Analiz¼a Matematic¼a - Curs 6 M¼ad¼alina Roxana Buneci

Transcriere

1 Analiz¼a Matematic¼a - Curs 6 M¼ad¼alina Roxana Buneci

2 Cuprins 4 Spaţii topologice (continuare din cursul 5) Spaţiul R n Calcul diferenţial 7 5. Derivatele funcţiilor de o variabil¼a real¼a cu valori vectoriale Teoremele Fermat, Rolle, Lagrange, Cauchy şi aplicaţii... 6 Index 24 2

3 Capitolul 4 Spaţii topologice (continuare din cursul 5) 4.6 Spaţiul R n Dac¼a pe R n = f( ; 2 ; : : : ; n ) : i 2 R, oricare ar i 2 f; 2; : : : ngg de nim adunarea şi înmulţirea cu scalari din R în maniera de mai jos ( ; 2 ; : : : ; n ) + ( ; 2 ; : : : ; n ) = ( + ; ; : : : ; n + n ) ( ; 2 ; : : : ; n ) = ( ; 2 ; : : : ; n ), atunci este uşor de observat c¼a sunt îndeplinite condiţiile cerute de de niţia spaţiului vectorial şi deci R n este spaţiu vectorial peste R. Pe acest spaţiu orice dou¼a norme sunt echivalente. Vom nota cu jjjj, jjjj ; jjjj 2 urm¼atoarele norme uzuale pe R n : jjxjj = max jn jx jj; jjxjj = nx jx j j ; jjxjj 2 = j=! =2 nx jx j j 2 pentru orice x = (x ; x 2 ; : : : ; x n ) 2 R n. Norma jjjj 2 se numeşte norm¼a euclidian¼a şi provine din produsul scalar nx hx; yi = x j y j 3 j= j=

4 M¼ad¼alina Roxana Buneci pentru orice x = (x ; x 2 ; : : : ; x n ) şi y = (y ; y 2 ; : : : ; y n ) 2 R n. Acest produs scalar este numit produsul scalar canonic pe R n. Distanţa asociat¼a acestei norme este v u nx d (x; y) = t jx j y j j 2 j= pentru orice x = (x ; x 2 ; : : : ; x n ), y = (y ; y 2 ; : : : ; y n ) 2 R n şi este numit¼a distanţa euclidian¼a pe R n. Pentru n = 2 (respectiv, n = 3) distanţa euclidian¼a dintre (a ; a 2 ) şi (b ; b 2 ) (respectiv, (a ; a 2 ; a 3 ) şi (b ; b 2 ; b 3 )) coincide cu lungimea segmentului de capete A (a ; a 2 ) şi B (b ; b 2 ) (respectiv, de capete A (a ; a 2 ; a 3 ) şi B (b ; b 2 ; b 3 )). R n este spaţiu Hilbert (în raport cu produsul scalar canonic) şi deci R n este spaţiu Banach (în raport cu norma jjjj 2 indus¼a de produsul scalar). În particular, R n este spaţiu metric complet (în raport cu distanţa euclidian¼a, adic¼a indus¼a de norma jjjj 2 ) şi deci R n este spaţiu topologic (în raport cu topologia indus¼a de distanţa euclidian¼a). Normele jjjj, jjjj şi jjjj 2 sunt norme echivalente pe R n. Ca urmare induc aceeaşi topologie pe R n. Mai mult, se poate ar¼ata c¼a orice norm¼a pe R n este echivalent¼a cu jjjj 2. Topologia indus¼a de jjjj 2 se numeşte topologia uzual¼a pe R n. În raport cu topologia uzual¼a, R n este spaţiu local compact. În raport cu topologia uzual¼a, o submulţime A R n este compact¼a dac¼a şi numai dac¼a este închis¼a (echivalent, conţine limita ec¼arui şir convergent cu termeni din A) şi m¼arginit¼a (echivalent, exist¼a M > 0 astfel încât jjxjj 2 M pentru orice x 2 A). Şirul (a p ) p din R n, unde a p = (x p ; x p2 ; : : : ; x pn ) pentru orice p, este convergent dac¼a şi numai dac¼a pentru orice k 2 f; 2; ::; ng şirul (x pk ) p este convergent. În aceast¼a situaţie avem lim a p = p! lim p! x p; lim p! x 2p ; :::; lim p! x np 4.

5 Analiz¼a Matematic¼a - curs 6 În cazul n = 2 vom scrie (x; y) în loc de (x ; x 2 ), iar în cazul n = 3 vom scrie (x; y; z) în loc de (x ; x 2 ; x 3 ). Exemplul 4.6. În R 4 avem lim p! p ; + p p ; 2 = lim p! p ; lim + p ; lim p! p p! p ; p pp = p ; lim 2 p! pp p = (0; e; 0; )). Exemple S¼a se studieze continuitatea în punctul (0; 0) a um¼atoarelor funcţii:. f : R 2! R f (x; y) = ( x 2 +y 2 ; (x; y) 6= (0; 0) 0; (x; y) = (0; 0) jxj+jyj R: Ar¼at¼am c¼a lim (x;y)!(0;0) f (x; y) = 0 = f (0; 0) şi ca urmare f este continu¼a în (0; 0). Fie " > 0. Pentru orice (x; y) 6= (0; 0) avem 0 x2 + y 2 jxj + jyj = (jxj + jyj)2 jxj + jyj 2 jxj jyj jxj + jyj jxj + jyj. Ca urmare dac¼a lu¼am " = " > 0, avem jf (x; y) 2 0j < " pentru orice (x; y) 6= (0; 0) cu k(x; y) (0; 0)k < " (sau echivalent jxj < ", jyj < " ). 2. f : R 2! R f (x; y) = 2xy x 2 +y 2 ; (x; y) 6= (0; 0) 0; (x; y) = (0; 0) R: Ar¼at¼am c¼a f nu are limit¼a în (0; 0) ca urmare nu este continu¼a în (0; 0). Fie şirurile (a n ) n şi (b n ) n de nite prin a n = n ; şi n b n = n ; 2 pentru orice n 2 N. Atunci a n 6= (0; 0), b n 6= (0; 0), n lim a n = lim b n = (0; 0) şi lim f (a n ) = lim f n! n! n! n! n ; =, iar n 5

6 M¼ad¼alina Roxana Buneci lim f (b n) = lim f n! n! n ; 2 = 4. Deoarece lim n 5 f (a n) 6= lim f (b n ), n! n! rezult¼a c¼a f nu are limit¼a în (0; 0). 6

7 Capitolul 5 Calcul diferenţial 5. Derivatele funcţiilor de o variabil¼a real¼a cu valori vectoriale De niţia 5.. (Derivata) Fie A R, E un spaţiu normat real, B E, f : A! B o funcţie şi a 2 A \ A 0 (un punct din A care este şi punct de acumulare). Funcţia f se numeşte derivabil¼a în a def, exist¼a în E limita lim x!a (f (x) f (a)). x a Dac¼a exist¼a limita precedent¼a se noteaz¼a cu f 0 (a) sau df (a) şi se numeşte dx derivata lui f în a. Dac¼a A A \ A 0, funcţia f : A! E se numeşte derivabil¼a pe A dac¼a este derivabil¼a în orice punct a 2 A. Dac¼a A f = fa 2 A \ A 0 : f : A! E este derivabil¼a în ag, se noteaz¼a cu f 0 funcţia f 0 : A f! E care asociaz¼a ec¼arui element a 2 A f derivata funcţiei f în a, adic¼a funcţia a 7! f 0 (a) [: A f! E]. Funcţia f 0 este numit¼a derivata (de ordinul I) funcţiei f. Funcţia f : A! E se numeşte derivabil¼a la stânga (respectiv, la dreapta) în a def, exist¼a în E limita lim x!a x<a x a (f (x) f (a)) (respectiv, lim x!a x>a 7 (f (x) f (a)) ). x a

8 M¼ad¼alina Roxana Buneci Dac¼a exist¼a limita precedent¼a se noteaz¼a cu fs 0 (a) (respectiv, fd 0 (a)) şi se numeşte derivata la stânga(respectiv, la dreapta) lui f în a. Este uşor de observat c¼a f este derivabil¼a în a dac¼a şi numai dac¼a f este derivabil¼a la stânga şi la dreapta în a şi fs 0 (a) = fd 0 (a). În plus, în acest caz f 0 (a) = f 0 s (a) = f 0 d (a). Propoziţia 5..2 (Derivabilitatea ) continuitatea) Fie A R, E un spaţiu normat real, f : A! E o funcţie şi a 2 A \ A 0. Dac¼a f este derivabil¼a în a, atunci f este continu¼a în a. Demonstraţie. Pentru orice t 2 A, t 6= a, avem kf (x) f (a)k = (x a) x a (f (x) f (a)) f 0 (a) + f (a) 0 jx aj x a (f (x) f (a)) f 0 (a) + jx aj kf 0 (a)k. Ca urmare lim x!a f (x) = f (a), de unde rezult¼a c¼a f este continu¼a în a. Propoziţia 5..3 (Operaţii cu funcţii derivabile) Fie E un spaţiu normat real.. Dac¼a A R, a 2 A \ A 0, f; g : A! E sunt dou¼a funcţii derivabile în a şi dac¼a, 2 R, atunci funcţia f + g este derivabil¼a în a şi (f + g) 0 (a) = f 0 (a) + g 0 (a). 2. Dac¼a A R, a 2 A \ A 0 iar f : A! R şi g : A! E sunt dou¼a funcţii derivabile în a, atunci fg este derivabil¼a în a şi (fg) 0 (a) = f 0 (a) g (a) + f (a) g 0 (a). 3. Dac¼a A R, a 2 A \ A 0 iar f : A! R este o funcţie derivabil¼a în a cu proprietatea c¼a f (t) 6= 0 pentru orice t 2 A, atunci funcţia este f derivabil¼a în a şi 0 (a) = f f 0 (a) f 2 (a). 8

9 Analiz¼a Matematic¼a - curs 6 4. Dac¼a A R, a 2 A \ A 0 iar g : A! R şi f : A! E sunt dou¼a funcţii derivabile în a şi g (t) 6= 0 pentru orice t 2 A, atunci f este g derivabil¼a în a şi g f 0 (a) = g 2 (a) (g (a) f 0 (a) g 0 (a) f (a)). 5. Dac¼a A; B R, g : A! B este o funcţie derivabil¼a în a 2 A \ A 0 şi f : B! E o funcţie derivabil¼a în g (a) 2 B \ B 0, atunci funcţia f g este derivabil¼a în a şi (f g) 0 (a) = g 0 (a) f 0 (g (a)). Demonstraţie. Se utilizeaz¼a de niţia derivatei şi inegalit¼aţi de tipul kx yk jj kxk + jj kyk pentru orice ; 2 R şi x; y 2 E. Propoziţia 5..4 (Formule de derivare) Fie A R o reuniune de intervale deschise, f : A! R o funcţie derivabil¼a pe A şi f 0 : A! R derivata lui f. În cele ce urmeaz¼a scriem (f (x)) 0 în loc de f 0 (x) (x 2 A). Avem. (c) 0 = 0, c constant¼a 2. (x) 0 = 3. (x n ) 0 = nx n, x 2 R (n 2 N, n 2, n xat) 4. (x n ) 0 = nx n, x 2 R (n 2 Z, n xat) 5. (x ) 0 = x a 0, x > 0 ( 2 R, xat). În particular, = x x, x 2 R iar ( p x) 0 = 2 p x, x > 0 sau mai general, ( pp x) 0 B C A = p x p = p pp x p ). 9

10 M¼ad¼alina Roxana Buneci 6. (a x ) 0 = a x ln (a), x 2 R (a > 0, a xat). În particular, (e x ) 0 = e x, x 2 R. 7. (log a (x)) 0 = (ln (x)) 0 = x, x > (sin (x)) 0 = cos (x), x 2 R, x > 0 (a > 0, a 6=, a xat). În particular, x ln (a) 9. (cos (x)) 0 = sin (x), x 2 R 0. (tg (x)) 0 = cos 2 (x) = + tg2 (x), x 2 Rn n(2k + ) o 2, k 2 Z. (ctg (x)) 0 = 2. (arcsin (x)) 0 = sin 2 (x) = ctg2 (x), x 2 Rn fk, k 2 Zg p, x 2 ( ; ) x 2 3. (arccos (x)) 0 = p, x 2 ( ; ) x 2 4. (arctg (x)) 0 = + x 2, x 2 R Exemple 5..5 S¼a se calculeze derivatele urm¼atoarelor funcţii:. Fie f : R! R, f (x) = cos (x 2 arctg (x)). R: Deoarece f (x) = g (u (x)) unde g (u) = cos (u) iar u (x) = x 2 arctg (x), pentru orice x 2 R avem f 0 (x) = g 0 (u (x)) u 0 (x) = sin x 2 arctg (x) x 2 arctg (x) 0 = sin x 2 arctg (x) x 2 0 arctg (x) x 2 (arctg (x)) 0 = sin x 2 arctg (x) x 2 2xarctg (x). + x 2 0

11 Analiz¼a Matematic¼a - curs 6 2. Fie I R o reuniune de intervale deschise şi e a; b : I! R, dou¼a funcţii derivabile pe I astfel încât a (x) > 0 pentru orice x 2 I. Atunci pentru orice x 2 I avem a (x) b(x) 0 = a (x) b(x) ln (a (x)) b 0 (x) + b (x) a (x) b(x) a 0 (x). R: Într-adev¼ar, pentru orice x 2 I avem: a (x) b(x) 0 = e ln(a(x)b(x) ) 0 = e b(x) ln(a(x)) 0 = e b(x) ln(a(x)) (b (x) ln (a (x))) 0 = e b(x) ln(a(x)) b 0 (x) ln (a (x)) + b (x) (ln (a (x))) 0 = e b(x) ln(a(x)) b 0 (x) ln (a (x)) + b (x) a0 (x) a (x) = e ln(a(x)b(x) ) b 0 (x) ln (a (x)) + b (x) a0 (x) a (x) = a (x) b(x) b 0 (x) ln (a (x)) + b (x) a0 (x) a (x) = a (x) b(x) ln (a (x)) b 0 (x) + b (x) a (x) b(x) a 0 (x). Propoziţia 5..6 Fie A R, f = (f ; f 2 ; :::; f n ) : A! R n o funcţie şi a 2 A \ A 0. Funcţia f este derivabil¼a în a dac¼a şi numai dac¼a toate componentele ei scalare f, f 2,..., f n sunt derivabile în a. În plus, f 0 (a) = (f 0 (a) ; f 0 2 (a) ; :::; f 0 n (a)). Demonstraţie. Deoarece pentru orice t 2 A, t 6= a, avem (f (t) f (a)) = t a t a (f (t) f (a)) ; = rezult¼a c¼a t a (f 2 (t) f 2 (a)) ; :::; t a (f n (t) f n (a)), lim (f (t) f (a)) = t a = lim t!a t a (f (t) f (a)) ; lim t!a t a (f 2 (t) f 2 (a)) ; :::; lim t!a t a (f n (t) f n (a)). t!a

12 M¼ad¼alina Roxana Buneci Exemplul 5..7 Fie f : R! R 3 funcţia de nit¼a prin f (t) = sin (t) ; t 3 + ; arctg (t) pentruorice t 2 R. Atunci f 0 (t) = cos (t) ; 3t 2 ; + t 2 pentru orice t 2 R. Teorema 5..8 (J. Dieudonné) Fie a; b 2 R astfel încât a < b, E un spaţiu normat real, f : [a; b]! E şi g : [a; b]! R dou¼a funcţii continue pe [a; b] şi derivabile la dreapta în orice punct x 2 (a; b). Dac¼a kf 0 d (x)k g0 d (x) pentru orice x 2 (a; b), atunci kf (b) f (a)k g (b) g (a). ([P. Flondor şi O. St¼an¼aşil¼a, Lecţii de analiz¼a matematic¼a/p. 98, Ediţia a II-a, Editura ALL, Bucureşti, 996]) Teorema 5..9 (Teorema creşterilor nite) Fie a; b 2 R astfel încât a < b, E un spaţiu normat real şi f : [a; b]! E o funcţie continu¼a pe [a; b] derivabil¼a pe (a; b). Atunci kf (b) f (a)k sup kf 0 (x)k (b a). x2(a;b) Demonstraţie. Dac¼a sup x2(a;b) kf 0 (x)k =, atunci rezultatul este evident. Dac¼a M = sup x2(a;b) kf 0 (x)k <, atunci lu¼am g : [a; b]! R, de nit¼a prin g (x) = Mx pentru orice x 2 R. Deoarece kf 0 (x)k g 0 (x) pentru orice x 2 (a; b), conform teoremei anterioare, avem kf (b) f (a)k g (b) g (a) = sup kf 0 (x)k (b a). x2(a;b) De niţia 5..0 (Derivate de ordin superior) Fie A R, a 2 A\A 0, V o vecin¼atate a lui a, E un spaţiu normat real şi f : A! E o funcţie derivabil¼a pe V \ A. Se spune c¼a f este de dou¼a ori derivabil¼a în a dac¼a (fj V \A ) 0 este derivabil¼a în a. În acest caz se noteaz¼a (fj V \A ) 0 0 (a) = f 00 (a) şi se numeşte derivata de ordinul 2 a lui f în a. Dac¼a A 2;f = fa 2 A \ A 0 : f : A! E este de dou¼a ori derivabil¼a în ag, 2

13 Analiz¼a Matematic¼a - curs 6 se noteaz¼a cu f 00 sau f (2) funcţia f 00 : A 2;f! E care asociaz¼a ec¼arui element a 2 A 2;f derivata de ordinul 2 funcţiei f în a, adic¼a funcţia a 7! f 00 (a) [: A 2;f! E]. Funcţia f 00 este numit¼a derivata de ordinul 2 a funcţiei f. Mai general, prin recursivitate se de neşte derivata de ordinul n a funcţiei f, notat¼a f (n), ca ind derivata derivatei de ordinul n a lui f: f (n) = f (n ) 0, n 2. Se noteaz¼a f (0) = f: Exemple 5.. Fie n 2 N şi f : D f! R o funcţie de n ori derivabil¼a pe D f.. Dac¼a a 2 (0; ) n fag şi f (x) = a x pentru orice x 2 R, atunci f (n) (x) = ln n (a) a x pentru orice x 2 R. În particular, dac¼a f (x) = e x pentru orice x 2 R, atunci f (n) (x) = e x pentru orice x 2 R. 2. Dac¼a f (x) = sin (x) pentru orice x 2 R, atunci f (n) (x) = sin x + n 2 pentru orice x 2 R. 3. Dac¼a f (x) = cos (x) pentru orice x 2 R, atunci f (n) (x) = cos x + n 2 pentru orice x 2 R. 4. Dac¼a f (x) = (ax + b) k pentru orice x 2 R (unde k 2 N), atunci k (k ) ::: (k n + ) a f (n) (x) = n (ax + b) k n, dac¼a n k 0, dac¼a n > k. pentru orice x 2 R. 5. Dac¼a f (x) = (ax + b) k b pentru orice x 2 ; (unde a 6= 0 a şi k =2 N), atunci f (n) (x) = k (k ) ::: (k n + ) a n (ax + b) k n b pentru orice x 2 ;. a 6. Dac¼a f (x) = pentru orice x 2 R n b (unde k 2 N ), (ax+b) k a atunci f (n) n k(k+):::(k+n ) (x) = ( a) În particular, dac¼a f (x) = x a a. pentru orice x 2 R n b (ax+b) k+n pentru orice x 2 R n fag, atunci f (n) (x) = ( ) n n! (x a) n+ pentru orice x 2 R n fag. 3

14 M¼ad¼alina Roxana Buneci b 7. Dac¼a f (x) = ln (ax + b) pentru orice x 2 ; (unde a 6= 0), a atunci f (n) (x) = ( a) n (n )! a pentru orice x 2 b ; şi n. (ax+b) n a Pentru veri carea a rmaţiilor de mai sus se raţioneaz¼a prin inducţie dup¼a n. De niţia 5..2 Fie A R, E un spaţiu normat real şi f : A! E o funcţie. Presupunem c¼a f este de n-ori derivabil¼a în a 2 A. Se numeşte polinomul Taylor de ordinul n asociat funcţiei f în a polinomul notat T n (f; a) şi de nit prin T n (f; a) (X) = f (a)+ (X a) f 0 (a)+! (X a)2 f (2) (a)+:::+ (X 2! a)n f (n) (a). n! Teorema 5..3 (Formula Taylor) Fie A R o mulţime dechis¼a, E un spaţiu normat real şi f : A! E o funcţie. Presupunem c¼a f este de n-ori derivabil¼a în a 2 A. Atunci exist¼a o funcţie R n (f; a) : A! E, numit¼a restul de ordinul n, astfel încât pentru orice x 2 A f (x) = T n (f; a) (x) + R n (f; a) (x), şi lim x!a (x a) n R n (f; a) (x) = 0. Demonstraţie. Pentru orice x 2 A, de nim Demonstr¼am prin inducţie dup¼a n c¼a R n (f; a) (x) = f (x) T n (f; a) (x). P (n) : lim x!a (x a) n (f (x) T n (f; a) (x)) = 0 pentru orice funcţie f de n ori derivabil¼a în a. este adev¼arat¼a pentru orice n. Pasul de veri care: P () : lim x!a (x a) (f (x) T (f; a) (x)) = 0 pentru orice funcţie f derivabil¼a în a. 4

15 Analiz¼a Matematic¼a - curs 6 Deoarece pentru orice funcţie f derivabil¼a în a, avem lim x!a (x a) (f (x) f (a)) = f 0 (a), rezult¼a c¼a lim x!a (x a) (f (x) T (f; a) (x)) = = lim f (x) x!a (x a) f (a) + = lim x!a (x a) (f (x) f (a)) f 0 (a) = f 0 (a) f 0 (a) = 0. (x a) f 0 (a)! Demonstr¼am P (n) ) P (n + ). Fie " > 0 şi f o funcţie de n + ori derivabil¼a în a. Atunci f 0 este de n-ori derivabil¼a în a şi ca urmare din ipoteza de inducţie P (n) rezult¼a lim x!a (x a) n (f 0 (x) T n (f 0 ; a) (x)) = 0. Ca urmare exist¼a " > 0 astfel încât pentru orice x 2 (a e ; a + " ) A avem kf 0 (x) T n (f 0 ; a) (x)k < " jx aj n. (5.) Pe de alt¼a parte, pentru orice x 2 (a nite, avem e ; a + " ), conform teoremei creşterilor kf (x) T n+ (f; a) (x) (f (a) T n+ (f; a) (a))k M jx aj, unde M = sup z2ix f 0 (z) I x = [x; a] dac¼a x < a. Cum T n (f; a) (a) = a T 0 n+ (f; a) (z), iar I x = [a; x] dac¼a a x sau kf (x) T n+ (f; a) (x)k sup z2i y f 0 (z) T 0 n+ (f; a) (z) jx aj 5

16 M¼ad¼alina Roxana Buneci şi deoarece T 0 n+ (f; a) (z) = T n (f 0 ; a) (z) avem kf (x) T n+ (f; a) (y)k jx aj n+ < (5:) = ". jx aj n sup kf 0 (z) z2i y jx aj n " jx aj n T n (f 0 ; a) (z)k Ca urmare lim x!a şi deci P (n + ) este adev¼arat¼a. (x a) n+ (f (x) T n+ (f; a) (x)) = Teoremele Fermat, Rolle, Lagrange, Cauchy şi aplicaţii De niţia 5.2. Fie f : A! B R o funcţie şi a 2 A. Punctul a se numeşte punct de minim (global) pentru f def, f (a) f (x) pentru orice x 2 A; punct de maxim (global) pentru f def, f (a) f (x) pentru orice x 2 A; punct de extrem (global) pentru f def, a este punct de minim (global) sau de maxim (global). Dac¼a în plus, A este o submulţime a unui spaţiu topologic, punctul a se numeşte punct de minim local pentru f def, exist¼a o vecin¼atate V a lui a astfel încât f (a) f (x) pentru orice x 2 A \ V ; punct de maxim local pentru f def, exist¼a o vecin¼atate V a lui a astfel încât f (a) f (x) pentru orice x 2 A \ V ; 6

17 Analiz¼a Matematic¼a - curs 6 punct de extrem local pentru f def, a este punct de minim local sau de maxim local. Teorema (Teorema lui Fermat) Fie I un interval deschis de numere reale, a 2 I şi f : I! R o funcţie derivabil¼a în a. Dac¼a a este punct de extrem local pentru f, atunci f 0 (a) = 0. Demonstraţie. Ţinând cont c¼a a este punct de maxim local pentru f dac¼a şi numai dac¼a a este punct de minim local pentru f, f¼ar¼a a reduce generalitatea, putem presupune c¼a a este punct de minim pentru f. Ca urmare exist¼a o vecin¼atate V a lui a pe care o putem presupune inclus¼a în I astfel încât f (a) f (x) pentru orice x 2 V. De aici rezult¼a c¼a şi Aşadar şi f (x) x f (x) x În consecinţ¼a, f 0 (a) = 0. f (a) 0 pentru orice x a a f (a) 0 pentru orice x a. a f 0 (a) = f 0 s (a) = lim x!a x<a f 0 (a) = f 0 d (a) = lim x!a x>a f (x) x f (x) x f (a) 0 a f (a) 0. a De niţia Fie a; b 2 R astfel încât a < b:o funcţie f : [a; b]! R se numeşte funcţie Rolle def,. f este continu¼a pe [a; b] 2. f este derivabil¼a pe (a; b). Teorema (Teorema lui Rolle) Fie f : [a; b]! R o funcţie Rolle cu proprietatea c¼a f (a) = f (b). Atunci exist¼a c 2 (a; b) astfel încât f 0 (c) = 0. 7

18 M¼ad¼alina Roxana Buneci Demonstraţie. Dac¼a f este o funcţie constant¼a, atunci concluzia este evident¼a. Presupunem în continuare c¼a f nu este constant¼a. Deoarece f este o funcţie continu¼a pe intervalul compact [a; b], f îşi atinge extremele (conform teoremei Teorema (Weierstrass)), adic¼a exist¼a x min ; x max 2 X astfel încât f(x min ) f(x) f(x max ) pentru orice x 2 [a; b]. Cum f (a) = f (b) şi f nu este constant¼a, cel puţin unul dintre punctele x min sau x max este în interiorul intervalului [a; b]. Dac¼a not¼am cu c acest punct, atunci conform teoremei lui Fermat f 0 (c) = 0. Teorema (Teorema lui Lagrange) Fie f : [a; b]! R o funcţie Rolle. Atunci exist¼a c 2 (a; b) astfel încât f (b) f (a) = (b a) f 0 (c). Demonstraţie. Fie funcţia ' : [a; b]! R de nit¼a prin ' (x) = (f (b) f (a)) x (b a) f (x) pentru orice x 2 [a; b]. Atunci ' este o funcţie Rolle şi ' (a) = ' (b). Conform teoremei lui Rolle exist¼a c 2 (a; b) astfel încât ' 0 (c) = 0 sau echivalent f (b) f (a) (b a) f 0 (c) = 0. Teorema (Teorema lui Cauchy) Fie f,g : [a; b]! R dou¼a funcţii Rolle. Atunci exist¼a c 2 (a; b) astfel încât f (b) f (a) g 0 (c) = (g (b) g (a)) f 0 (c). Demonstraţie. Fie funcţia ' : [a; b]! R de nit¼a prin ' (x) = (f (b) f (a)) g (x) (g (b) g (a)) f (x) pentru orice x 2 [a; b]. Atunci ' este o funcţie Rolle şi ' (a) = ' (b). Conform teoremei lui Rolle exist¼a c 2 (a; b) astfel încât ' 0 (c) = 0 sau echivalent (f (b) f (a)) g 0 (c) (g (b) g (a)) f (c) = 0. 8

19 Analiz¼a Matematic¼a - curs 6 Dac¼a în plus, g 0 (x) 6= 0 pentru orice x 2 (a; b), rezultatul din teorema precedent¼a poate reformulat în felul urm¼ator: exist¼a c 2 (a; b) astfel încât f (b) g (b) f (a) g (a) = f 0 (c) g 0 (c). Teorema (Formula lui Taylor cu restul Lagrange) Fie I R un interval deschis, a 2 I şi f : A! R o funcţie de n + -ori derivabil¼a pe A. Atunci pentru orice x 2 I exist¼a t x 2 (0; ) astfel încât a)n+ f (x) = T n (f; a) (x) + (x (n + )! f (n+) (a + t x (x a)), unde T n (f; a) este polinomul Taylor de ordinul n asociat funcţiei f în a: T n (f; a) (x) = f (a)+ (x a) f 0 (a)+! (x a)2 f (2) (a)+:::+ (x 2! a)n f (n) (a). n! Demonstraţie. Dac¼a x = a rezultatul este evident. Presupunem x 6= a, [a; x] dac¼a a < x not¼am I x = [x; a] dac¼a x < a şi consider¼am funcţia ' : I x! R de nit¼a prin ' (y) = f (x) T n (f; y) (x) np (x y) k = f (x) f (y) f (k) (y), y 2 I x k! k= 9

20 Pentru orice y 2 I x avem ' 0 (y) = f 0 (y) np k= M¼ad¼alina Roxana Buneci k (x y) k f (k) (y) + (x k!! y)k f (k+) (y) k! P = f 0 (y) + n (x y) k np f (k) (x y) k (y) f (k+) (y) k= (k )! k= k! = f 0 (y) + n P (x y) j np f (j+) (x y) k (y) f (k+) (y) j=0 j! k= k! = f 0 (y) + f 0 (y) + n P (x y) j np f (j+) (x y) k (y) f (k+) (y) j! k! j= = n P (x y) j f (j+) (y) j= j! (x y) n = f (n+) (y) : n! De nim funcţia : I x! R prin np k= (x y)n+ (y) = ' (y) (n + )! k= (x y) k f (k+) (y) k! pentru orice y 2 I x, (5.2) (x y) n f (n+) (y) n! unde este o constant¼a real¼a pe care o determin¼am punând condiţia (a) = (x), care conduce la (x a)n+ ' (a) (n + )! = 0, sau echivalent = (n+)!'(a) (x a) n+. Funcţia este o funcţie Rolle şi (a) = (b). Conform teoremei lui Rolle exist¼a c 2 I x astfel încât 0 (c) = 0 sau echivalent ' 0 (n + ) (x (c) + c)n = 0. (n + )! Ţinând cont de (5.2) obţinem (x c) n f (n+) (c) + (x n! 20 c)n n! = 0

21 Analiz¼a Matematic¼a - curs 6 de unde deducem = f (n+) (c) şi cum = (n+)!'(a) (x a) n+ rezult¼a (n + )!' (a) (x a) n+ = f (n+) (c) sau echivalent ' (a) = (x a)n+ f (n+) (c) : (n + )! f (x) T n (f; a) (x) = (x a)n+ f (n+) (c). (n + )! Faptul c¼a c este în interiorul intervalului I x este echivalent cu existenţa unui t x 2 (0; ) astfel încât c = a + t x (x a) (lu¼am t x = c a x a ). Observaţia Dac¼a P m este un polinom de grad m şi T n (P m ; a) este polinomul Taylor de ordinul n asociat funcţiei polinomiale x 7! P m (x) în a, atunci T n (P m ; a) (x) = P m (x) pentru orice n m. Într-adev¼ar, conform formulei Taylor cu restul lui Lagrange avem: a)n+ P m (x) = T n (P m ; a) (x) + (x (n + )! P (n+) m (a + t x (x a)), şi ţinând cont c¼a P k m (y) = 0 pentru orice k > m şi orice y 2 R, obţinem P m (x) = T n (P m ; a) (x) pentru orice n m. Exemplul Calcul¼am sin (62 ) cu patru cifre zecimale exacte. Aplic¼am formula Taylor cu restul lui Lagrange: a)n+ f (x) = T n (f; a) (x) + (x (n + )! f (n+) (a + t x (x a)) în punctul a = 60 =, pentru x = 3 62 = 3 şi funcţia f : R! R, de nit¼a 90 prin f (x) = sin (x) pentru orice x 2 R. Deoarece f (n+) (y) = sin y + n 2 pentru orice y 2 R, avem (x a) n+ f (n+) (a + t x (x a)) (n + )! (x a) n+ (n + )!. 2

22 M¼ad¼alina Roxana Buneci Not¼am h = x a şi punem condiţia h n+ (n + )! < 0. 4 Pentru n = 0 se obţine h = h2 = 0:0349:::, n = se obţine = 2 = h 0:0006:::, iar pentru n = 2, 3 = 3 = 0 5 0:7:::. Deci pentru 3! n = 2 restul din formula Taylor este în modul mai mic decât 0 4. Ca urmare polinomul Taylor T 2 f; aproximeaz¼a sin 3 90 cu patru cifre zecimale exacte. Avem T 2 f; 3 = f + h ! f 0 + h2 3 2! f (2) 3 h 2 = sin + h cos sin p p = = 2 + p p Aproximând p 3 = :732:::şi = 3:4, se obţine T 2 f; = 0:8829:::, şi deci 0:8829 este o aproximaţie a lui sin (62 ) cu patru cifre zecimale exacte. Teorema (Formula lui Mac Laurin) Fie I R un interval deschis cu proprietatea c¼a 0 2 I şi f : I! R o funcţie de n + -ori derivabil¼a pe I. Atunci pentru orice x 2 I exist¼a t x 2 (0; ) astfel încât f (x) = f (0) + x! f 0 (0) + x2 2! f (2) (0) + ::: + xn n! f (n) (0) + xn+ (n + )! f (n+) (t x x). Demonstraţie. Se aplic¼a formula Taylor cu restul Lagrange în punctul a = 0 (teorema 5.2.7). Exemple 5.2. Aplicând formula Mac Laurin funcţiilor f (cu f(x) = e x, f(x) = sin (x), f(x) = cos (x), f(x) = ln ( + x), respectiv, f(x) = ( + x) ) se obţin formulele: 22

23 Analiz¼a Matematic¼a - curs 6. Pentru orice x 2 R exist¼a t x 2 (0; ) astfel încât e x = + x! + x2 2! + ::: + xn n! + xn+ (n + )! etxx. 2. Pentru orice x 2 R exist¼a t x 2 (0; ) astfel încât sin (x) = x x3 3! +x5 5! +:::+( x 2n+ t )n (2n + )! + x2n+2 (2n + 2)! sin x x + (2n + 2) Pentru orice x 2 R exist¼a t x 2 (0; ) astfel încât cos (x) = x2 2! +x4 4! +:::+( x 2n )n (2n)! + x2n+ (2n + )! cos t x x + (2n + ) 2 4. Pentru orice x 2 ( ; ) exist¼a t x 2 (0; ) astfel încât. ln ( + x) = + x x ::: + ( )n x n n + ( x n+ )n n + (t x x + ) n+. 5. Pentru orice x 2 ( ; ) exist¼a t x 2 (0; ) astfel încât ( + x) = + (a ) x + x 2 ( ) ::: ( n + ) +:::+ x n +! 2! n! ( ) ::: ( n + ) ( n) x n+ ( + t x x) n. (n + )! Teorema (Teorema lui L Hospital) Fie a; b 2 R, a < b, I un interval astfel încât (a; b) I [a; b], x 0 2 [a; b] şi f; g : I n fx 0 g dou¼a funcţii cu propriet¼aţile. lim x!x0 f (x) = lim x!x0 g (x) = 0 (respectiv, lim x!x0 jg (x)j = ) 2. f şi g sunt derivabile şi g 0 (x) 6= 0 pentru orice x 2 I n fx 0 g. f 3. lim 0 (x) x!x0 g 0 (x) exist¼a (în R). 23

24 M¼ad¼alina Roxana Buneci Atunci g (x) 6= 0 pentru orice x 2 I n fx 0 g (respectiv, exist¼a o vecin¼atate V a lui x 0 astfel încât g (x) 6= 0 pentru orice x 2 V \ I n fx 0 g) şi limita exist¼a şi este egal¼a cu lim. ([Gh. Sireţchi, Calcul diferenţial f(x) lim x!x g(x) 0 f 0 (x) x!x g 0 (x) 0 şi integral, Vol. /p. 27, Editura Ştiinţi c¼a şi Enciclopedic¼a, Bucureşti, 985]) ln(x) x Exemplul S¼a se calculeze lim 2 + = 0 x! sin((x )) 0. R: Avem (ln (x) x 2 + ) 0 lim x! (sin ( (x ))) 0 = lim x! Ca urmare lim x! ln(x) x 2 + sin((x )) =. 2x x cos ( (x )) 0 =. 24

25 Index derivat¼a de ordin superior, 3 derivata într-un punct, 7 derivata la dreapta, 8 derivata la stânga, 8 distanţ¼a distanţ¼a euclidian¼a, 4 formula Mac Laurin, 22 formula Taylor, 4 cu restul Lagrange, 9 funcţie derivabil¼a, 7 derivata, 7 derivata de ordin superior, 3 funcţie Rolle, 7 teorema creşterilor nite, 2 teorema lui Cauchy, 8 teorema lui Fermat, 7 teorema lui Lagrange, 8 teorema lui Rolle, 7 topologie topologia uzual¼a pe R n, 4 norm¼a euclidian¼a, 3 polinom Taylor, 4 produs scalar produs scalar canonic pe R n, 4 punct de extrem, 6 punct de extrem local, 7 punct de maxim, 6 punct de maxim local, 6 punct de minim, 6 punct de minim local, 6 restul în formula Taylor, 4 25