Gazdasági számítások matematikai alapjai

Átírás

1 Eszterházy Károly Főiskola Matematikai és Informatikai Intézet Tómács Tibor Gazdasági számítások matematikai alapjai Eger, 20. november 28.

2 Tartalomjegyzék. Elemi matematika 3.. Számírás Halmazok Függvények Matematikai analízis Számsorozatok Sorok Függvények határértéke és folytonossága Differenciálszámítás Függvényvizsgálat Integrálszámítás Valószínűségszámítás Véletlen események Valószínűség Feltételes valószínűség Események függetlensége Eloszlás Eloszlásfüggvény Sűrűségfüggvény Várható érték Szórásnégyzet Nevezetes eloszlások A nagy számok törvénye Moivre Laplace-tétel Lineáris algebra Mátrixok Műveletek mátrixokkal Determináns Inverz mátrix kiszámítása determinánsok segítségével Standard normális eloszlás táblázata 7 2

3 . fejezet Elemi matematika Ebben a fejezetben átismételjük a középiskolában tanult matematika azon részeit, amelyek szükségesek a további fejezetek megértéséhez és az ott található feladatok megoldásához. Mindenekelőtt azonban foglaljuk össze a számírással kapcsolatos tudnivalókat, mert a tapasztalat szerint ebben a kérdésben sok hallgatónak vannak hiányosságai... Számírás Tízezer alatt a számjegyeket egybe kell írni, de tízezertől ezres csoportosítás kell, csoportosító jel a szóköz. Pl. 8997, 9999, 0 000, Ha egy táblázat valamely oszlopában szerepel tízezer vagy annál nagyobb szám és tízezer alatti szám is, akkor annak érdekében, hogy a számjegyek egymás alá kerüljenek, tízezer alatt is kell az ezres csoportosítás. Pl. helyes: helytelen: A számok szöveges kiírásánál 2000 után ezres csoportosítás kell, csoportosítójel a kötőjel. Pl. ezernyolcszázkilencvenkilenc, kettőezer-ötszáznegyvennyolc, egymilliókettőszázhuszonháromezer-ötszázhatvanhat. Tizedes törtekben tizedes vesszőt írunk (és nem pontot), mely előtt és után nincs szóköz. Pl. 3,723. Végtelen szakaszos tizedes törtekben az ismétlődő szakaszt föléhúzzuk, kivéve, ha a szakasz egyetlen szám. Ekkor pontot teszünk az ismétlődő szám fölé. Pl. 2,23 illetve 4, 7. Tizedes törtek kiolvasása: pl. 23,2 huszonhárom egész tizenkét század, vagy 0,234 nulla egész ezerkettőszázharmincnégy tízezred. 3

4 .2. Halmazok Az elem, halmaz és az elem eleme a halmaznak fogalmakat nem definiáljuk. Ezek úgynevezett alapfogalmak. Az x elem eleme a H halmaznak jelölése: x H. Az x elem nem eleme a H halmaznak jelölése: x H. Az üreshalmaz olyan halmaz, melynek nincs egyetlen eleme sem. Jele:. Az A halmaz részhalmaza a B halmaznak ha minden A-beli elem eleme B-nek is. Jele: A B. Az minden halmaznak részhalmaza. Halmaz megadásánál a halmaz elemeit { } jelek között soroljuk fel. Pl. {, 2, 3}. Egy halmaz az elem tulajdonságaival is megadható. Pl. {x R : 3 < x < 5} azon valós számokból álló halmazt jelöli, melyek 3-nál nagyobbak de 5-nél kisebbek. Halmazműveletek Az A és B halmazok uniója azon elemek halmaza, melyek A-nak vagy B-nek elemei. Jele: A B. Az A és B halmazok metszete azon elemek halmaza, melyek A-nak és B-nek is elemei. Jele: A B. Az A és B halmazok különbsége azon elemek halmaza, melyek A-nak elemei, de B-nek nem. Jele: A \ B. Legyen A H. Az A-nak H-ra vonatkozó komplementere azon elemek halmaza, melyek H-nak elemei, de A-nak nem. Jele: A. Számhalmazok N = {, 2, 3,... } természetes számok halmaza Z = {..., 3, 2,, 0,, 2, 3,... } egész számok halmaza Q = { m n : m, n Z, n 0} racionális számok halmaza R valós számok halmaza Korlátos számhalmazok H R felülről korlátos, ha van olyan K szám, melynél nincs nagyobb H-beli szám. Ekkor K-t a H felső korlátjának nevezzük. A H felső korlátai közül a legkisebbet a H pontos felső korlátjának nevezzük. H R alulról korlátos, ha van olyan k szám, melynél nincs kisebb H-beli szám. Ekkor k-t a H alsó korlátjának nevezzük. A H alsó korlátai közül a legnagyobbat a H pontos alsó korlátjának nevezzük. 4

5 H R korlátos, ha alulról is és felülről is korlátos. Intervallumok Legyen a, b R és a < b. Bevezetjük a következő jelöléseket: (a, b) := {x R : a < x < b} (korlátos nyílt intervallum) (a, ) := {x R : a < x} (felülről nem korlátos nyílt intervallum) (, a) := {x R : x < a} (alulról nem korlátos nyílt intervallum) [a, b] := {x R : a x b} (zárt intervallum) [a, b) := {x R : a x < b} (félig zárt félig nyílt intervallum) (a, b] := {x R : a < x b} (félig nyílt félig zárt intervallum).3. Függvények Függvényeknek az egyértelmű hozzárendeléseket nevezzük. Egy függvény kölcsönösen egyértelmű, ha a fordított hozzárendelés is egyértelmű. Azon elemek halmazát, melyekhez a függvény rendel valamit, a függvény értelmezési tartományának nevezzük. Az értelmezési tartomány elemeihez rendelt elemek halmazát a függvény értékkészletének nevezzük. Ha egy függvény értelmezési tartománya és értékkészlete is valós számokból áll, akkor valós függvényről beszélünk. Ha az f-fel jelölt függvény értelmezési tartománya A és az értékkészlete vagy annál bővebb halmaz B, akkor azt f : A B módon jelöljük. Kiolvasása: ef át bébe képező függvény. Az x A-hoz rendelt B-beli elemet f(x) -szel jelöljük. (Az f(x) kiolvasása: ef iksz.) 4, 2 5, 2 6, 3 6 nem függvény, mert 2-höz két különböző értéket is rendel. 4, 2 4, 3 5 függvény, de nem kölcsönösen egyértelmű, mert az -hez és 2-höz ugyanazt rendeli. Értelmezési tartománya {, 2, 3}, értékkészlete {4, 5}. 4, 2 5, 3 6 kölcsönösen egyértelmű függvény. Értelmezési tartománya {, 2, 3}, értékkészlete {4, 5, 6}. Folyt. köv. 5

6 2. fejezet Matematikai analízis 2.. Számsorozatok Azokat a valós függvényeket, melyek értelmezési tartománya N, számsorozatoknak nevezzük. Egy számsorozat n-hez rendelt tagját a n (vagy b n, c n stb.) módon jelöljük. (Ejtsd: á en, bé en, cé en.) A továbbiakban magát a számsorozatot is a n, b n, c n stb. módon jelöljük. Monotonitás Az a n számsorozat monoton nő, ha a n a n+, szigorúan monoton nő, ha a n < a n+, monoton csökken, ha a n a n+, szigorúan monoton csökken, ha a n > a n+ minden n N esetén. a n = 3n+2 4n esetén a n a n+ = 3n+2 4n 3(n+)+2 4(n+) = (4n )(4n+3) > 0, így a n > a n+, azaz a n szigorúan monoton csökkenő. Részsorozat Legyen c n olyan szigorúan monoton növekvő számsorozat, melynek értékkészlete természetes számokból áll és legyen a n tetszőleges sorozat. Ekkor a b n = a cn sorozatot az a n sorozat egy részsorozatának nevezzük. 6

7 4n 2 +2 az n sorozat részsorozata, 5n 5n az n n sorozat részsorozata. Konvergens számsorozatok Az a n számsorozatot nullsorozatnak nevezzük, ha bármely r > 0 esetén legfeljebb véges sok n N létezik, melyre a n távolsága 0-tól nagyobb mint r, azaz a n > r. a n = n vagy a n = ( )n n nullsorozatok. Az a n számsorozatot konvergensnek nevezzük, ha van olyan a R, hogy az a n a nullsorozat. Ezt az a számot az a n sorozat határértékének nevezzük. Jele: a n a. Kiolvasása: a n konvergál a-hoz vagy a n tart a-hoz vagy a n határértéke a. 5n+ n 5, mert 5n+ n 5 = n nullsorozat. Konvergens sorozatnak nem lehet két különböző határértéke. Egy sorozat pontosan akkor nullsorozat, ha konvergens és határértéke 0. Egy sorozat pontosan akkor nullsorozat, ha abszolút értéke nullsorozat. Ha az a n sorozat értékkészlete korlátos és b n 0, akkor a n b n 0. ( ) n n 0, mert ( )n n = n 0. sin n n 0, mert sin n és n 0. Határátmeneti szabályok Ha a, b, k R, a n a és b n b, akkor a n + k a + k ka n ka a k n a k (amennyiben értelmezettek ezek a kifejezések) a n + b n a + b 7

8 a n b n a b a n b n ab an b n a (amennyiben értelmezettek ezek a kifejezések) b a bn n a b (amennyiben értelmezettek ezek a kifejezések). 5n 2 +3n+2 7n 2 4n = ( n n) n+2 4n 2 +5n = 3 +2 ( n n) n ( n) = 5 7 ( n n) = = 0 +2n + n = n n + 0+ = 2 n + n = ( n+ n)( n++ n) n++ n = n++ n = 2 n 0 + n = 0 2 = 0 Legyen a R, a n a és r > 0. Egy természetes számot az r-hez tartozó küszöbszámnak nevezzük, ha minden attól nagyobb n N esetén a n távolsága a-tól, kisebb r-nél, azaz a n a < r. Bármely küszöbszámnál nagyobb természetes szám is küszöbszám. Legyen a n = 4n+ 5n+3. Számoljuk ki az r = 0,0-hez tartozó küszöbszámot. Mivel 4n+ 5n+3 = 4+ n , így n a n a = 4n + 5n = 7 25n + 5 < 0,0 700 < 25n < 25n = 27,4 < n Így minden 27 < n esetén teljesül, hogy a n a < 0,0. Tehát 27 küszöbszám. Legyen a n = 5n+4 3n 3 +7n 2. Számoljuk ki az r = 0,03-hoz tartozó küszöbszámot. 5n+4 Mivel 3n 3 +7n 2 = 5 ( n) 2 +4 ( n) ( 0 n n) 3 3 = 0, így a n a = 5n + 4 3n 3 + 7n 2 0 = 5n + 4 3n 3 + 7n 2 5n + 4n 3n n 3 = 9 2n 2 < 0, < 2n 2 50 < n ,25 < n Így minden 2 < n esetén teljesül, hogy a n a < 0,03. Tehát 2 küszöbszám. 8

9 Nevezetes konvergens számsorozatok 0 n q n 0, ha < q < 3 n+2 +2 n = 9 3n + n 4 2n 4+5 = 9 ( 3 5) n + ( 4 5) 2 n 9 0+ n 4 ( 5) n = 0 =0. Bizonyítható, hogy az ( + n) n sorozat konvergens. A határértéke viszont nem fejezhető ki a szokásos algebrai műveletek véges sokszori alkalmazásával, hasonlóan mint a π. Ezt a határértéket e -vel (ejtsd: é ) fogjuk jelölni (e 2,78... ). ( + n) n e ( + p n) n e p, ahol p R. (Ejtsd: é a péediken vagy é ad pé.) ( ) + 5 n n e 5 ( ) 2n+ = 5n+2 5n (+ 2 5n ) n ( + 5 n ) n 2+ n ( e 2 5 e 5 ) 2+0 = e 6 5 ( n+ ) 5n (+ 2n = n )5n 2 = ( ) ( n ( ) 5n 2 + n 5 n) 0 e 5 = 0 5 Konvergens sorozat részsorozata Ha a n a, akkor a n minden részsorozata a-hoz konvergál. 4n , mert az n részsorozata, ( + 4 n 2 ) n 2 e 4, mert az ( + 4 n) n részsorozata. Divergens számsorozatok Ha egy számsorozat nem konvergens, akkor azt divergensnek nevezzük. Két speciális típusú divergens sorozatot részletezünk. 9

10 Azt mondjuk, hogy az a n számsorozat végtelenbe divergál, ha bármely k R esetén véges sok n-re lesz a n < k. Jele: a n Kiolvasása: a n divergál végtelenbe vagy a n tart végtelenbe vagy a n határértéke végtelen. Azt mondjuk, hogy az a n számsorozat mínusz végtelenbe divergál, ha bármely k R esetén véges sok n-re lesz a n > k. Jele: a n Kiolvasása: a n divergál mínusz végtelenbe vagy a n tart mínusz végtelenbe vagy a n határértéke mínusz végtelen. Nevezetes divergens számsorozatok n q n, ha q > Határátmeneti szabályok Ha a n és k > 0, akkor ka n, a k n és k + a n. Ha a n és k < 0, akkor ka n és k + a n. Ha a n és k > 0, akkor ka n és k + a n. Ha a n és k < 0, akkor ka n és k + a n. Ha a n és b n, akkor a n + b n, a n b n és a bn n. Ha a n és b n konvergens, akkor a n + b n. Ha a n és b n b > 0, akkor a n b n. Ha a n és b n b < 0, akkor a n b n. a n pontosan akkor, ha a n 0. 5n 2 +3n+2 7n 4 = 5n+3+2 n 7 4 n 3 2n+ + 5 n +7 = 3 9n +, = 3( 9 5) n +( 5) n 5 5n +7 +7( 5 5). n Divergens sorozat részsorozata -be divergáló sorozat minden részsorozata -be divergál. 4 5n2 +2, mert a 4 n részsorozata. 0

11 g y a k o r l ó f e l a d a t o k Vizsgálja meg a következő sorozatok monotonitását. n+4 n n+0 2n+3 2 3n n n2 4 2n 2 + Számolja ki a következő sorozatok határértékét. 5. 2n3 5n n 3 +2n n 5 +3n n2 + 2n 2n n 5 +4n 4 +n 3 +9 n 3 +5n 3 3n2 6n+. (n+)5 3n n 2n+3 5n n3 +5n 2 +n+2 5n 3 +2n n + 3 n 3 2 n + 5 n n n2 +n+ 4n+5 3n n3 +4n 2 n+2 3n 2 +n n4 3n 2 + n 2 +n n 2 5n n 3 +2n n+2 9. n 2 ++n 3 n n 2 +2 n 2. n 2 ( n 4 n 2 ) 22. n+3 n 23. n( n n) 24. n+ n n n Adjon meg 0,00-hez tartozó küszöbszámot a következő sorozatok esetén. 25. ( )n n 26. n+2 n n 33. n 2 +2 n 2 +n n2 +n+2 n 2 +n n n+2 n+7 4n+2 n 2 +6 n 2 +5 n n 3 6 ( 2 3. sin n n 32. n 3 +5 ) n ( )n 38. 6n3 +n 2 2n+ 5 n n 3 +n Számolja ki a következő sorozatok határértékét. 39. n 2 +6n+ n n ,0 n ( 2+) n ( 2 ) 2n 42. ( 2)n +4 n n +3 2n 2 3 n +7 n 2 +6 n ( n +2 3n+ 45. ( 3n+4 8 n+ +7 n 2 3n 5 ( ( 3n n 2 5 n n 2 ) 4n 2 ) 4n2 ) n 46. ( ) 5n n ( 7n 5n+3 ( 50. ( n 2 ) 2n 5. ( n+2 2n+) 2n+ 52. n 5 7n+4) 48. ) 4n 3n 3 3 2n n 2 6n 2 +3 ) 2n ( ) 2n n 3n 2.2. Sorok Akhilleusz és a teknős versenyt futnak. Akhilleusz tízszer gyorsabb a teknősnél, így 0 méter előnyt ad. Az ókori görögök szerint ekkor Akhilleusz sohasem éri utol a teknőst, ugyanis amíg 0 métert fut Akhilleusz, addig a teknős métert. Ekkor a teknősnek méter az előnye. Amíg ezt az métert lefutja Akhilleusz, addig a teknős 0, métert fut, így a teknősnek ekkor 0, méter az előnye. Ezt a végtelenségig folytathatjuk, így a teknős mindig Akhilleusz előtt lesz. A tapasztalat azonban ezzel ellentétes. Hol a hiba? Írjuk le sorban az előbb említett előnyöket: 0 0, 0,0 0,00...

12 Az ókori görögök szerint ezen számok összege végtelen. Ellenőrizzük ezt az állítást. Jelöljük a számok összegét x-szel. Ekkor 0x = , + 0, = 00 + x, } {{ } x melyből x = 00 00, azaz Akhilleusz a kiindulási pontjától méternél utoléri a teknőst. 9 9 Az ókori görögök állítása ezek szerint hamis. Végtelen sok pozitív szám összege lehet véges. Hogyan lehet értelmezni végtelen sok szám összegét? Legyenek az összeadandó számok az a n számsorozat tagjai. Vagyis a kérdés, hogy hogyan értelmezzük az a + a 2 + a a n + összeget? Az s n = a + a a n sorozatot az a n sorozatból képzett sornak nevezzük. Ha s n s, ahol s R, s = vagy s =, akkor az s határértéket az a n sorozatból képzett sor összegének nevezzük. Jele: a n. Kiolvasása: az a n sorozatból képzett sor összege vagy szumma n megy -től végtelenig a n. Ha az s n sorozatnak nincs határértéke, akkor azt mondjuk, hogy a n nem létezik. Az a +a 2 +a 3 + +a n + végtelen sok tagból álló összeget a a n sorösszegként értelmezzük. Például az Akhilleusz és a teknős eseténél tárgyalt x egyenlő a 0 0, n sorösszeggel, melyről később a mértani sornál látni fogjuk, hogy 00 Ha az összeadás nem a -től indul, hanem a k -tól, akkor az a k + a k+ + a k a n +. 9 összeg a = a n+k. (n+2) 4 sorösszeggel egyenlő és a n n=k módon jelöljük. Pl. n=3 = n 4 a n = n(n+) = n n+ esetén így s n = ( 2 n(n+) =. ) + ( 2 ) ( n ) = n + n +, 2

13 Határozzuk meg a 4n 2 +8n+3 sorösszeget. Ehhez először a nevezőt gyöktényezős alakban írjuk fel, majd a törtet ún. elemi törtekre bontjuk: 4n 2 + 8n + 3 = (2n + )(2n + 3) = a 2n + + b 2n + 3 (2a + 2b)n + (3a + b) =, (2n + )(2n + 3) melyből látható, hogy 2a+2b = 0 és 3a+b =. Ebből kapjuk, hogy a = 2 és b = 2. Így 4n 2 +8n+3 = 2 2n+ 2 2n+3, melyből ( ) ( 2 s n = Tehát 4n 2 +8n+3 = ) + + ( 2 ) 2n = 2n n Nevezetes sorok Mértani sor q n = q, ha < q < q 0, n = 0, 0, = 9 ( ) ( n 3 = n 7) + 5 n ( 3) n = = 8 3 Hiperharmonikus sor R, ha c > n c Itt a sorösszeg meghatározására nem tanulunk módszert, de ként megemlítjük, hogy = π2. n 2 6 =, ha c (c = esetén harmonikus sorról beszélünk.) n c 3

14 Konvergenciakritériumok Ha a n nem nullsorozat, akkor s n divergens. Ha a n a > 0 vagy a n, akkor a n =. Ha a n a < 0 vagy a n, akkor a n =. 5n+2 5n+2 3n =, mert 3n 5 3 > 0. Majoráns kritérium Ha a n b n és b n R, akkor a n R. n+ 2n 3 +2n+ n+n 2n = 3 n és 2 n R, ezért 2 n+ 2n 3 +2n+ R. Minoráns kritérium Ha a n b n és b n =, akkor a n =. n+ 2n 2 +2n+ n 2n 2 +2n 2 +n = 2 5n és 5n = 5 n =, így n+ 2n 2 +2n+ =. Gyökkritérium Tegyük fel, hogy n a n a. Ha a <, akkor a n R. Ha a > vagy a =, akkor a n =. a n = ( ) n+ n 3n esetén n a n = n+ 3n 3 <, így ( n+ ) n 3n R. 4

15 Hányadoskritérium Tegyük fel, hogy a n+ a n a. Ha a <, akkor a n R. Ha a > vagy a =, akkor a n =. ( ) a n = nn n! esetén an+ a n = + n n e >, így n n n! =. Az n! (ejtsd: en faktoriális ) az -től n-ig terjedő egészek szorzatát jelenti. g y a k o r l ó f e l a d a t o k Határozza meg a következő sorösszegeket n 2 3n 2 n 2 5n+4 n 2 n 2 n=5 n=3 6. ( n+ 2 n) 7. n 8. (2 n +)(2 n+ +) n=2 +( ) (. 2. n 3. ) 2 6 2n n+ 5 n 5 4. n+ n= n 2 2 n 3 cos(nπ) cos( nπ 3 ) 9. n+ 3 n 2 n n 2 n n! n 3 +3n 2 +2n 0. n! n +( ) n 0 n 5. sin(n π 2 )+cos(nπ) 4 n+3 2n+ n 2 (n+) 2 5 2n+ ( 3) n +2 n 8 6 n Valamelyik konvergenciakritériummal döntse el, hogy az alábbi sorösszegek végesek vagy végtelenek. ( 20. n ) n n ,0 n 2n+3 n 5n n n n 2 +4n+ n 2 +5n 2n n 4 +n sin(n) n+ n 2n 2 +n n+ n n=2 2 +n+ 3 n n=2 4 +3n+4 5n n n! 0, 32. n n! e n n! n n! n n n! (2n)! (2n+)! e n n n ( 36. n!2 n 37. n ) n (2n)! ( n n+ ) 4n+ n! 3 n n n n 3n Függvények határértéke és folytonossága Legyen H R és x R. Az x számot a H torlódási pontjának nevezzük, ha minden r > 0 esetén az (x r, x + r) nyílt intervallumban a H-nak végtelen sok eleme van. 5

16 H = (, 2) esetén minden x [, 2] torlódási pont. H = [0, 5] {6} esetén minden x [0, 5] torlódási pont. H = { n : n N} esetén csak a 0 torlódási pont. Legyen H R, x 0 (ejtsd: iksz nulla ) a H torlódási pontja, y R vagy y = vagy y = és f : H R. Azt mondjuk, hogy f-nek x 0 -ban y a határértéke, ha minden x 0 -hoz konvergáló H \ {x 0 }-beli értékeket felvevő x n sorozat esetén f(x n ) y. Jele: lim f(x) = y. Kiolvasása: limesz x tart x 0 -hoz f(x) egyenlő y vagy f x 0 -beli x x 0 határértéke y. Ha y R, akkor azt mondjuk, hogy f-nek x 0 -ban véges a határértéke. y = sign(x) y = x y = x lim sign(x) = x 0 lim x 0 = x lim = x 0 x (sign az ún. szignum vagy előjel függvény, mely pozitív számhoz -gyet, negatív számhoz -gyet és 0-hoz 0-t rendel.) Legyen H R, x 0 H és f : H R. Azt mondjuk, hogy az f függvény x 0 -ban folytonos, ha minden x 0 -hoz konvergáló H-beli értékeket felvevő x n sorozat esetén f(x n ) f(x 0 ). Legyen H R, x 0 H a H egy torlódási pontja és f : H R. Az f pontosan akkor folytonos x 0 -ban, ha lim x x0 f(x) = f(x 0 ). Egy valós függvényt folytonosnak nevezzük, ha az értelmezési tartományának minden pontjában folytonos. Folytonos függvények például: abszolútérték-függvény, reciprok függvény, minden trigonometrikus függvény, logaritmus függvények, exponenciális függvények. Legyen H R, x 0 H és f : H R. Azt mondjuk, hogy az f függvény x 0 -ban balról folytonos, ha minden x 0 -hoz konvergáló H (, x 0 ]-beli értékeket felvevő x n sorozat esetén f(x n ) f(x 0 ). Az f x 0 -ban jobbról folytonos, ha minden x 0 -hoz konvergáló H [x 0, )-beli értékeket felvevő x n sorozat esetén f(x n ) f(x 0 ). Legyen H R, x 0 H a H egy torlódási pontja és f : H \ {x 0 } R. Ha létezik g : H R függvény, mely x 0 -ban folytonos és f(x) = g(x) minden x H \ {x 0 } esetén, akkor lim x x0 f(x) = g(x 0 ). x lim 2 x x = lim (x )(x+) x x = lim (x + ) = + = 2 x 6

17 lim +x +2x x 0 x = lim = = 2 ( +x +2x)( +x+ +2x) x 0 x( +x+ +2x) = lim x 0 +x+ +2x = Legyen H R felülről nem korlátos, y R vagy y = vagy y = és f : H R. Azt mondjuk, hogy f-nek végtelenben y a határértéke, ha minden végtelenbe divergáló H-beli értékeket felvevő x n sorozat esetén f(x n ) y. Jele: lim f(x) = y. x Kiolvasása: limesz x tart végtelenbe f(x) egyenlő y vagy f végtelenben vett határértéke y. lim x x( 9x 2 + 3x) = lim = lim x x = 9+( x) = lim x+ 4 x 3 x+2 + = lim 5( 5 3) x 4( 3) x x 9+( 3) = x x( 9x 2 + 3x)( 9x 2 ++3x) 9x 2 ++3x = lim x x 9x 2 ++3x = y lim f(x) = x lim f(x) = lim x f(x) = y R x Legyen H R alulról nem korlátos, y R vagy y = vagy y = és f : H R. Azt mondjuk, hogy f-nek mínusz végtelenben y a határértéke, ha minden mínusz végtelenbe divergáló H-beli értékeket felvevő x n sorozat esetén f(x n ) y. Jele: lim f(x) = y. Kiolvasása: limesz x tart mínusz végtelenbe f(x) egyenlő y vagy x f mínusz végtelenben vett határértéke y. y lim f(x) = x lim f(x) = lim x f(x) = y R x Könnyen látható, hogy lim f(x) = lim f( x). x x 7

18 lim x 6x+2 3 x3 + = lim x 6( x)+2 3 = lim 6x+2 3 = lim ( x)3 + x x 3 x 6+2 x 3 ( x) 3 = = 6. Számolja ki a következő határértékeket. x 2. lim x 2 x 2 7. lim x 0 g y a k o r l ó f e l a d a t o k x 2. lim lim x 9 x 3 x+3 x 9 x 3 x 2 8. x 2 lim 2x x 5 9. lim x x+x lim 2 x 0 x 3 x 2 6. x lim x x 4. x+3 3 lim x 0 x x 2 x x x 3. x lim 2 +x+3 x 2 2x+9 x 2 x 2 3x+2 0. lim x 0 5. x lim x 0 x +x +2x 4. +x +x 2 lim x 0 +x x 7. lim 2 2x+ x x 8. x 3 lim 2 6x+8 3x x x 4 9. x 2 lim 2 +2x 5 5x+4 x 0x 2x 2 8 +sin x cos x sin(x 2. lim x π 6 lim ) sin x cos x x π 3 6 ) ( 25. lim x 0 sin 2 x tg 2 x 6x lim 3 x x x lim x x x 30. lim x cos x lim x π 2 x 26. lim 2 +3x x x 2 lim 3x+2 x x 2 +3x 3 x x 2 lim x cos x 2 sin x 2 cos x x (x ) 6. 2 x lim x x 2. lim 5x x 0 +x x 5. +5x 3x lim x 0 x 2 +2x 20. lim x lim x 0 ( 3x 2 6x+ x lim x sin x tg x ) +tg x tg x ( sin x ) x x 2 x+ x 2 + x x x x++ 7x+ lim x 3x+2+ 2x 34. lim ( x 2 +2 x) 35. lim ( x 2 +5x x) 36. lim ( x 2 +2x x 2 +x) x x x ( 37. lim x( x 2 +2x 2 ( x 2 +x+x) 38. x+ lim x x ( ) x 2 ( ( 40. x+ x lim x 2x ) 4. lim x 4x x lim x 2x x 2) 39. lim x ) x 3x 2 x+ 2x 2 +x+ 5x 2 π 5x ) 4x Differenciálszámítás Érintő meghatározása Az f függvény görbéjéhez húzzunk érintőt az ( x 0, f(x 0 ) ) koordinátájú pontban, illetve húzzunk szelő egyenest az ( x 0, f(x 0 ) ) és ( x, f(x) ) koordinátájú pontokon keresztül, ahol x x 0. Az x közelítésekor x 0 -hoz, a szelő is közeledik az érintőhöz, így a tangens függvény folytonossága miatt, a szelő meredeksége (azaz az x tengellyel bezárt szögének tangense) is közeledik az érintő meredekségéhez. Pontosabban fogalmazva az érintő meredeksége f(x) f(x 0 ) lim. x x 0 x x 0 8

19 y y = f(x) f(x) szelő érintő f(x 0 ) x 0 x Az f : R R, f(x) = x 2 függvény görbéjének a (3, 9) koordinátájú pontban húzott érintőjének a meredeksége x lim x 3 x 3 = lim (x 3)(x + 3) = lim (x + 3) = 6. x 3 x 3 x 3 Differenciálhányados Legyen H R és x R. Az x számot a H belső pontjának nevezzük, ha van olyan r > 0, hogy (x r, x + r) H. H = (, 2) esetén minden x (, 2) belső pont. H = [0, 5] {6} esetén minden x (0, 5) belső pont. H = { n : n N} esetén nincs belső pont. Legyen H R, x 0 a H egy belső pontja és f : H R. Azt mondjuk, hogy f az x 0 pontban differenciálható, ha létezik a f(x) f(x 0 ) lim x x 0 x x 0 véges határérték. Ezt a határértéket az f függvény x 0 -beli differenciálhányadosának nevezzük és f (x 0 ) módon jelöljük. Kiolvasása: f x 0 -beli differenciálhányadosa vagy f deriváltja az x 0 helyen vagy f derivált x 0. Ezek szerint f (x 0 ) az f függvény görbéjének az ( x 0, f(x 0 ) ) koordinátájú pontjában húzott érintőjének a meredeksége. Legyen D azon számok halmaza, melyekben az f differenciálható. Azt a függvényt, mely minden D-beli x 0 -hoz hozzárendeli az f (x 0 ) értéket, az f deriváltjának nevezzük, és f módon jelöljük. 9

20 f : R R, f(x) = x 2 esetén az f deriváltja az x helyen 2x, azaz f (x) = 2x. Ezt (x 2 ) = 2x módon jelöljük. Kiolvasása: x 2 deriváltja 2x. Alapderiváltak (k) = 0, ahol k R (x) = (x k ) = kx k, ahol k R (e x ) = e x (a x ) = a x ln a, ahol a > 0 és a (ln x) = (ahol ln x = log x e x az ún. természetes alapú logaritmus) (log a x) =, ahol a > 0 és a x ln a (sin x) = cos x (cos x) = sin x (tg x) = cos 2 x (ctg x) = sin 2 x Deriválási szabályok ( kf(x) ) = kf (x) ( f(x) + g(x) ) = f (x) + g (x) ( f(x) g(x) ) = f (x) g (x) ( f(x)g(x) ) = f (x)g(x) + f(x)g (x) ( ) f(x) = f (x)g(x) f(x)g (x) g(x) g 2 (x) ( f ( g(x) )) ( = f g(x) ) g (x) (5x 2 ) = 5(x 2 ) = 5 2x 2 = 0x (log 3 x + sin x) = (log 3 x) + (sin x) = x ln 3 + cos x (ctg x 2 x ) = (ctg x) + ( 2 x ) = (ctg x) (2 x ) = ctg 2 x 2 x ln 2 (e x sin x) = (e x ) sin x + e x (sin x) = e x sin x + e x cos x ) = (x) sin x x(sin x) = ( x sin x sin 2 x sin x x cos x sin 2 x (sin 3 x ) = (cos 3 x )(3 x ) = (cos 3 x )3 x ln 3 20

21 ( x sin x ) = ( e ln x sin x ) = e ln x sin x (ln x sin x) = e ln x sin x( (ln x) sin x + ln x(sin x) ) = = x ( sin x x sin x + ln x cos x) Második derivált Ha az f függvénynek létezik a deriváltja és az f függvénynek is létezik a deriváltja, akkor az (f ) függvényt f módon fogjuk jelölni és az f második deriváltjának nevezzük. f : R R, f(x) = x 3 esetén f (x) = 3x 2, így f (x) = (3x 2 ) = 6x. Ezt (x 3 ) = = (3x 2 ) = 6x módon jelöljük. g y a k o r l ó f e l a d a t o k Határozza meg a következő függvények deriváltját.. x x 3 +7x x 2 6x πx x (2 cos x+)(x x ) 4. (ln x+ctg x)(5+2 x ) 5. 6π2 tg x+6 2 cos x 6. π cos x 3 sin x+ x 7. x ln x x2 +6 +π 8. cos( x+x 2 ) 9. sin(x 7 +) 0. cos 2 x. (x 2 +e) sin 6 x 2. 2 sin x 3. ln(x 2 3 ln x 2x ) 4. tg ln x 2 tg x 6. ln ln ln x 7. sin 2 (ctg 3 x) 3 6 cos 8. 4 x 7 9. x 7 +ctg x x+π π π ln tg 2. 2 x log 6 2 x π x+ 23. x 2 3 sin x x x 24. (sin x) x 25. (sin x) cos x 26. (ln x) 2 x 27. (x 2 ) x 28. log x cos x 2.5. Függvényvizsgálat Monotonitás, helyi szélsőértékhely Legyen H R, a, b R, a < b, (a, b) H és f : H R. Azt mondjuk, hogy az f függvény az (a, b) intervallumon monoton nő, ha f(x ) f(x 2 ), szigorúan monoton nő, ha f(x ) < f(x 2 ), monoton csökken, ha f(x ) f(x 2 ), szigorúan monoton csökken, ha f(x ) > f(x 2 ) 2

22 minden x, x 2 (a, b), x < x 2 esetén. Legyen H R és f : H R. Azt mondjuk, hogy x 0 H az f helyi minimumhelye, ha van olyan r > 0, hogy minden x (x 0 r, x 0 + r) H esetén f(x 0 ) f(x). Azt mondjuk, hogy x 0 H az f helyi maximumhelye, ha van olyan r > 0, hogy minden x (x 0 r, x 0 + r) H esetén f(x 0 ) f(x). A helyi maximum- illetve minimumhelyeket összefoglalóan helyi szélsőértékhelyeknek nevezzük. helyi minimumhely helyi maximumhely Konvex illetve konkáv függvények Egy síkidomot konvex nek nevezzük, ha abban két pont nem tud elbújni egymás elől, pontosabban, ha a síkidom bármely két pontját összekötő szakasz minden pontját tartalmazza. Ez a fogalom átvihető függvényekre is az ún. epigráf segítségével. Legyen H R, a, b R, a < b, (a, b) H és f : H R. Az f függvény (a, b) intervallumra vonatkozó epigráf ján azon (x, y) koordinátájú pontok mértani helyét értjük, melyekre teljesül, hogy x (a, b) és y > f(x). Az f függvényt az (a, b) intervallumon konvexnek nevezzük, ha f-nek az (a, b) intervallumra vonatkozó epigráfja konvex síkidom. Ha f az (a, b) intervallumon konvex, akkor azt mondjuk, hogy f az (a, b) intervallumon konkáv. f epigráfja konvex függvény y = f(x) konkáv függvény a b a b a b Inflexiós pont Legyen H R és f : H R. Az x 0 H számot az f inflexiós helyének nevezzük, ha létezik olyan r > 0, hogy (x 0 r, x 0 +r) H és f az (x 0 r, x 0 ) intervallumon konvex, míg az (x 0, x 0 +r) intervallumon konkáv, vagy fordítva, az (x 0 r, x 0 ) intervallumon konkáv és az (x 0, x 0 + r) intervallumon konvex. 22

23 inflexiós pont Függvényvizsgálat deriváltakkal Legyen H R, a, b R, a < b, (a, b) H és f : H R. Tegyük fel, hogy f az (a, b) intervallum minden pontjában differenciálható. Ha f (x) > 0 minden x (a, b) esetén, akkor f szigorúan monoton nő az (a, b) intervallumon. Ha f (x) < 0 minden x (a, b) esetén, akkor f szigorúan monoton csökken az (a, b) intervallumon. f(x) = 2x 3 9x 2 + 2x esetén f (x) = 6x 2 8x + 2, melynek gyökei és 2, így f (x) < 0 pontosan akkor, ha x (, 2). Tehát f az (, 2) intervallumon szigorúan monoton csökken. Legyen H R, x 0 H, r > 0, (x 0 r, x 0 + r) H és f : H R. Tegyük fel, hogy f differenciálható az (x 0 r, x 0 + r) intervallum minden pontjában és f (x 0 ) = 0. Ha f (x) > 0 minden x (x 0 r, x 0 ) esetén és f (x) < 0 minden x (x 0, x 0 +r) esetén, akkor f-nek x 0 helyi maximumhelye. Ha f (x) < 0 minden x (x 0 r, x 0 ) esetén és f (x) > 0 minden x (x 0, x 0 +r) esetén, akkor f-nek x 0 helyi minimumhelye. f(x) = x 2 2x + 3 esetén f (x) = 2x 2, melynek gyöke, továbbá f (x) < 0, ha x <, míg f (x) > 0, ha x >. Így f-nek helyi minimumhelye. Adott kerületű téglalapok közül melyiknek legnagyobb a területe? Legyen a kerület k, a téglalap egyik oldala pedig x hosszúságú. Ekkor a terület az x függvényében f(x) = x( k 2 x) = k 2 x x2. Mivel f (x) = k 2 2x, melynek gyöke k 4 és f (x) > 0, ha x < k 4 és f (x) < 0, ha x > k 4, ezért f-nek k 4 helyi maximumhelye. Vagyis a terület x = k 4 esetén a legnagyobb. Ekkor a téglalap négyzet. Legyen H R, a, b R, a < b, (a, b) H és f : H R. Tegyük fel, hogy f az (a, b) intervallum minden pontjában kétszer differenciálható. 23

24 Ha f (x) > 0 minden x (a, b) esetén, akkor f konvex az (a, b) intervallumon. Ha f (x) < 0 minden x (a, b) esetén, akkor f konkáv az (a, b) intervallumon. f(x) = x 4 6x 3 + 2x 2 esetén f (x) = 2x 2 36x + 24, melynek gyökei és 2, így f (x) < 0 pontosan akkor, ha x (, 2). Tehát f az (, 2) intervallumon konkáv. Legyen H R, x 0 H, r > 0, (x 0 r, x 0 +r) H és f : H R. Tegyük fel, hogy f kétszer differenciálható az (x 0 r, x 0 +r) intervallum minden pontjában és f (x 0 ) = = 0. Ha f (x ) > 0 minden x (x 0 r, x 0 ) és f (x 2 ) < 0 minden x 2 (x 0, x 0 + r) esetén, vagy fordítva, f (x ) < 0 minden x (x 0 r, x 0 ) és f (x 2 ) > 0 minden x 2 (x 0, x 0 + r) esetén, akkor f-nek x 0 inflexiós helye. f(x) = x 4 6x 3 + 2x 2 esetén f (x) = 2x 2 36x + 24, melynek gyökei és 2. Mivel f (x) > 0, ha x <, és f (x) < 0, ha x (, 2), ezért f-nek az inflexiós helye. Hasonlóan látható, hogy a 2 is inflexiós hely. g y a k o r l ó f e l a d a t o k. Melyik az adott sugarú körbe írt téglalapok közül a legnagyobb területű? 2. Adott oldalú téglalap sarkaiból mekkora oldalú négyzeteket kell kivágni, hogy a fennmaradó részt felül nyitott dobozzá hajtogatva, a keletkezett doboz térfogata a lehető legnagyobb legyen? 3. Adott felszínű, felül nyitott hengerek közül melyiknek legnagyobb a térfogata? 4. Egy egyenes körkúp alapkörének sugara r, a kúp magassága m. Határozzuk meg a kúpba írható legnagyobb térfogatú henger térfogatát. 5. Egyenlő szélességű három deszkából csatornát készítünk. Az oldalak milyen hajlásszöge mellett lesz a csatorna keresztmetszete a legnagyobb területű? 6. Bontsa fel 8-at két pozitív összeadandóra úgy, hogy az összeadandók köbeinek összege minimális legyen. 7. Adott térfogatú szabályos háromszög alapú egyenes hasábok közül mekkorák annak az élei, amelynek a legkisebb a felszíne? 8. A 20 cm alkotójú, kúp alakú tölcsérek közül mekkora a maximális térfogatúnak a magassága? 9. Egy α középponti szöghöz tartozó körcikkből kúppalástot sodrunk. Az α-nak milyen választása mellett lesz az így meghatározott kúp térfogata maximális? 24

25 0. Határozza meg egy adott sugarú gömbbe írható maximális felszínű körhenger magasságát és alapkörének sugarát.. Határozza meg egy adott sugarú gömbbe írható maximális térfogatú körhenger magasságát és alapkörének sugarát. Vizsgálja meg a következő függvényeket monotonitás, szélsőértékhely, konvexitás, konkávitás és inflexiós hely szempontjából. 2. x 3 5x 2 +3x 5 3. x 4 2x 3 +48x (x 2 ) 3 5. x 2 6. x x 2 7. x 2 x 2 8. x 3 3 x 2 9. x 3 (2x+) x +x x +x xe x 23. x 2 e x 24. x 2 e x2 25. cos x+sin x 26. x+sin x 27. 2x 2 ln x 2.6. Integrálszámítás Határozatlan integrál Ha egy nyílt intervallumon értelmezett valós f függvény minden pontban differenciálható, akkor az f függvényt az f primitív függvényének nevezzük. x 2 a 2x primitív függvénye, mert (x 2 ) = 2x. De 2x-nek az x 2 + is primitív függvénye, mert (x 2 + ) = 2x. Ha f-nek F primitív függvénye, azaz F = f, akkor f-nek az összes primitív függvénye előáll F + c alakban, ahol c R. Ezt a továbbiakban f(x) dx = F (x) + c, c R módon jelöljük. Kiolvasása: f határozatlan integrálja F + c vagy integrál f(x) dé iksz egyenlő F (x) + c. Alapintegrálok Legyen c R. k dx = kx + c, k R x k dx = xk+ + c, k x k+ dx = ln x + c 25

26 a x dx = ax + c, a > 0, a, ln a e x dx = e x + c sin x dx = cos x + c cos x dx = sin x + c cos 2 x dx = tg x + c dx = ctg x + c sin 2 x Integrálási szabályok kf(x) dx = k f(x) dx 5x 2 dx = 5 x 2 dx = 5 x3 3 + c, c R ( f(x) + g(x) ) dx = f(x) dx + g(x) dx (x x ) dx = x x ln 2 + c, c R f (x)g ( f(x) ) dx = g ( f(x) ) + c, c R. A g speciális választása esetén a következőket kapjuk: f (x)f k (x) dx = f k+ (x) k+ + c, k, c R cos x sin 2 x dx = (sin x) (sin x) 2 dx = sin3 x 3 + c, c R f (x) f(x) dx = ln f(x) + c, c R tg x dx = (cos x) cos x dx = ln cos x + c, c R f (x)a f(x) dx = af(x) ln a + c, a > 0, a, c R 26

27 x3 x 2 dx = 2 (x 2 ) 3 x2 dx = 3 x2 2 ln 3 + c, c R f (x) sin f(x) dx = cos f(x) + c, c R sin 2x dx = 2 (2x) sin 2x dx = 2 cos 2x + c, c R f (x) cos f(x) dx = sin f(x) + c, c R cos ln x x dx = (ln x) cos ln x dx = sin ln x + c, c R f (x) dx = tg f(x) + c, c R cos 2 f(x) cos 2 5x dx = (5x) 5 cos 2 5x dx = 5 tg 5x + c, c R f (x) dx = ctg f(x) + c, c R sin 2 f(x) x sin 2 ln x dx = (ln x) dx = ctg ln x + c, c R sin 2 ln x A következő ún. parciális integrálás a függvények szorzatának deriváltjából bizonyítható be. f (x)g(x) dx = f(x)g(x) f(x)g (x) dx f (x) = e x és g(x) = x esetén f(x) = e x és g (x) =, így xe x dx = xe x e x dx = xe x e x + c, c R. f (x) = és g(x) = ln x esetén f(x) = x és g (x) = x, így ln x dx = x ln x x dx = x ln x dx = x ln x x + c, c R. x 27

28 e x cos x dx =? Legyen f (x) = e x és g(x) = cos x. Ekkor f(x) = e x és g (x) = = sin x, így e x cos x dx = e x cos x+ e x sin x dx. Most legyen f (x) = e x és g(x) = = sin x. Ekkor f(x) = e x és g (x) = cos x, így e x sin x dx = e x sin x e x cos x dx. A két eredményből kapjuk, hogy e x cos x dx = e x cos x + e x sin x dx = e x cos x + e x sin x e x cos x dx, melyből e x cos x dx = 2 (ex cos x + e x sin x) + c, c R. Határozott integrál Legyen a, b R, a < b és f : [a, b] R korlátos értékkészletű függvény. Ha f(x) 0 minden x [a, b] esetén, akkor az f a-tól b-ig vett integrálján azon síkidom területét értjük, mely pontjainak (x, y) koordinátáira teljesül, hogy x [a, b] és 0 y f(x). Jele: b a f(x) dx. f(x) dx Kiolvasása: f ától béig vett integrálja vagy integrál a-tól b-ig Feltételezzük az f függvényről, hogy az előbb említett terület létezik. Annak tisztázása, hogy ez pontosan mit is jelent, sokkal mélyebb matematikai hátteret igényel, melynek kiépítése most nem feladatunk. y = f(x) T b f(x) dx = T a a b 5 3 dx = 3(5 ) = 2, 0 x dx = 2 = 2 illetve integrál az origó középponttú egység sugarú félkör területe). x2 dx = π 2 (az utolsó Hogyan lehetne általánosítani az integrál fogalmát olyan esetre, amikor a függvény felvehet negatív értékeket is? Ehhez először a már definiált nemnegatív f függvényre vonatkozó integrál egy egyszerű tulajdonságát vegyük észre, amely a következő ábra alapján kézenfekvő: 28

29 y = f(x) k T y = f(x) k T 2 T a b a b b f(x) dx = T + T 2 = b ( f(x) k ) dx + k(b a). a a Függetlenül attól, hogy f felvehet-e negatív értékeket vagy sem, az f(x) k sohasem b ( ) negatív. Így f(x) k dx minden esetben értelmezett. a Legyen a, b R, a < b, f : [a, b] R korlátos értékkészletű függvény és k az f értékkészletének egy alsó korlátja. Ekkor az f a-tól b-ig vett integrálját a következő formulával definiáljuk: b f(x) dx = b ( f(x) k ) dx + k(b a). a a 2 x dx = 2 ( ) ( ) 2 x ( ) dx + ( ) 2 ( ) = (x + ) dx 3 = =,5. A határozott integrálnak megemlítjük még két fontos tulajdonságát: a < b < c esetén b a c ( ) b f(x) + g(x) dx = a f(x) dx = a b a f(x) dx + f(x) dx + b a c b g(x) dx f(x) dx Az integrálok fenti számítása azon alapszik, hogy a kapott síkidomnak kiszámítottuk a területét. Ezt csak szakaszokkal és körívekkel határolt síkidomok esetén tudjuk megtenni eddigi középiskolai ismereteink alapján. De valójában már a kör területét sem tudjuk, csak becsületszóra megtanították nekünk a képletét. A matematikában fordítva lesz a menetrend. Nem a területszámítást használjuk fel az integrálszámításban, hanem az integrálszámítást a területszámításban. Ehhez azonban szükségünk lesz az integrál területtől független számítására. Erre vonatkozik a következő tétel. 29

30 Newton Leibniz-tétel b a f(x) dx = F (b) F (a) ahol F primitív függvénye f-nek. Hasznos jelölésnek fog bizonyulni a következő: [F (x)] b a = F (b) F (a). x dx = x c, (c R) így 2 [ x dx = ] 2 x 2 2 = 22 2 ( )2 2 =,5 cos 2x dx = 2 (2x) cos 2x dx = 2 sin 2x + c, (c R) így π 4 0 cos 2x dx = [ ] π 4 sin 2x 2 0 = 2 sin π 2 2 sin 0 = = 2. g y a k o r l ó f e l a d a t o k Számítsa ki a következő függvények határozatlan integrálját.. 3x2 4 x+2 x 2. e x e x + 3. ctg x x 5. x+2 2x 6. sin x cos x 7. cos 3 x 8. x(x 2 ) 9. 2x x 2 x+ 0. x 2 4 x 3. sin 3 x 2. sin x +cos x 3. x ln x 4. ln5 x x 5. +sin x 6. cos x +cos x 7. +ex 8. tg 2 x 9. ctg 2 x 20. cos 2x sin 2 2x 23. cos x 2. +cos x cos3 x sin 2 x 22. sin 2x +sin 2 x 24. sin2 x cos x 25. sin 2x 26. x+ x 27. x+2 3 x 28. e x + e x +e x x ln 2 x log x e 3x+ 3. x sin x sin x 3 cos 2 x 33. x +x x 2 3 x x 4 2 3x xe x2 37. e x 3 +e x 38. sin 8x 39. ctg x ln sin x 40. cos 3 x sin 4 x 4. xe x 42. xe 2x 43. x 2 e x 44. x 2 cos x 45. e x sin x 46. x 3 +x cos ln x 48. ln 2 x Számítsa ki a következő határozott integrálokat. 49. π 2 0 cos 5x dx 50. π 2 π 4 cos x +sin x dx 5. π 0 cos x 3 dx cos 2 x 52. Számítsa ki az f(x) = 2x 2 +6x 24 és g(x) = x 2 8x+2 függvények görbéi által közrezárt síkidom területét. 30

31 3. fejezet Valószínűségszámítás Egyes jelenségeknél az összes körülmény figyelembevétele lehetetlen vagy igen nehéz. Ennek több oka is lehet. Például az, hogy a jelenség hátterében álló körülmények közül néhány a tudomány mai állása szerint még nem ismert, vagy nem tudjuk mérni, vagy számuk túl nagy és kapcsolatuk nagyon bonyolult. Ilyenkor a figyelembe vett körülmények összessége nem határozza meg egy esemény bekövetkezésének elegendő okát. Ezeket véletlen eseményeknek nevezzük. Például amikor dobókockával játszunk, nem vesszük figyelembe a dobásnál fellépő összes körülményt hogy milyen helyzetből indult, milyen impulzust kapott, a légellenállást, az ütközést, a súrlódást stb., csak azt a tényt, hogy feldobtuk. Ezért számunkra a kockajáték kimenetele véletlenszerű. Ha egy véletlen kimenetelű jelenség sokszor megismétlődhet, akkor véletlen tömegjelenségről beszélünk. Az ilyen típusú jelenségekről a véletlenszerűségük ellenére is áttekintést nyerhetünk. Például a radioaktív bomlás esetén minden egyes atommag bomlása véletlennek tekinthető, mégis sok milliárd atommag esetében már előre meg tudjuk mondani, hogy egy meghatározott időn belül hány százalékuk fog elbomlani. Ez a bomlás úgynevezett exponenciális törvénye, melyet a valószínűségszámítás segítségével írhatunk le. A valószínűségszámítás a véletlen tömegjelenségek matematikai modellezése. 3.. Véletlen események Az események matematikai modellezését halmazok segítségével oldjuk meg. Például amikor dobókockával játszunk, alapvetően hat különböző esemény következhet be. Vagy az egyes, vagy a kettes, vagy a hármas, vagy a négyes, vagy az ötös, vagy a hatos oldal lesz felül. Ezeket azonosítsuk a következő halmazokkal: {}, {2}, {3}, {4}, {5}, {6}. 3

32 Ezek lesznek az ún. elemi események. De más eseményekről is beszélhetünk. Például páros számot dobunk. Ennek feleltessük meg {2, 4, 6} halmazt. Ezt az eseményt összetett eseménynek nevezzük, mert felbontható több elemi esemény uniójára: {2, 4, 6} = {2} {4} {6}. Az is esemény, hogy nem hatost dobunk. Az ehhez tartozó halmaz a {6} = {, 2, 3, 4, 5}. Ezt a hatos dobás ellentett eseményének nevezzük. Eseménynek tekinthető az is, hogy egytől hatig valamilyen egész szám fog kijönni. Mivel ez minden esetben bekövetkezik, ezért ezt biztos eseménynek nevezzük és Ω-val fogjuk jelölni. Tehát ekkor Ω = {, 2, 3, 4, 5, 6}. Végül azt is eseménynek fogjuk tekinteni, ami sohasem következhet be. Például, hogy hatosnál nagyobbat dobunk. Ezt lehetetlen eseménynek nevezzük, és az üres halmazzal fogjuk azonosítani. Látható, hogy minden esemény a biztos esemény egy részhalmaza. Az események rendszerét A-val jelöljük, mely tehát az Ω összes részhalmazaiból álló halmaz egy részhalmaza. Az események rendszerének, azaz A-nak a tulajdonságai közül hármat emelünk ki: A biztos esemény eleme A-nak. Egy esemény ellentettje is esemény. Események uniója is esemény. Eseményaxiómák Legyen Ω egy nem üres halmaz és A az Ω összes részhalmazaiból álló halmaz egy olyan részhalmaza, melyre teljesülnek a következők:. axióma. Ω A. 2. axióma. Ha A A, akkor A A. 3. axióma. Ha A, A 2,..., A n,... A, akkor A A 2 A n A. Ekkor az A elemeit eseményeknek nevezzük. Mivel Ω =, ezért az. és 2. axióma miatt az üreshalmaz is esemény. Az Ω-t biztos eseménynek, az -t lehetetlen eseménynek nevezzük. A 3. axióma szerint események uniója is esemény, másrészt az axiómák és a de Morgan-féle azonosság segítségével bizonyítható, hogy események metszete is esemény. Az A B esemény akkor következik be, ha legalább az egyik bekövetkezik. Az A B esemény akkor következik be, ha mindkettő egyszerre bekövetkezik. Az A \ B = A B esemény azt jelenti, hogy A bekövetkezik, de B nem. 32

33 Ha A B =, akkor azt mondjuk, hogy az A és B események egymást kizáróak. Egy A eseményt elemi eseménynek nevezzük, ha az csak A = A = A módon írható fel két különböző esemény uniójaként. Ha egy esemény nem lehetetlen és nem elemi, akkor azt összetett eseménynek nevezzük. Ha az A, A 2,..., A n,... események páronként egymást kizáróak, és uniójuk a biztos esemény, akkor ezt teljes eseményrendszernek nevezzük. Egy dobókockát kétszer feldobunk. Ha a dobott számok összege 2, akkor feldobjuk mégegyszer. Ekkor a biztos eseményt a következő halmazzal reprezentálhatjuk: Ω = {(,, ), (,, 2),..., (,, 6), (, 2), (, 3),..., (, 6), (2, ), (2, 2),..., (2, 6), (3, ), (3, 2),..., (3, 6),.. (6, ), (6, 2),..., (6, 6)}. Egy pénzérmével addig dobunk, amíg írást nem kapunk. Ekkor a biztos esemény: Ω = {írás, (fej, írás), (fej, fej, írás),..., (fej, fej,..., fej, írás),...}. Egy műhelyben három gép dolgozik. Egy adott pillanatban megvizsgáljuk, hogy melyik működik és melyik rossz. Ekkor a biztos esemény: Ω = {(jó, jó, jó), (jó, jó, rossz), (jó, rossz, jó), (jó, rossz, rossz), (rossz, jó, jó), (rossz, jó, rossz), (rossz, rossz, jó), (rossz, rossz, rossz)}. g y a k o r l ó f e l a d a t o k. Az utolsó példában leírt megfigyelésben legyen A := {(rossz, jó, jó), (rossz, jó, rossz), (rossz, rossz, jó), (rossz, rossz, rossz)}, A 2 := {(jó, rossz, jó), (jó, rossz, rossz), (rossz,rossz, jó), (rossz, rossz, rossz)}, A 3 := {(jó, jó, rossz), (jó, rossz, rossz), (rossz, jó, rossz), (rossz, rossz, rossz)}, amelyek sorrendben azt jelentik, hogy az első, a második, illetve a harmadik gép rossz. Fejezze ki az A, A 2, A 3 eseményekkel a következőket: a) csak az első rossz, 33

34 b) mindhárom rossz, c) egyik sem rossz, d) az első és második jó, e) az első és második rossz, a harmadik jó, f) csak egy gép rossz, g) legfeljebb egy gép rossz, h) legfeljebb két gép rossz, i) legalább egy gép rossz. 2. Jelentse az A esemény azt, hogy éppen fúj a szél, illetve B azt, hogy esik az eső. Mondja el szavakkal, mit jelentenek a következő események: B, A B, A B, A B, A B, A B, A \ B, (A \ B) (B \ A), A B, A B. 3. Bizonyítsa be, hogy az A B, A\B, B \A, A B események teljes eseményrendszert alkotnak Valószínűség A modellalkotás következő lépése valamilyen tapasztalati törvényszerűség megfigyelése az eseményekkel kapcsolatosan. Ilyet először Jacob Bernoulli ( ) svájci matematikus publikált. Egy dobókockát dobott fel többször egymásután. A hatos dobások számának és az összdobások számának arányát, azaz a hatos dobás relatív gyakoriságát ábrázolta a dobások számának függvényében: Bernoulli azt tapasztalta, hogy a hatos dobás relatív gyakorisága a dobások számának növelésével egyre kisebb mértékben ingadozik körül. Más véletlen kimenetelű 6 kísérlet eseményeire is hasonló a tapasztalat, azaz a kísérletek számának növelésével a figyelt esemény bekövetkezésének relatív gyakorisága egyre kisebb mértékben ingadozik egy konstans körül. Ezt a konstanst a figyelt esemény valószínűségének fogjuk nevezni. A továbbiakban P (A) jelölje az A esemény valószínűségét. Maga a P egy függvény, amely minden eseményhez hozzárendel egy számot. Könnyen látható, hogy minden esemény valószínűsége nemnegatív valós szám, a biztos esemény valószínűsége, illetve egyszerre be nem következő események uniójának valószínűsége az események valószínűségeinek összege. Valószínűségaxiómák Legyen P : A R olyan függvény, melyre teljesülnek a következők: 34

35 4. axióma. P (A) 0 minden A A esetén. 5. axióma. P (Ω) =. 6. axióma. Ha az A, A 2,..., A n,... A páronként egymást kizáró események, akkor P (A A 2 A n ) = P (A ) + P (A 2 ) + + P (A n ) + Ekkor az (Ω, A, P ) hármast valószínűségi mezőnek nevezzük, a P függvényt pedig valószínűségnek. Az előzőekben felsorolt hat axióma az úgynevezett Kolmogorov-féle axiómarendszer. Adott A esetén több olyan valószínűség is lehet, melyre teljesülnek a 4., 5. és 6. axiómák. Hogy melyik az igazi, erre a matematikai statisztika keresi a választ. A valószínűség legfontosabb tulajdonságai: P ( ) = 0. P (A) = P (A). P (A B) = P (A) + P (B) P (A B). P (A \ B) = P (A) P (A B). Ha B A, akkor P (A \ B) = P (A) P (B). Ha A B, akkor P (A) P (B). P (A). Klasszikus valószínűségi mező Klasszikus valószínűségi mezőről beszélünk, ha az elemi események száma véges és valószínűségeik megegyeznek. Például a szabályos kockajáték klasszikus valószínűségi mezőt határoz meg, mert hat elemi esemény van, és a szimmetria miatt minden oldalára egyforma valószínűséggel eshet a kocka. Ha egy klasszikus valószínűségi mezőben egy A esemény k darab elemi eseményből áll és összesen n darab elemi esemény van, akkor P (A) = k n. Kombinatorika A klasszikus valószínűségi mezőkre vonatkozó példákban k és n értékét legtöbbször ún. kombinatorikai eszközökkel számolhatjuk ki. Először bevezetünk néhány jelölést, amire szükségünk lesz: Az n! := 2... n (ejtsd: n faktoriális ), ahol n N. Kényelmi okokból még bevezetjük a 0! := jelölést is. ( n ) k := n! (ejtsd: n alatt a k ), ahol n, k N és k n. Ez az ún. binomiális k! (n k)! együttható. 35

36 Ismétlés nélküli permutációk száma Hányféle ötjegyű számot lehet előállítani az, 3, 5, 7, 9 számjegyekből, ha ezekből mindegyiket fel kell használni? Megoldás: Az első számjegyet ötféleképpen, a következőt négy, aztán három, majd kettő, végül az utolsót már csak egyféleképpen lehet kiválasztani. Így a megoldás 5! = 20. Általánosan: n db elemet n! -féleképpen lehet sorbaállítani úgy, hogy minden elemet pontosan egyszer használunk fel. Ismétléses permutációk száma Hányféle hétjegyű számot lehet előállítani az,, 3, 3, 3, 5, 5 számjegyekből, ha ezekből mindegyiket fel kell használni? Megoldás: Ezt a hét db számjegyet 7!-féleképpen állíthatjuk sorba, de ezekben egy eset 2! 3! 2!-szor ismétlődik. Így a megoldás: 7! 2! 3! 2! = 20. Általánosan: Ha n db elemből k, k 2,..., k r db azonos van (k + k k r = n), akkor ezek mindegyikének felhasználásával n! k k 2... k r különböző sorbaállítást kaphatunk. Ismétlés nélküli kombinációk száma Ötöslottón hányféle számötöst sorsolhatnak ki? Megoldás: Az első számot 90-féleképpen húzhatják, a következőt 89, majd 88 stb. az ötödiket 86-féleképpen húzhatják ki. Azonban így azokat az eseteket is beleszámoltuk, amikor ugyanazt a számötöst húzták, csak más sorrendben. Egy konkrét számötöst 5!-féleképpen húzhatnak ki, így a megoldás = ( ) 90 5! 5 = Általánosan: Ha n db különböző elemből k darabot (0 k n) kell kiválasztani úgy, hogy egy elemet maximum csak egyszer választhatjuk és a sorrend nem számít, akkor ezt ( n k) módon tehetjük meg. Ismétléses kombinációk száma 0 db postaládába akarunk elhelyezni 5 db egyforma szórólapot. Hányféleképpen tehetjük ezt meg? Megoldás: A gondolatmenet hosszú, itt csak a végeredményt közöljük: ( ) = = ( 24 5) = Általánosan: Ha n db különböző elemből k darabot kell kiválasztani úgy, hogy egy elemet többször is választhatjuk és a sorrend nem számít, akkor ezt ( ) n+k k módon tehetjük meg. 36

37 Ismétlés nélküli variációk száma Egy 8 fős brigádból 5 embert kell kiválasztani 5 különböző munkára. Hányféleképpen tehetjük ezt meg? (Feltesszük, hogy bármely munkára bárki kiválasztható.) Megoldás: Az első munkára 8 ember közül választhatunk, a másodikra 7 stb. az ötödikre 4 ember közül választhatunk. Így a megoldás: = ( 8 5) 5! = Általánosan: Ha n db különböző elemből k darabot (0 k n) kell kiválasztani úgy, hogy egy elemet maximum csak egyszer választhatjuk és a sorrend is számít, akkor ezt ( n k) k! módon tehetjük meg. Ismétléses variációk száma Egy TOTÓ-tipposzlopot hányféleképpen tölthetünk ki? Megoldás: 4 db meccsre kell tippelni, egyre 3-féleképpen (, 2, x). Így a megoldás 3 4 = Általánosan: Ha n db különböző elemből k darabot kell kiválasztani úgy, hogy egy elemet többször is választhatjuk és a sorrend számít, akkor ezt n k módon tehetjük meg. Visszatérve a klasszikus valószínűségi mezőhöz, számoljuk ki annak a valószínűségét, hogy a TOTÓ-ban tízes találatot érünk el egy tipposzloppal. Megoldás: Mint azt az előbb láttuk, Ω elemeinek a száma 3 4. Másrészt a tízes találat ( ) esetben következhet be, ugyanis a 0 találatot az első 3 mérkőzésből kell elérni, ami ( 3 0) 2 3 esetben lehetséges, és még a pótmérkőzésre 3-féleképpen tippelhetünk. Így a megoldás ( 3 0) , Geometriai valószínűségi mező Legyen Ω egy geometriai alakzat, melynek mértéke pozitív valós szám. Ha annak a valószínűsége, hogy egy Ω-ból kiválasztott pont egy A Ω halmazba esik, arányos az A mértékével, akkor geometriai valószínűségi mezőről beszélünk. (A halmaz mértéke a geometriai alakzattól függően hosszúságot, területet vagy térfogatot jelent.) Az egyes elemi események itt az Ω ponthalmaz egy-egy pontjának véletlenszerű kiválasztását jelentik, amelyeknek a valószínűsége külön-külön nulla, hiszen a pont 37

38 mértéke nulla. Ebből látható, hogy ha egy esemény valószínűsége nulla, abból nem következik, hogy a lehetetlen eseményről van szó. Ha egy geometriai valószínűségi mezőben az Ω mértéke m(ω) és az A esemény mértéke m(a), akkor P (A) = m(a) m(ω). Egységnyi hosszúságú szakaszon véletlenszerűen kiválasztunk két pontot. Mi a valószínűsége, hogy a két pont távolsága kisebb egy adott h < hosszú szakasznál? Megoldás: Tekintsük az egyik végpontját az egységnyi hosszúságú szakasznak. A választott P illetve P 2 pontoknak ettől a végponttól való távolsága legyen x illetve y. Ekkor x [0, ] és y [0, ] teljesül. Legyen Ω = [0, ] [0, ]. A feladatban leírt kísérletet úgy is modellezhetjük, hogy erre az eseménytérre, mely most egy egységnyi oldalhosszúságú négyzet, rádobunk egy geometriai pontot. A pontnak meg fog felelni egy rendezett számpár, a koordinátái. Az első koordináta legyen x, a második y. A kérdés az A := {(x, y) Ω : y x < h} esemény valószínűsége. Az ábrán láthatjuk az eseményteret, melyben a satírozott rész jelöli az A halmazt. Felírva az A és az Ω területeinek a hányadosát, kapjuk a kérdéses valószínűséget: P (A) = 2h h 2. Buffon féle tűprobléma: Egy vízszintes síklapon párhuzamos egyeneseket húzunk egymástól 2 egységnyi távolságra. Mi a valószínűsége, hogy egy egységnyi hosszúságú tűt ráejtve erre a lapra, az elmetszi valamelyik egyenest? Megoldás: Legyen y a tű középpontjának a távolsága a hozzá legközelebb eső egyenestől, x pedig a tű és az egyenes által bezárt szög mértéke radiánban. Így x [0, π 2 ] és y [0, ]. Legyen Ω = [0, π 2 ] [0, ]. Ekkor az előző feladathoz hasonlóan járhatunk el. Mivel adott x szögnél pontosan y 2 sin x teljesülése esetén metszi az egyenest a tű, ezért a kérdés az A := {(x, y) Ω : y 2 sin x} esemény valószínűsége. Az ábrán láthatjuk az eseményteret, melyben a satírozott rész jelöli az A halmazt. 38