MS-A0104 - Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2, ENG2), Luento-opetus, 23.10.2023-7.12.2023
Kurssiasetusten perusteella kurssi on päättynyt 07.12.2023 Etsi kursseja: MS-A0104
VERKKOKIRJA
Differentiaali- ja integraalilaskenta - verkkokirja, tekijä Pekka Alestalo
Englanninkielisen MOOC-kurssin luentomateriaali, joka perustuu tämän kurssin luentoihin. Mukana on interaktiivisia JSXGraph-kuvia, joita ei ole suomenkielisissä luentokalvoissa. Toistaiseksi vain luvut 1-5, 7 ja 9 ovat suomeksi.
1. Jonot
Sisältö
- Peruskäsitteet
- Tärkeitä jonoja
- Suppeneminen ja raja-arvo
Jonot
Tämä luku sisältää tärkeimmät jonoihin liittyvät käsitteet. Käsittelemme käytännössä vain reaalilukujonohin liittyviä asioita.
Huom. Koska on järjestetty joukko, niin myös jonon termeillä on vastaava järjestys. Sen sijaan joukon alkioilla ei yleisessä tapauksessa
ole määrättyä järjestystä.
Määritelmä: Jonon termit ja indeksit
Jonoille voidaan käyttää myös merkintöjä
Funktion perusteella jokaiseen jonon termiin liittyy yksikäsitteinen lukua to each term. Se merkitään alaindeksinä ja sitä kutsutaan vastaavan jonon termin indeksiksi; jokainen jonon termi voidaan siis tunnistaa sen indeksin avulla.
Esimerkkejä
Esimerkki 1: Luonnollisten lukujen jono
Jono , joka on määritelty kaavalla on nimeltään luonnollisten lukujen jono. Sen ensimmäiset termit ovat:
Esimerkki 2: Kolmiolukujen jono
Kolmioluvut saavat nimensä seuraavasta geometrisesta periaatteesta: Asetetaan sopiva määrä kolikoita niin, että syntyy yhä suurempia tasasivuisia kolmioita:
Ensimmäisen kolikon alle lisätään kaksi kolikkoa, jolloin toisessa vaiheessa saadaan kolikkoa. Seuraavaksi tämän kolmion alle lisätään kolme uutta kolikkoa, joita on nyt yhteensä .
Etenemällä samaan tapaan huomataan, että esimerkiksi 10. kolmioluku saadaan laskemalla yhteen 10 ensimmäistä luonnollista lukua:
Yleinen kaava kolmiolukujonon termeille on . Kolmioluvuille käytetään yleensä merkintää (T = 'Triangle').
Tämä motivoi seuraavaan määritelmään:
Määritelmä: Summajono
Olkoon jono joukossa , jossa on määritelty yhteenlasku. Merkitään Symboli on kreikkalainen kirjain sigma. Summausindeksi kasvaa alkuarvosta 1 loppuarvoon .
Summajono saadaan siis alkuperäisestä jonosta laskemalla alkupään termejä yhteen aina yksi termi eteenpäin. Varsinkin sarjojen kohdalla käytetään nimeä osasummajono.
Kolmiolukujen yleinen kaava voidaan siis kirjoittaa muodossa
ja kyseessä on luonnollisten lukujen jonon summajono.
Esimerkki 3: Neliölukujen jono
Neliölukujen jono määritellään kaavalla . Tämän jonon termejä voidaan havainnollistaa asettelemalla kolikoita neliön muotoon.
Yksi mielenkiintoinen havainto on se, että kahden peräkkäisen kolmioluvun summa on aina neliöluku. Esimerkiksi ja . Yleisesti määritelmiä käyttämällä
voidaan osoittaa, että
Esimerkki 4: Kuutiolukujen jono
Määritelmä: Erotusjono (differenssijono)
Jonon termeistä voidaan myös muodostaa peräkkäisten termien erotuksia: on nimeltään alkuperäisen jonon ensimmäinen differenssijono.
Ensimmäisen differenssijonon ensimmäinen differenssijono on alkuperäisen jonon toinen differenssijono. sequence. Vastaavalla tavalla määritellään jonon differenssijono.
Esimerkki 6.
Eräitä tärkeitä jonoja
Eräät jonot ovat keskeisiä monille matemaattisille malleille ja niiden käytännön sovelluksille muilla aloilla kuten luonnontieteissä ja taloustieteissä.) Seuraavassa tarkastellaan kolme tällaista jonoa: aritmeettinen jono, geometrinen jono ja Fibonaccin lukujono.
Aritmeettinen jono
Aritmeettinen jono voidaan määritellä monella eri tavalla:Määritelmä A: Aritmeettinen jono
Jono on aritmeettinen, jos sen peräkkäisten termien erotus on vakio, t.s.
Huomautus: Aritmeettisen jonon eksplisiittinen kaava seuraa suoraan määritelmästä A: Aritmeettisen jonon termi voidaan laskea myös palautuskaavan (eli rekursiokaavan) avulla:
Määritelmä B: Aritmeettinen jono
Jono on aritmeettinen jono, jos sen ensimmäinen differenssijono on vakiojono.
Tämä määritelmä selventää myös aritmeettisen jonon nimen: Kolmen peräkkäisen termin keskimmäinen luku on kahden muun termin aritmeettinen keskiarvo; esimerkiksi
Geometrinen jono
Myös geometrisella jonolla on useita erilaisia määritelmiä:
Määritelmä: Geometrinen jono
Jono on geometrinen, jos kahden präkkäisen termin suhde on aina vakio , t.s.
Huomautus. Palautuskaava geometrisen jonon termeille ja myös eksplisiittinen lauseke seuraavat suoraan määritelmästä.
Myös tässä jonon nimityksellä on looginen tausta: Kolmen peräkkäisen termin keskimmäinen luku on aina kahden muun termin geometrinen keskiarvo; esimerkiksi
Esimerkki 2.
Olkoon ja . Jono , jolle , eli on geometrinen jono. Jos ja , niin jono on aidosti kasvava. Jos ja , niin se on aidosti vähenevä. Jonon alkioiden muodostama joukko on äärellinen, jos (jolloin sen ainoa alkio on ), muuten tämä joukko on ääretön.
Fibonaccin jono
Fibonaccin lukujono on kuuluisa sen biologisten sovellusten vuoksi. Se esiintyy mm.eliöiden populaation kasvun yhteydessä ja kasvien rakenteessa. Palautuskaavaan perustuva määritelmä on seuraava:
Määritelmä: Fibonaccin jono
Olkoon ja kun . Jono on Fibonaccin lukujono. Jonon termit ovat Fibonaccin lukuja.
Jonon nimen takana on italialainen Leonardo Pisano (1200-luvulla), latinalaiselta nimeltään Filius Bonacci. Hän tutki kaniparien lisääntymistä idealisoidussa tilanteessa, jossa kanit eivät kuole ja kaikki vanhat sekä uudet parit lisääntyvät säännöllisin väliajoin. Näin hän päätyi jonoon
Esimerkki 3.
Auringonkukan kukat muodostuvat kahdesta spiraalista, jotka aukeavat keskeltä vastakkaisiin suuntiin: 55 spiraalia myötäpäivään ja 34 vastapäivään.
Myös ananashedelmän pinta käyttäytyy samalla tavalla. Siinä on 21 spiraalia yhteen suuntaan ja 34 vastakkaiseen. Myös joissakin kaktuksissa ja havupuiden kävyissä on samanlaisia rakenteita.
Suppeneminen, hajaantuminen ja raja-arvo
Tässä luvussa käsitellään jonon suppenemista. Aloitamme nollajonon käsitteestä ja siirrymme sen avulla yleiseen suppenemisen käsitteeseen.
Huomautus: Itseisarvo joukossa
Itseisarvofunktio on keskeisessä asemassa jonojen suppenemisen tutkimisessa. Seuraavassa käydään läpi sen tärkeimmät ominaisuudet:
Lause: Itseisarvon laskusääntöjä
Kohdat 1.-3. Results follow directly from the definition and by dividing it up into separate cases of the different signs of and
Kohta 4. Tämä kohta voidaan todistaa neliöön korottamalla tai tutkimalla kaikki eri vaihtoehdot kuten alla.
Tapaus 1.
Olkoot . Silloin ja kaava pätee.
Tapaus 2. Tapaus 3.Tutkitaan lopuksi tapaus and , joka jakaantuu kahteen alakohtaan:
Tapaus 4.Jos ja , niin väite seuraa samalla periaatteella kuin tapauksessa 3, kun vaihdetaan keskenään ja .
Nollajono
Esimerkki 1.
Jono , joka on määritelty kaavalla , eli on nimeltään harmoninen jono. Jonon termit ovat positiivisia kaikilla , mutta indeksin kasvaessa jonon termit pienenevät yhä lähemmäksi
nollaa.
Jos esimerkiksi , niin valinnalla pätee aina, kun .
Esimerkki 2.
Tarkastellaan jonoa Olkoon . Tällöin valinnalla kaikille termeille , joissa , pätee .
Note. Tutkittaessa nollajono-ominaisuutta täytyy tutkia mielivaltaista lukua , jolle . Sen jälkeen yritetään valita sellainen indeksi , josta alkaen jokainen on pienempi kuin .
Esimerkki 3.
Kerrointen vuoksi jonon kaksi peräkkäistä termiä ovat aina erimerkkisiä; tällaista jonoa kutsutaan yleisemmin vuorottelevaksi jonoksi.
Osoitetaan, että kyseessä on nollajono. Määritelmän mukaan jokaista täytyy vastata sellainen , että epäyhtälö pätee kaikille niille termeille , joissa .
Lause: Nollajonojen ominaisuuksia
Parts 1 and 2. If is a zero sequence, then according to the definition there is an index , such that for every and an arbitrary . But then we have ; this proves parts 1 and 2 are correct.
Part 3. If , then the result is trivial. Let and choose such that for all . Rearranging we get:
Part 4.
Because is a zero sequence, by the definition we have for all . Analogously, for the zero sequence there is a with for all .
Then for all it follows (using the triangle inequality) that:
Suppeneminen ja hajaantuminen
Nollajonoja voidaan käyttää tutkimaan jonojen suppenemista yleisemmin:
Esimerkki 4.
Tarkastellaan jonoa , jossa Laskemalla jonon termejä suurilla , huomataan, että ilmeisesti , kun , joten jonon raja-arvo voisi olla .
For a rigorous proof, we show that for every there exists an index , such that for every term with the following relationship holds:
Firstly we estimate the inequality:
Now, let be an arbitrary constant. We then choose the index , such that Finally from the above inequality we have: Thus we have proven the claim and so by definition is the limit of the sequence.
Jos jono suppenee, niin sillä voi olla vain yksi raja-arvo.
Lause: Raja-arvon yksikäsitteisyys
Oletetaan, että jono suppenee kohti raja-arvoa ja kohti raja-arvoa .
Silloin .
Assume ; choose with Then in particular
Because converges to , there is, according to the definition of convergence, a index with for Furthermore, because converges to there is also a with for For
we have:
Consequently we have obtained , which is a contradiction as .
Therefore the assumption must be wrong, so .
Suppenevien jonojen ominaisuuksia
Lause: Laskusääntöjä
Olkoot ja suppenevia jonoja, joille ja . Silloin kaikille pätee:
Sanallisesti: Suppenevien jonojen summat ja tulot ovat suppenevia jonoja.
Part 1. Let . We must show, that for all it follows that: The left hand side we estimate using:
Because and converge, for each given it holds true that:
Therefore for all numbers . Therefore the sequence is a zero sequence and the desired inequality is shown.
Part 2. Let . We have to show, that for all Furthermore an estimation of the left hand side follows: We choose a number , such that for all and . Such a value of exists by the Theorem of convergent sequences being bounded. We can then use the estimation: For all we have and , and - putting everything together - the desired inequality it shown.