⎞ f (x1 ) + f (x 2 ) konkavna ako za svaki x1, x2 ∈(a, b) vrijedi f⎜ 1 ⎟≥ ⎝ 2 ⎠ 2 Točku u kojoj funkcija mijenja način zakrivljenosti zovemo točka infleksije. Definicija naizgled nije najjasnija, no radi se o jednostavnome svojstvu: ako je na intervalu (a, b) graf funkcije ispod spojnice bilo koje dvije točke grafa, funkcija je konveksna na tom intervalu; ako je pak iznad svake spojnice, funkcija je konkavna. Još jedan način utvrđivanja konveksnosti: ako je funkcija konveksna na intervalu (a, b), graf funkcije u okolini točke c∈(a, b) je iznad tangente na graf funkcije u točki c; ako je funkcija konkavna na intervalu (a, b), graf funkcije u okolini točke c∈(a, b) je ispod tangente na graf funkcije u točki c. y y y f((x1+x2)/2) konkavna (f(x1)+f(x2))/2 (f(x1)+f(x2))/2 f((x1+x2)/2) 1 1 1 konveksna x1 (x1+x2)/2 x2 0 1 x 0 1 x 0 T.inf.1 x x1 (x1+x2)/2 x2 Konveksna funkcija Konkavna funkcija Točka infleksije Primjer: Svaku od ovih definicija zgodno je povezati s nekim primjerom koji će vas podsjetiti "o čemu se tu radi". Najbolji primjeri za konveksnost/konkavnost funkcije i točku infleksije su: funkcija f(x)=x2 je konveksna na cijelom području definicije; funkcija f(x)= –x2 je konkavna na cijelom području definicije; funkcija f(x)= x3 je konkavna za x<0, konveksna za x>0 a u x=0 ima točku infleksije. Zadatak: Skicirajte u koordinatnom sustavu proizvoljnu konveksnu funkciju, konkavnu funkciju i funkciju koja je na jednom dijelu područja definicije konveksna, a na drugom dijelu konkavna. Još jedan pojam koji nam govori o tome kako se funkcija "ponaša" jest pojam (lokalnog) ekstrema. Uočite bitnu razliku između lokalnog ekstrema i ekstrema. Definicija: Funkcija f : D → R ima u točki x0∈D: lokalni minimum, ako postoji ε >0 takav da je (x0–ε, x0+ε) ⊆ D i za svaki x∈(x0–ε, x0+ε) vrijedi: f(x0)<f(x); lokalni maksimum, ako postoji ε >0 takav da je (x0–ε, x0+ε) ⊆ D i za svaki x∈(x0–ε, x0+ε) vrijedi: f(x)<f(x0); lokalni ekstrem, ako ima lokalni minimum ili lokalni maksimum; (globalni) minimum, ako za svaki x∈D vrijedi: f(x0)≤f(x); (globalni) maksimum, ako za svaki x∈D vrijedi: f(x)≤f(x0); (globalni) ekstrem, ako ima (globalni) minimum ili (globalni) maksimum.20
23. 23. 2. FunkcijeZadatak: Odgovorite na sljedeća pitanja: Koliko najmanje, a koliko najviše lokalnih minimuma (maksimuma) može imati funkcija? Koliko najmanje, a koliko najviše globalnih? Ako je x0 lokalni minimum, a x1 lokalni maksimum funkcije, što znamo o f(x0) i f(x1)? Ako funkcija ima lokalni minimum (maksimum), je li nužno ograničena odozdo (odozgo)? Kakva je veza ograničenosti i globalnih ekstrema?2.4 Temeljne elementarne funkcijePrije nego što započnemo razmatranje tzv. elementarnih funkcija, navedimo sljedeće podjele.Sljedeće funkcije definiramo kao tzv. temeljne elementarne funkcije (naziv "osnovneelementarne funkcije" nije najsretniji jer su pojmovi "osnovne" i "elementarne" manje-višeistoznačni): Konstantna funkcija; Potencija; Eksponencijalna funkcija; Logaritamska funkcija; Trigonometrijske funkcije; Ciklometrijske (arkus) funkcije.U ovom poglavlju razmotrit ćemo temeljne elementarne funkcije (njihovu definiciju, prirodnopodručje definicije i svojstva), potom ćemo razmotriti neke elementarne funkcije.Budući da još nismo definirali pojam limesa (granične vrijednosti) funkcije, ponašanje funkcijaćemo opisivati preko opisivanja njihovog grafa.Konstantna funkcijaOvo je najjednostavnija elementarna funkcija. Oblika je f(x)=c, gdje je c∈R. Prirodno područjedefinicije je cijeli skup R. Graf je vodoravni pravac y=c.PotencijaRazmotrimo najprije potenciranje prirodnim brojem, tj. funkciju oblika f(x)=xn, n∈N: prirodno područje definicije je cijeli skup R; za neparne n, funkcija je neparna i bijekcija (pa možemo definirati inverznu funkciju); za neparne n, funkcija nije ograničena. Jedina nul-točka je x=0. Slika je cijeli skup R; za parne n, funkcija je parna i nije bijekcija. Međutim, ako se područje definicije i kodomena ograniče na [0,∞), tako ograničena funkcija je bijekcija (pa možemo definirati inverznu funkciju); za parne n, funkcija je ograničena odozdo, ima minimum i jedinu nul-točku u x=0. Slika funkcije je skup [0,∞).Napomena: Kao što smo već savjetovali, zgodno je razmotriti graf i svojstva potencija f(x)=x2(kao "predstavnika" parnog stupnja), odnosno f(x)=x3 (kao "predstavnika" neparnog stupnja): razmotrite grafove funkcija f(x)=x2, f(x)=x3, f(x)= –x2, f(x)= –x3; funkcija f(x)=x2 je konveksna, funkcija f(x)=x3 je konkavna za x<0, konveksna za x>0 a za x=0 ima točku infleksije. 21
24. 24. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture Potenciranje cijelim brojem definiramo tako da je x –n = 1/xn za svaki prirodan broj n. Prirodno područje definicije ovakvih funkcija je R{0}. y y Posebno su "poučni" grafovi funkcija y=1/x i y=1/x2, posebice njihovo y=1/x y=1/x2 ponašanje na lijevoj i desnoj strani grafa (za jako male i jako velike 0 1 x 0 1 x vrijednosti x-a), kao i neposredno uz y-os (za vrijednosti x-a bliske nuli). Razumijevanje ovih grafova bit će korisno i kasnije, kod razmatranja limesa. Potenciranje racionalnim brojem oblika 1/n (gdje je n prirodan broj) definiramo kao inverznu funkciju funkcije f(x)=xn (pri čemu u slučaju parnoga n ograničimo domenu i kodomenu), 1 označavamo x n = n x . Vrijedi: ako je n neparan, područje definicije i slika je cijeli skup R; ako je n paran, područje definicije i slika je skup [0,∞). Drugim riječima, "neparni" korijeni su definirani za sve realne brojeve a "parni" za x≥0. Potenciranje racionalnim brojem definiramo na sljedeći način: m m ⎛ 1⎞ m m ( ) 1 xn = ⎜xn ⎟ (ili xn = xm n , oznaka: xn = n x m ). ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ako je m negativan, moramo izbaciti nulu iz područja definicije. Eksponencijalna i logaritamska funkcija Za realni broj a>0, a≠1 definiramo opću eksponencijalnu funkciju f(x)=ax. Prirodno područje definicije ove funkcije je R, slika je (0,∞). Ako je a>1 funkcija strogo raste, ako je a<1 funkcija strogo pada. Vrijedi: ax+y = ax⋅ay; ax-y = ax / ay. Posebno je (zbog svojih "lijepih" svojstava) značajna funkcija ex, gdje je e beskonačan decimalni broj, približno 2,71. Inverznu funkciju eksponencijalnoj funkciji f(x) = ax zovemo logaritamska funkcija baze a, oznaka g (x ) = loga x . Posebno, inverznu funkciju za f(x) = ex označavamo s ln(x) i zovemo prirodni logaritam. Svojstva logaritamske funkcije slijede iz svojstava eksponencijalne funkcije, i lako ih je očitati s grafa funkcija koje dajemo kao primjer ponašanja sličnih funkcija: f(x)=2x – primjer ponašanja ekponencijalne funkcije kad je a>1; f(x)=(1/2)x – primjer ponašanja ekponencijalne funkcije kad je a<1; f(x)=lnx – primjer ponašanja logaritamske funkcije kad je baza veća od 1; f (x ) = log 1 x – primjer ponašanja logaritamske funkcije kad je baza manja od 1. 2 Budući da je slika eksponencijalne funkcije skup (0,∞), to je ujedno i prirodno područje definicije logaritamske funkcije.22
25. 25. 2. FunkcijeNapomene: grafovi ovih funkcija beskonačno se približavaju koordinatnim osima, ali ih nikadne dodiruju! Nadalje, izbjegnite uobičajenu pogrešnu izjavu da je "logaritam uvijek pozitivan".Razmotrite gdje su ove funkcije definirane i kakve vrijednosti poprimaju.Zadatak: Provjerite poznavanje ovih funkcija na pitanjima poput ovih: Kako se ponaša graf funkcije f(x)=ex na svojem lijevom (desnom) dijelu? Kako graf funkcije f(x)=(3/5)x? Kako grafovi funkcija f (x ) = log 3 x i f (x ) = log2 x ? 5 Koje su od temeljnih elementarnih funkcija ograničene odozdo i/ili odozgo? Koje su od temeljnih elementarnih funkcija surjekcije, injekcije, bijekcije?Trigonometrijske funkcije"Šećer ostaje za kraj" – na kraju razmatranja temeljnih elementarnih funkcija, došli smo i dotrigonometrijskih funkcija. Dva su osnovna problema pri usvajanju ovih funkcija: "izbacivanje izglave" trigonometrije pravokutnog trokuta, i pokušaj da se funkcije i njihova svojstva naučenapamet, bez razumijevanja.Za početak, zaboravimo na pravokutni trokut i definiciju sinusa kao omjera nasuprotne katete ihipotenuze. Dakako da je ovo valjana definicija sinusa kuta, ali pri razmatranju sinusa kaofunkcije čini više štete nego koristi. Trigonometrijske funkcije, poput svake druge funkcije,"uzimaju" neke realne brojeve i kao funkcijsku vrijednost im pridružuju neke druge realnebrojeve.Nadalje, pokušaj da se umjesto razumijevanja ovih funkcija njihova definicija i svojstvajednostavno "naštrebaju" napamet, nije nimalo mudar: funkcije su jednostavne zarazumijevanje, mnoga svojstva lako se izvedu iz definicije funkcija, pa je učenje napamet dalekoneugodniji posao.Trigonometrijske funkcije definiramo na sljedeći način: u koordinatnoj ravnini postavimojediničnu kružnicu, a pravac x=1 označimo kao brojevni pravac. 23
26. 26. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture y x x sin x cos x 0 1 x Namotajmo pravac na kružnicu, i pritom zamislimo da je pravac beskonačno tanak, tj. da se pri njegovome namatanju na kružnicu jedinična kružnica "ne deblja". Uočimo: ovo preslikavanje je funkcija sa R u R, tj. svakoj točki pravca (odnosno svakom realnom broju) pridružena je točno jedna točka kružnice. Zadatak: Razmotrite je li namatanje pravca na jediničnu kružnicu surjekcija i injekcija. Definicija: Sinus realnoga broja definiramo kao ordinatu, a kosinus kao apscisu njemu pridružene točke na jediničnoj kružnici. Tangens realnoga broja x definiramo kao omjer sinx/cosx, a kotangens kao omjer cosx/sinx. Zadatak: na grafovima trigonometrijskih funkcija naznačite "karakteristične točke" – nul-točke, točke prekida područja definicije, točke u kojima se postižu ekstremne vrijednosti, itd.24
27. 27. 2. FunkcijePriča o jediničnoj (u ovom kontekstu tzv. trigonometrijskoj) kružnici, namatanju pravca nakružnicu i definiciji trigonometrijskih funkcija jednostavna je, razumljiva i nadasve silno korisna.Za početak, iskoristite trigonometrijsku kružnicu (ili graf funkcije f(x)=sin(x)) da biste odgovorilina trik-pitanje "koliko je sin(1)?"Zadatak: Razmatranjem trigonometrijske kružnice odgovorite na sljedeća pitanja (obrazložiteodgovor): Što je prirodno područje definicije, a što slika svake od trigonometrijskih funkcija? Za koje su dijelove područja definicije trigonometrijske funkcije pozitivne/negativne? Koje su od trigonometrijskih funkcija injekcija? Koje su surjekcija? Kako treba reducirati prirodno područje definicije i kodomenu trigonometrijskih funkcija da bi reducirane funkcije bile bijekcije? Jesu li trigonometrijske funkcije periodične? Koliki im je osnovni period? Jesu li trigonometrijske funkcije parne (neparne)? Kako se pomoću trigonometrijske kružnice jednostavno može dokazati jednakost sin2x + cos2x = 1? Jesu li trigonometrijske funkcije ograničene odozdo/odozgo? Ukoliko jesu, koliki im je minimum/maksimum (infimum/supremum)?Definicija: Inverzne funkcije trigonometrijskim funkcijama (odnosno, njihovim redukcijama nabijektivne funkcije) nazivamo ciklometrijske ili arkus funkcije. Tako imamo arcsin(x),arccos(x), arctg(x) i arcctg(x).Zadatak: Odredite prirodno područje definicije, sliku, svojstva arkus funkcija. Koristeći svojstvosimetričnosti grafa funkcije i inverzne funkcije, skicirajte grafove arkus funkcija.2.5 Neke elementarne funkcijeElementarne funkcije su funkcije koje se dobivaju zbrajanjem, oduzimanjem, množenjem,dijeljenjem i kompozicijom temeljnih elementarnih funkcija.Polinomi n n-1Definicija: Funkciju oblika P(x)=anx +an-1x + ... + a1x+a0, gdje je n∈N0, ai realni brojevi ian≠0 nazivamo polinom n-tog stupnja.Polinomi su "najjednostavnije" funkcije (navodnici zbog toga što nema definicije što bi to bile"jednostavne" a što "nejednostavne" funkcije). Nekoliko osnovnih svojstava i značajki: prirodno područje definicije polinoma je cijeli skup R; po ponašanju u beskonačnosti razlikujemo polinome parnoga i neparnog stupnja: ako je an>0, polinomi parnog stupnja ograničeni su odozdo, a za jako male i za jako velike x-ove (tj. na lijevom i desnom kraju grafa) funkcijske vrijednosti neograničeno rastu, a za polinome neparnog stupnja funkcijske vrijednosti neograničeno padaju na lijevom a neograničeno rastu na desnom kraju grafa. Ako je an<0, polinomi parnog stupnja ograničeni su odozgo, funkcijske vrijednosti neograničeno padaju na lijevom i desnom rubu grafa; za polinome neparnog stupnja funkcijske vrijednosti neograničeno rastu na lijevom i neograničeno padaju na desnom kraju; 25
28. 28. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture polinom n-tog stupnja ima najviše n realnih nul-točaka (prije nego izustite čestu zabludu da ima točno n realnih nul-točaka, sjetite se polinoma P(x)=x2+1 i Q(x)=(x+1)2; koliko ti polinomi drugog stupnja imaju realnih nul-točaka?); polinom neparnog stupnja ima barem jednu realnu nul-točku. Zadatak: Ponovite srednjoškolsku lekciju o zbrajanju, oduzimanju, množenju i dijeljenju polinoma. Racionalne funkcije Pn (x ) Definicija: funkciju oblika R (x ) = , gdje su Pn(x) i Qm(x) polinomi stupnja n i m, nazivamo Qm ( x ) racionalna funkcija. Racionalne funkcije ("polinom kroz polinom") po tvorbi su nalik racionalnim brojevima ("cijeli broj kroz cijeli broj"). Slijedom te sličnosti se definiraju prave i neprave racionalne funkcije (kao što je 3/4 pravi, a 7/2 nepravi razlomak). Pn (x ) Definicija: racionalna funkcija R (x ) = je prava ako je n<m, u protivnom je neprava. Qm ( x ) Analogno s izdvajanjem cijeloga broja iz nepravog razlomka, nepravoj racionalnoj funkciji se dijeljenjem brojnika nazivnikom može izdvojiti cijeli dio, polinom stupnja (n–m). Osnovna svojstva i značajke: Pn (x ) Prirodno područje definicije racionalne funkcije R (x ) = je R {x∈R, Q(x)=0}, tj. Q m (x ) prirodno područje definicije su svi realni brojevi osim nul-točaka nazivnika. Ako je n<m, graf racionalne funkcije na lijevom i desnom kraju se približava osi x (funkcijske vrijednosti se približavaju nuli); Ako je n=m, i ako sa an i bm označimo vodeće koeficijente polinoma P(x) i Q(x), graf racionalne funkcije na lijevom i desnom kraju se približava vodoravnom pravcu y=an/bm (funkcijske vrijednosti se približavaju broju an/bm); Ako je n>m, graf racionalne funkcije se na lijevom i desnom kraju ponaša slično grafu a polinoma P (x ) = n x n −m . bm Ako je x0 nul-točka nazivnika racionalne funkcije, graf funkcije se blizu x0 približava pravcu x=x0 (tj. funkcijske vrijednosti neograničeno rastu ili neograničeno padaju).26
29. 29. 2. FunkcijeAlgebarske i transcendentne funkcijeFunkcije koje su dobivene primjenom zbrajanja, oduzimanja, množenja, dijeljenja i kompozicijeracionalnih funkcija i potenciranja racionalnim eksponentima zovu se algebarske funkcije.Funkcije koje nisu algebarske zovu se transcendentne funkcije.Pojednostavnjeno, algebarske funkcije smiju sadržavati samo potencije (uključujući irazlomljene, odnosno korijene). Trigonometrijske, ciklometrijske, eksponencijalne i logaritamskefunkcije su transcendentne.Linearna transformacija grafa, g(x)=A⋅f(Bx+C)+DJoš jedna priča koja je – a kakva bi bila – jednostavna. Iza ovog zlokobnog naslova krije setema koja se u osnovi zasniva na (ne)razumijevanju funkcije, posebice (ne)razumijevanju grafafunkcije. Razmotrit ćemo vezu grafa funkcije f(x) i funkcije g(x)=A⋅f(Bx+C)+D, tj. o utjecajukoeficijenata A, B, C i D na promjene "osnovnoga" grafa funkcije f(x). Često se linearnatransformacija grafa pogrešno vezuje isključivo uz trigonometrijske funkcije, točnije uz graffunkcije A⋅sin(Bx+C)+D, pa se umjesto logike koristi prisjećanje na "one formule, kako onoglase, amplituda, period...". Upravo zbog toga ćemo osim sinusa razmotriti i djelovanje ovihkoeficijenata na primjeru kvadratne funkcije.Odnos f(x) i (f(x)+D)Što znači "izračunati (sinx+1) ili (x2+1)", odnosno, u općem slučaju, kako od grafa f(x) dobivamograf g(x)=(f(x)+D)? Jednostavno, za svaki x iz područja definicije najprije izračunamo vrijednostpolazne funkcije f(x) i potom pribrojimo vrijednost D. Drugim riječima, svakoj točki grafa funkcijeordinatu povećavamo za vrijednost D – dakle, graf funkcije f(x) translatiramo (pomičemo) zavrijednost D paralelno s y-osi (Napomena: D, naravno, može biti i negativan, pa "pribrajanje"D ne znači nužno i zbrajanje, odnosno translaciju grafa "prema gore").Odnos f(x) i f(x+C)Uloga koeficijenata C i D (tj. njihov utjecaj na graf funkcije) najčešće se pomiješaju kod učenjanapamet. Što, dakle, radimo pri konstruiranju grafa funkcije g(x) = f(x+C)? Za svaki x iz domenefunkcije g, na graf nanosimo "vrijednost susjeda", tj. pogledamo kolika je funkcijska vrijednostfunkcije f(x) u vrijednosti "susjeda" x+C. Ako je, npr., C pozitivan (naravno da ne mora biti), mi usvakome x-u "pogledamo" kako izgleda graf funkcije f za "desnoga susjeda" x+C, tj. graffunkcije g(x) nastaje kao graf funkcije f(x) pomaknut ulijevo; drugim riječima, translatiramo graffunkcije f(x) paralelno x-osi za –C. (Napomena: ako niste sigurni treba li translatirati "ulijevo"ili "udesno", najlakše je razmotriti čiju vrijednost f(x+C) nanosite da biste nacrtali g(0)). 27
30. 30. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture Odnos f(x) i A⋅f(x) Ukoliko je koeficijent A različit od 1, u svakoj točki x iz domene funkcije f funkcijsku vrijednost množimo brojem A i tako dobivamo g(x). Lako se vidi da ova transformacija deformira graf funkcije f u smjeru y-osi: (izdužuje graf ako je A>1 ili ga "stišće" ako je 0<A<1). Posebno, ako je A negativan, dodatno imamo simetriju (zrcaljenje) s obzirom na x-os. Napomena: Utjecaj koeficijenta A puno se bolje vidi na primjeru sinusoide – naime, na grafu kvadratne funkcije nije jasno je li deformacija nastala "stiskanjem" u smjeru y-osi ili širenjem u smjeru x-osi. S druge strane, na sinusoidama se vidi da se nul-točke nisu pomaknule, tj. nema deformacije u smjeru x-osi. Odnos f(x) i f(B⋅x) Utjecaj koeficijenta B na graf funkcije jednako je jednostavan za razumijevanje, ali nešto nezgodniji za očitavanje s grafa. Budući da su i kvadratna funkcija i sinus parne funkcije, djelovanje ovoga koeficijenta za slučaj B<0 razmotrit ćemo na funkciji f(x)=x3. Da bismo dobili funkcijsku vrijednost g(x), pri čemu je g(x)=f(B⋅x), za svaki x iz domene funkcije g kao funkcijsku vrijednost nanosimo vrijednost koju f pridružuje broju B⋅x. Djelovanje koeficijenta B najlakše je uočiti na sinusoidi: krenemo li od x=0, vidimo da je sinusoida prošla cijeli svoj osnovni lik ("potrošila" temeljni period) za x=2π/B (na primjer, ako je B=2, osnovni lik sinusoide iscrtali smo već za x=π, za vrijednost B=1/2, za cijeli osnovni lik trebamo crtati graf do x=4π). Očito, koeficijent B deformira graf funkcije f(x) u smjeru x-osi, odnosno "širi" ga ako je B>0, i "sužava" ako je 0<B<1. Posebno, ako je B negativan, dodatno imamo simetriju (zrcaljenje) s obzirom na y-os.28
31. 31. 2. FunkcijeI ovdje vrijedi napomena da je djelovanje koeficijenta B lakše uočiti na primjeru sinusoide negona grafu polinoma. 29
32. 32. Matematika 1 – preddiplomski studij arhitekture 2b Vježbe 1. Koja svojstva (surjekcija, injekcija, parna, neparna, rastuća, padajuća, lokalni ekstremi, globalni ekstremi,...) ima f(x)=x2+1, f : R→R ? Definirajte funkciju g, takvu da je g(x)=x2+1, a da g bude bijekcija. Zapamtite, f ≠ g ! 2. Nacrtajte po jedan graf funkcije za svako od sljedećih svojstava: po dijelovima monotona; rastuća a nije strogo rastuća; ograničena odozdo; ograničena. ⎛ 1⎞ 3x + 1 3. Koliki je f ⎜ ⎟ ako je f (x ) = x + 2 ? ⎝x⎠ x +2 ⎛ 1⎞ ⎛ x + 1⎞ x − 1 4. Koliki je f ⎜ ⎟ ako je f ⎜ ⎟= ? Možemo li ovo zaključiti razmišljanjem, bez ⎝x⎠ ⎝ x − 1⎠ x + 1 računanja? ⎧0 x ∈ Q 5. Zadana je funkcija f (x ) = ⎨ . Kolike su sljedeće funkcijske vrijednosti: ⎩1 x ∈ R Q f (π ), ( f log2 3 4 , ? ) ( f (sin 3 ), f 4 − 0,5 ) 1 6. Nađite kompoziciju f°f°f(x), ako je f (x ) = . 1− x 7. Izračunajte: (2x3+3x-1)⋅(x+1) (x3-2x2+4x-3):(x-1) x 3 − 3x 2 + 3 8. Izdvojite cijeli dio racionalne funkcije: R (x ) = x2 − 1 9. Odredite prirodno područje definicije funkcija: f (x ) = x 2 − 4x + 3 x −2 f (x ) = − ln x−4 f (x ) = ln(4 − x ) 2+ x f (x ) = 1− x2 10. Skicirajte grafove funkcija: f (x ) = x + 1 f (x ) = 1 − x ⎛ π⎞ f (x ) = −2 sin⎜ x + ⎟ f (x ) = − cos(x − π ) ⎝ 2⎠ π f (x ) = 2 sin(x ) + f (x ) = − cos(x ) − π 230