Analízis II. harmadik, javított kiadás



Hasonló dokumentumok
Matematika A1a - Analízis elméleti kérdései

Határozott integrál. Newton -Leibniz szabály. alkalmazások. improprius integrál

Kalkulus II. Beugró kérdések és válaszok 2012/2013 as tanév II. félév

9. HATÁROZATLAN INTEGRÁL

Molnár Bence. 1.Tétel: Intervallumon értelmezett folytonos függvény értékkészlete intervallum. 0,ami ellentmondás uis. f (x n ) f (y n ) ε > 0

A Riemann-integrál intervallumon I.

f (ξ i ) (x i x i 1 )

ANALÍZIS II. TÉTELBIZONYÍTÁSOK ÍRÁSBELI VIZSGÁRA

1/1. Házi feladat. 1. Legyen p és q igaz vagy hamis matematikai kifejezés. Mutassuk meg, hogy

Laplace-transzformáció. Vajda István február 26.

VI. Deriválható függvények tulajdonságai

Lajk o K aroly Kalkulus II. Debreceni Egyetem Matematikai es Informatikai Int ezet

Gazdasági matematika I. tanmenet

Határozzuk meg, hogy a következő függvényeknek van-e és hol zérushelye, továbbá helyi szélsőértéke és abszolút szélsőértéke (

A fontosabb definíciók

GAZDASÁGI MATEMATIKA I.

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

Határozatlan integrál

I. feladatsor i i i i 5i i i 0 6 6i. 3 5i i

f(x) a (x x 0 )-t használjuk.

= n 2 = x 2 dx = 3c 2 ( 1 ( 4)). = π 13.1

KALKULUS INFORMATIKUSOKNAK I.

Analízis II. Analízis II. Beugrók. Készítette: Szánthó József. kiezafiu kukac gmail.com. 2009/ félév

Alapfogalmak, valós számok Sorozatok, határérték Függvények határértéke, folytonosság A differenciálszámítás Függvénydiszkusszió Otthoni munka

[f(x) = x] (d) B f(x) = x 2 ; g(x) =?; g(f(x)) = x 1 + x 4 [

BSc Analízis II. előadásjegyzet 2009/2010. tavaszi félév

ANALÍZIS II. DEFINÍCIÓK, TÉTELEK

Dierenciálhatóság. Wettl Ferenc el adása alapján és

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

5. Logaritmus. I. Nulladik ZH-ban láttuk: 125 -öt kapjunk. A 3 5 -nek a 3. hatványa 5, log. x Mennyi a log kifejezés értéke?

A Matematika I. előadás részletes tematikája

Debreceni Egyetem. Kalkulus II. Gselmann Eszter

Matematika A1a Analízis

Matematika A1a Analízis

Improprius integrálás

Gyökvonás. Hatvány, gyök, logaritmus áttekintés

f függvény bijektív, ha injektív és szürjektív is (azaz minden képhalmazbeli elemnek pontosan egy ısképe van)

1. feladat Oldja meg a valós számok halmazán a következő egyenletet: 3. x log3 2

Matematika A1a Analízis

FELVÉTELI VIZSGA, július 15.

BEVEZETÉS AZ ANALÍZISBE

7. HATÁROZATLAN INTEGRÁL. 7.1 Definíció és alapintegrálok

MATEMATIKA 2. dolgozat megoldása (A csoport)

6. Folytonosság. pontbeli folytonosság, intervallumon való folytonosság, folytonos függvények

a b a leghosszabb. A lapátlók által meghatározott háromszögben ezzel szemben lesz a

BEVEZETÉS AZ ANALÍZISBE

Többváltozós analízis gyakorlat

Boros Zoltán február

Komplex számok. A komplex számok algebrai alakja

1. Folytonosság. 1. (A) Igaz-e, hogy ha D(f) = R, f folytonos és periodikus, akkor f korlátos és van maximuma és minimuma?

Differenciálszámítás. 8. előadás. Farkas István. DE ATC Gazdaságelemzési és Statisztikai Tanszék. Differenciálszámítás p. 1/1

Differenciálszámítás. Lokális szélsőérték: Az f(x) függvénynek az x 0 helyen lokális szélsőértéke

12. Mikor nevezünk egy részhalmazt nyíltnak, illetve zártnak a valós számok körében?

Feladatok a levelező tagozat Gazdasági matematika I. tárgyához. Halmazelmélet

Alkalmazott matematika és módszerei I Tantárgy kódja

Analízis I. beugró vizsgakérdések

Improprius integrálás

GAZDASÁGMATEMATIKA KÖZÉPHALADÓ SZINTEN

Kalkulus I. gyakorlat Fizika BSc I/1.

Valós függvények tulajdonságai és határérték-számítása

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

5.1. A határozatlan integrál fogalma

Egy látószög - feladat

Egyváltozós függvények 1.

A sorozat fogalma. függvényeket sorozatoknak nevezzük. Amennyiben az értékkészlet. az értékkészlet a komplex számok halmaza, akkor komplex

Határozatlan integrál

Függvény differenciálás összefoglalás

Els gyakorlat. vagy más jelöléssel

Ellenőrző kérdések a Matematika I. tantárgy elméleti részéhez, 2. rész

BEVEZETÉS AZ ANALÍZISBE

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

4. Hatványozás, gyökvonás

n n (n n ), lim ln(2 + 3e x ) x 3 + 2x 2e x e x + 1, sin x 1 cos x, lim e x2 1 + x 2 lim sin x 1 )

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit. (Derivált)

2014/2015-ös tanév II. féléves tematika

Analízis jegyzet. Sikolya Eszter ELTE TTK Alkalmazott Analízis és Számításmatematikai Tanszék augusztus 31.

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

2. hét (Ea: ): Az egyváltozós valós függvény definíciója, képe. Nevezetes tulajdonságok: monotonitás, korlátosság, határérték, folytonosság.

2010/2011 es tanév II. féléves tematika

Dierenciálhányados, derivált

Numerikus módszerek 2.

Heves Megyei Középiskolák Palotás József és Kertész Andor Matematikai Emlékversenye évfolyam (a feladatok megoldása)

GAZDASÁGI MATEMATIKA I.

2. Hogyan számíthatjuk ki két komplex szám szorzatát, ha azok a+bi alakban, illetve trigonometrikus alakban vannak megadva?

Matematika I. NÉV:... FELADATOK:

Integrálszámítás. a Matematika A1a-Analízis nevű tárgyhoz november

A L Hospital-szabály, elaszticitás, monotonitás, konvexitás

Differenciál - és integrálszámítás. (Kreditszám: 7) Tantárgyfelelős: Dr. Losonczi László egyetemi tanár. Meghirdető tanszék: Analízis Tanszék

Analízis házi feladatok

GAZDASÁGI MATEMATIKA I.

(anyagmérnök nappali BSc + felsőf. szakk.) Oktatók: Dr. Varga Péter ETF (előtan. feltétel): ---

Elemi függvények. Matematika 1. előadás. ELTE TTK Földtudomány BSc, Környezettan BSc, Környezettan tanár 3. előadás. Csomós Petra

Fourier sorok február 19.

Elemi függvények. Matematika 1. előadás. ELTE TTK Földtudomány BSc, Környezettan BSc, Környezettan tanár október 4.

KIEGÉSZÍTÉS A VONALINTEGRÁLHOZ

Az integrálszámítás néhány alkalmazása

2 (j) f(x) dx = 1 arcsin(3x 2) + C. (d) A x + Bx + C 5x (2x 2 + 7) + Hx + I. 2 2x F x + G. x

Exponenciális és logaritmikus egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlôtlenségek

GAZDASÁGMATEMATIKA KÖZÉPHALADÓ SZINTEN

Átírás:

Ljkó Károly Anlízis II. hrmdik, jvított kidás Debreceni Egyetem Mtemtiki és Informtiki Intézet 2003

c Ljkó Károly ljko @ mth.klte.hu Amennyiben hibát tlál jegyzetben, kérjük jelezze szerzőnek! A jegyzet dvi, pdf és ps formátumbn letölthető következő címről: http://riesz.mth.klte.hu/ ljko/jegyzet.html Ez jegyzet AMS-TEX-ben készült Szedés és tördelés: Kovács László 2

TARTALOMJEGYZÉK I. Differenciálszámítás............................................. 5.. Vlós függvények differenciálhánydos......................... 5. 2. Differenciálhtóság és folytonosság............................. 6. 3. Differenciálhtóság és lineáris pproximálhtóság............... 6. 4. Differenciálhtóság és műveletek............................... 7. 5. Htványsorok differenciálhtóság.............................. 6. Elemi függvények differenciálhtóság......................... 2. 7. A sin és cos függvény további tuljdonsági.................... 3. 8. További elemi függvények......................................5. 9. Mgsbbrendű deriváltk..................................... 6. 0. Differenciálhtó függvények vizsgált........................ 7.. feldtsor........................................................27. II. Integrálszámítás................................................ 33.. Primitív függvény, htároztln integrál........................33. 2. A Riemnn-integrálhtóság foglm............................36. 3. A Drboux-tétel és következményei............................ 39. 4. A Riemnn-integrálhtóság kritériumi és elegendő feltételei.... 42. 5. Középiskoli vontkozások, példák............................. 47. 6. A Riemnn-integrál műveletei tuljdonsági....................48. 7. Egyenlőtlenségek, középértéktételek Riemnn-integrálr........ 50. 8. Az integrál, mint felső htár függvénye....................... 52. 9. A Newton-Leibniz formul..................................... 54. 0. Prciális és helyettesítéses Riemnn-integálok................. 55.. Függvénysoroztok és függvénysorok tgonkénti integrálhtóság és differenciálhtóság....................... 56. 2. Improprius Riemnn-integrál................................. 58. 2. feldtsor........................................................62. 3

III. A Riemnn-integrál áltlánosítás és lklmzás......... 69.. Korlátos változású függvények................................. 69. 2. Riemnn-Stieltjes integrál..................................... 72. 3. Görbék ívhossz............................................... 80. 4. Görbementi integrál........................................... 84. 3. feldtsor........................................................87. 4

I. DIFFERENCIÁLSZÁMÍTÁS. Vlós függvények differenciálhánydos. Definíció. Legyen, b egy nyílt vgy zárt intervllum, f :, b R vlós függvény. A () ϕ(x, x 0 ) = f(x) f(x 0) (x x 0, x, x 0, b ) x x 0 áltl definiált ϕ függvényt z f függvény x, x 0 -hoz trtozó differencihánydos függvényének nevezzük. Geometriilg: iránytngens. 2. Definíció. Az f :, b R függvény differenciálhtó z x 0, b pontbn, h létezik (2) lim x x 0 f(x) f(x 0 ) x x 0 = f (x 0 ) (véges) htárérték. Ezt z f (x 0 )-ll jelölt htárértéket z f függvény x 0 -beli differenciálhánydosánk nevezzük. 3. Definíció. H f z, b minden pontjábn differenciálhtó, kkor zt mondjuk, hogy differenciálhtó, b -n. A (2) szerint definiált f :, b R függvényt z f függvény differenciálhánydos függvényének nevezzük. Megjegyzések:. A differenciálhtóság definiálhtó f : D R típusú függvényekre is, hol D R nyílt hlmz (vgy tetszőleges és x 0 belső pontj vgy torlódási pontj). f(x 0 + h) f(x 0 ) df 2. Más jelölések: lim,. h 0 h dx x=x0 3. Geometrii interpretáció: Definíció. H z f :, b R függvény differenciálhtó z x 0 pontbn, kkor z (3) y = f (x 0 ) (x x 0 ) + f(x 0 ) (x R) 5

egyenest z f függvény (x 0, f(x 0 ))-beli érintőjének nevezzük. (f (x 0 ) így z (x 0, f(x 0 )) pontbeli érintő iránytngense.) 4. Egyoldli differenciálhánydos is értelmezhető, h (2)-ben jobb-, illetve bloldli htárértéket tekintünk. (Jelölés: f +(x 0 ), f (x 0 ).) Továbbá bizonyíthtó, hogy f kkor és cskis kkor differenciálhtó x 0 (, b)- ben, h létezik f +(x 0 ), f (x 0 ) és egyenlőek. 5. f(x) = x (x R) nem differenciálhtó x 0 = 0-bn. 6. Fiziki jelentés: átlgsebesség, pillntnyi sebesség, gyorsulás. 7. Példák: f : R R, f(x) = c = f : R R, f (x) = 0; f : R R, f(x) = x = f : R R, f (x) = ; f : R R, f(x) = x n = f : R R, f (x) = n x n (n N). 2. Differenciálhtóság és folytonosság Tétel. H z f :, b R függvény differenciálhtó z x 0, b pontbn, kkor folytonos is x 0 -bn. Bizonyítás. x 0 torlódási pontj, b -nek, így elegendő megmuttni, hogy lim f(x) és = f(x 0 ). x x 0 lim (f(x) f(x 0 )) = lim x x 0 x x 0 [ ] f(x) f(x0 ) (x x 0 ) = x x 0 f(x) f(x 0 ) = lim lim (x x 0 ) = f (x 0 ) 0 = 0 x x 0 x x 0 x x 0 igz, mi dj, hogy lim x x 0 f(x) = f(x 0 ) és ezt kellett bizonyítni. 3. Differenciálhtóság és lineáris pproximálhtóság Definíció. Az f :, b R függvényt lineárisn pproximálhtónk mondjuk z x 0, b pontbn, h létezik olyn A R konstns és 6

ω :, b R függvény, hogy lim x x 0 ω(x) = ω(x 0 ) = 0 és (L) f(x) f(x 0 ) = A (x x 0 ) + ω(x) (x x 0 ) (x, b ) teljesül. Tétel. Az f :, b R függvény kkor, és cskis kkor differenciálhtó z x 0, b pontbn, h lineárisn pproximálhtó. Továbbá A = f (x 0 ). Bizonyítás. ) ( ) H f differenciálhtó x 0 -bn, kkor legyen ω(x) =. f(x) f(x 0 ) f (x 0 ), x, b \{x 0 } x x 0 0, x = x 0. Nyilvánvló, hogy lim x x 0 ω(x) = ω(x 0 ) = 0 és A = f (x 0 )-ll kpjuk (L)-t is, zz f lineárisn pproximálhtó. b) ( ) H f lineárisn pproximálhtó x 0 -bn, kkor (L)-ből jön, hogy f(x) f(x 0 ) x x 0 = A + ω(x) (x, b \{x 0 }) így lim ω(x) = 0 dj f differenciálhtóságát és hogy f (x 0 ) = A is x x 0 teljesül. 4. Differenciálhtóság és műveletek. Tétel. H z f, g :, b R függvények differenciálhtók z is diffe- x 0, b -ben, kkor z f + g, f g és g(x 0 ) 0 esetén z f g renciálhtók x 0 -bn és ) (f + g) (x 0 ) = f (x 0 ) + g (x 0 ); b) (f g) (x 0 ) = f (x 0 ) g(x 0 ) + f(x 0 ) g (x 0 ); c) ( ) f (x 0 ) = f (x 0 ) g(x 0 ) f(x 0 ) g (x 0 ) g g 2. (x 0 ) 7

Bizonyítás. ) Az állítás z (f + g)(x) (f + g)(x 0 ) x x 0 = f(x) f(x 0) x x 0 + g(x) g(x 0) x x 0 egyenlőségből, f (x 0 ) és g (x 0 ) létezése mitt, z x x 0 htárátmenettel következik. b) Az (f g)(x) (f g)(x 0 ) x x 0 = f(x) f(x 0) x x 0 g(x) + f(x 0 ) g(x) g(x 0) x x 0 egyenlőség, f (x 0 ) és g (x 0 ) létezése htárátmenettel dj z állítást. (Felhsználjuk zt is, hogy g folytonos x 0 -bn.) c) A bizonyítás hsonló z előbbiekhez. Következmények:. H f :, b R differenciálhtó x 0 -bn, c R, kkor c f is differenciálhtó, és (cf) (x 0 ) = c f (x 0 ). 2. H f, g :, b R differenciálhtók x 0 -bn, kkor f g is, és (f g) (x 0 ) = f (x 0 ) g (x 0 ). 3. H f :, b R olyn, hogy f(x 0 ) 0, és f (x 0 ), kkor ( ) (x 0 ) = f (x 0 ) f f 2 (x 0 ). 4. H z f i :, b R (i =,..., n) függvények differenciálhtók x 0, b -ben, λ i R (i =,..., n), kkor n λ i f i is differenciálhtó x 0 -bn, és ( n ) λ i f i (x 0 ) = i= i= n λ i f i(x 0 ). 5. Az f : R R, f(x) = n k x k ( k R) függvény differenciálhtó, és k=0 f (x) = i= n k k x k. k= 8

6. Az f : R R, f(x) = P n(x) (P n (x), Q m (x) polinom függvények és Q m (x) Q m (x) 0) differenciálhtó függvény. 2. Tétel (z összetett függvény differenciálhtóság). Legyenek g : c, d R, f :, b = g[ c, d ] R olyn függvények, hogy g differenciálhtó z x 0 c, d -ben, f differenciálhtó z y 0 = g(x 0 ), b - ben. Akkor z F = f g függvény is differenciálhtó x 0 -bn és (ÖD) F (x 0 ) = (f g) (x 0 ) = f (g(x 0 )) g (x 0 ). Bizonyítás. Megmuttjuk, hogy f g lineárisn pproximálhtó x 0 -bn. g (x 0 ) = g lineárisn pproximálhtó = ω : c, d R, hogy lim x x 0 ω (x) = ω (x 0 ) = 0 és (L ) g(x) g(x 0 ) = g (x 0 ) (x x 0 ) + ω (x) (x x 0 ) (x c, d ). f (y 0 ) = f (g(x 0 )) = f lineárisn pproximálhtó = ω 2 :, b R, hogy lim y y 0 ω 2 (y) = ω 2 (y 0 ) = 0 és (L 2 ) f(y) f(y 0 ) = f (y 0 ) (y y 0 ) + ω 2 (y) (y y 0 ) (y, b ). H x c, d -re y. = g(x), kkor (L ) és (L 2 ) dj, hogy F (x) F (x 0 ) = f(g(x)) f(g(x 0 )) = = [f (g(x 0 )) + ω 2 (y)] [g (x 0 ) + ω (x)](x x 0 ) = = f (g(x 0 )) g (x 0 )(x x 0 ) + [f (g(x 0 )) ω (x)+ + ω 2 (g(x)) (g (x 0 ) + ω (x))](x x 0 ). ω(x) =. { f (g(x 0 ))ω (x) + ω 2 (g(x))[g (x 0 ) + ω (x)], (x c, d \{x 0 }) 0, x = x 0 válsztássl ( lim ω (x) = 0, lim ω 2 (g(x)) = 0 mitt) kpjuk, hogy x x 0 x x 0 lim ω(x) = ω(x 0 ) = 0 és A = f (g(x 0 ))g (x 0 ) mellett x x 0 F (x) F (x 0 ) = A (x x 0 ) + ω(x) (x x 0 ) mi F lineáris pproximálhtóságát jelenti x 0 -bn. Így F = f g differenciálhtó x 0-bn és teljesül (ÖD). (x c, d ), 3. Tétel (z inverz függvény differenciálhtóság). H f :, b R szigorún monoton, folytonos, b -n és x 0, b -ben f (x 0 ) 0, kkor 9

f differenciálhtó f(x 0 )-bn és (ID) (f ) (f(x 0 )) = f (x 0 ), illetve (f ) (y 0 ) = f (f (y 0 )) (y 0 = f(x 0 )). Bizonyítás. Megmuttjuk, hogy f (mi nyilván létezik f szigorú monotonitás mitt) lineárisn pproximálhtó f(x 0 ) = y 0 -bn. f (x 0 ) = f lineárisn pproximálhtó = ω :, b R, hogy lim x x 0 ω (x) = ω (x 0 ) és (L) f(x) f(x 0 ) = [f (x 0 ) + ω (x)] (x x 0 ) (x, b ). f szigorún monoton, így f(x) f(x 0 ), h x x 0 = f (x 0 ) + ω (x) 0 (x x 0 ), így (L)-ből ( ) x x 0 = f(x) f(x 0) f (x 0 ) + ω (x) (x, b \{x 0 }) következik. f folytonos = ( Bolzno-tétel mitt) f[, b ] = c, d R és így f : c, d, b, mi (f szigorú monotonitás mitt) dj, hogy y c, d -re pontosn egy x, b, hogy f(x) = y, illetve x = f (y). Továbbá h y 0 = f(x 0 ), ill. x 0 = f (y 0 ), úgy y y 0 dj, hogy x x 0. Mindezek lpján ( )-ból kpjuk, hogy ( ) f (y) f (y 0 ) = f (x 0 ) + ω (f (y)) (y y 0) következik, h y c, d \{y 0 }. H most ω 2 (y) =. f (x 0 ) + ω (f (y)) f (x 0 ), (y y 0) 0, (y = y 0 ) kkor egyrészt f folytonosság mitt lim ω 2 (y) = ω 2 (y 0 ) = 0, másrészt ( )-ból kpjuk, y y 0 hogy [ f (y) f (y 0 ) = f (x 0 ) + ω 2(y) 0 ] (y y 0 ) ( y c, d ),

melyek éppen f lineáris pproximálhtóságát jelentik f(x 0 ) = y 0 -bn. Így f differenciálhtó f(x 0 )-bn és (ID) teljesül. 5. Htványsorok differenciálhtóság Tétel. Legyen n x n htványsor konvergenci sugr ϱ, kkor z n=0 () f(x) =. n x n, x ( ϱ, ϱ) n=0 szerint definiált f : ( ϱ, ϱ) R függvény differenciálhtó és (2) f (x) = n n x n, x ( ϱ, ϱ) teljesül. n= n= Bizonyítás. ) A n n x n htványsor konvergenci sugr is ϱ, mert sor konvergenci trtományábn n= n n x n = x n n x n n= n= teljesül, így n n x n htványsor konvergenci sugrát kell meghtározni, melyre ϱ = lim n n n = lim n n n n = lim n n = ϱ. b) () differenciálhtó és (2) teljesül. Ehhez elég megmuttni, hogy [ ] f(x) f(x0 ) lim f (x 0 ) = 0 x 0 ( ϱ, ϱ). x x 0 x x 0 Felhsználv z () és (2) htványsorok bszolút konvergenciáját x, x 0 ( ϱ, ϱ) esetén és hogy r > 0, mire x 0 < r < ϱ, így x < r esetén: f(x) f(x 0 ) f (x 0 ) x x 0 =

n x n n x n 0 = n=0 n=0 n n x n 0 x x 0 = n= [ x n x n ] 0 = n nx n 0 x x n= 0 = = n [x n + x n 2 x 0 + x n 3 x 2 0 + + xx0 n 2 + x n 0 nx n ] 0 n= n x n x n 0 + x 0 (x n 2 x0 n 2 ) + + x n 0 ( ) = n= n = n x x 0 k x n k x k 0 n= k= n n x x 0 r n 2 n(n ) k = x x 0 n r n 2 = 2 n= k= = s x x 0 2 hol s n n(n ) r n 2 (egyébként konvergens) sor összege. n=, n= s Ebből lim x x 0 2 x x 0 = 0 mitt jön z állítás. 6. Elemi függvények differenciálhtóság. Tétel. Az exp, sin, cos, sh, ch függvények differenciálhtók és exp = exp, sin = cos, cos = sin, sh = ch, ch = sh. Bizonyítás. A htványsorok differenciálhtósági tétele dj differenciálhtóságot és derivált függvényeket is ( számolás egyszerű). 2

2. Tétel. Az exp, log, ln, x µ függvények differenciálhtók és ) exp (x) = exp (x) ln (x R) ; b) log (x) = x ln (x R + ) ; c) ln (x) = x (x R + ) ; d) (x µ ) = µ x µ (x R + ). Bizonyítás. ) Az exp (x) =. exp(x ln ) definíció, exp (y) = exp(y) és (x ln ) = ln, vlmint z összetett függvény differenciálhtóságár vontkozó tétel dj z állítást.. b) A log = exp definíció, z exp függvény differenciálhtóság, szigorú monotonitás, z inverz függvény differenciálhtósági tétele lpján: log (x) = exp [log (x)] = exp [log (x)] ln = x ln c) = e = log e = ln e = = ln (x) = x. d) Az x µ. = exp(µ ln x) definíció és z összetett függvény differenciálhtóságár vontkozó tétel lpján (x µ ) = [exp(µ ln x)] = exp(µ ln x) µ x = xµ x µ = µ xµ. 7. A sin és cos függvény további tuljdonsági. Tétel. sin 2 (x) + cos 2 (x) = (x R) ; Bizonyítás. Gykorlton. sin(x), cos(x) (x R). 2. Tétel. ( ) ( ) x + y x y cos(x) cos(y) = 2 sin sin 2 2 ( x, y R) ; 3

( ) ( ) x + y x y sin(x) sin(y) = 2 cos sin 2 2 ( x, y R). Bizonyítás. Egyszerű z ddíciós tételek lpján. 3. Tétel. A [0, 2] intervllumbn egyetlen x szám vn,melyre cos(x) = 0. Bizonyítás. A cos függvény szigorún monoton csökkenő [0, 2]-ben: Legyen ugynis x < x 2 (x, x 2 [0, 2]), kkor 2. Tétel mitt ( ) ( ) x + x 2 x x 2 ( ) cos(x ) cos(x 2 ) = 2 sin sin = 2 2 ( ) ( ) x + x 2 x2 x = 2 sin sin, 2 2 másrészt ) ( ) sin(x) = x ( x3 3! + x5 5! + = x )+ ( x2 x5 x2 + > 0 2 3 5! 6 7 h 0 < x < 6. Mivel pedig x < x 2 ; x, x 2 [0, 2] = x + x 2, x 2 x (0, 6), így 2 2 ( ) és ( ) mitt cos(x ) cos(x 2 ) > 0 = cos(x ) > cos(x 2 ), mi dj cos függvény monoton csökkenését [0, 2]-n. A cos függvény folytonos, cos(0) = és mert cos(2) = 22 2! + 24 4! 26 6! + 28 8! < 22 2! + 24 4! = 3, 22k 2k! + 22k+ (2k + )! < 0, így Bolzno tétele mitt x [0, 2], hogy cos(x) = 0 és szigorú monotonitás mitt csk egy ilyen x vn. Definíció. Jelöljük π-vel (pi-vel) zt vlós számot, melyre 0 < π 2 < 2 és cos π 2 = 0. 4

4. Tétel. sin π =, cos π =, sin π = 0, sin 2π = 0, cos 2π = ; 2 sin(x + 2π) = sin(x), cos(x + 2π) = cos(x) (x R). Bizonyítás. Gykorlton (pl. sin 2 π 2 + cos2 π 2 = = sin π 2 = ). 5. Tétel. A sin és cos függvény növekvő, illetve csökkenő illetve [0, π] intervllumokon. Bizonyítás. Gykorlton. [ π 2, π ], 2 ) A tg és ctg függvények. A 8. További elemi függvények tg : R\{(k + )π, k Z} R, 2 tg(x). = sin(x) cos(x) ; ctg : R\{k π, k Z} R, ctg(x) =. cos(x) sin(x) szerint definiált függvényeket tngens, ill. cotngens függvényeknek nevezzük. Legfontosbb tuljdonságikt gykorlton vizsgáljuk. b) Az rcus függvények. [ Az f : π 2, π ] R, f(x) = sin(x) folytonos és szigorún monoton növekedő függvény inverzét rcsin (rkusz-szinusz) függvénynek 2 nevezzük. Ez folytonos, [ szigorún monoton növekedő és rcsin : [, ] π 2, π ]. 2 A g : [0, π] R, g(x) = cos(x) folytonos és szigorún monoton csökkenő függvény inverze z rccos (rkusz-koszinusz) függvény, mely folytonos, szigorún monoton csökkenő és rccos : ([, ] [0, π]. Az F : π 2, π ) R, F (x) = tg(x) folytonos és szigorún monoton növekedő függvény inverzét rctg (rkusz-tngens) függvénynek 2 nevezzük. Ez( folytonos, szigorún monoton növekedő és rctg : R π 2, π ). 2 5

A G : (0, π) R, G(x) = ctg(x) folytonos és szigorún monoton csökkenő függvény inverzét rcctg (rkusz-cotngens) függvénynek nevezzük. Ez folytonos, szigorún monoton csökkenő és rcctg : R (0, π). Tétel. A tg, ctg, rcsin, rccos, rctg, rcctg függvények differenciálhtók és tg (x) = cos 2 (x), ctg (x) = sin 2 (x), rcsin (x) = (x ±), rccos (x) = x 2 x 2 rctg (x) = + x 2, rcctg (x) = + x 2. (x ±), c) Értelmezhetők th =. sh ch, cth =. ch tngens-hiperbolikusz és cotngenshiperbolikusz függvények, és vizsgálhtók sh tuljdonságik. d) sh, ch, th, cth inverzeiként értelmezzük z rsh, rch, rth, rcth refüggvényeket és vizsgálhtjuk tuljdonságikt. Megjegyzés: A th, cth és z re függvények differenciálási szbály is egyszerűen bizonyíthtó (lásd gykorlton). 9. Mgsbbrendű deriváltk Definíció. Legyen f :, b R dott függvény. f 0-dik deriváltj: f (0). = f. H n N és f (n ) :, b R értelmezett és differenciálhtó függvény, kkor f n-edik deriváltj z f (n) = ( f (n )) függvény. H n N-re f (n), kkor zt mondjuk, hogy f kárhányszor differenciálhtó.. Tétel. H f, g :, b R n-szer differenciálhtó, kkor c f, f +g, f g 6

is n-szer differenciálhtó és x, b esetén (c f) (n) (x) = c f (n) (x) ; (f + g) (n) (x) = f (n) (x) + g (n) (x) ; n ( ) n (f g) (n) (x) = f (i) (x) g (n i) (x) i i=0 Bizonyítás. Teljes indukcióvl egyszerű. (Leibniz-szbály). 2. Tétel. Az f(x) =. k x k (x ( ϱ, ϱ)) htványsor összegfüggvénye k=0 kárhányszor differenciálhtó és f (n) (x) = k (k )... (k n + ) k x k n k=n (x ( ϱ, ϱ)), továbbá n = f (n) (0) (n = 0,,... ). n! Bizonyítás. A htványsorok differenciálhtósági tétele lpján, teljes indukcióvl, illetve x = 0 helyettesítéssel egyszerű. 0. Differenciálhtó függvények vizsgált ) A lokális szélsőérték szükséges feltétele. Tétel. Legyen f :, b R. H f-nek z x 0 (, b)-ben lokális mximum (minimum) vn és f (x 0 ), kkor f (x 0 ) = 0. Bizonyítás. H például f-nek x 0 -bn lokális minimum vn, kkor K(x 0, δ) (, b), hogy f(x) f(x 0 ) 0 (x K(x 0, δ)), így { f(x) f(x 0 ) 0, h x0 δ < x < x 0 = x x 0 0, h x 0 < x < x 0 + δ. Ezért f (x 0 ) = f (x 0 ) = f +(x 0 ) = f(x) f(x 0 ) lim 0 x x 0 0 x x 0 lim x x 0 +0 = f (x 0 ) = 0. f(x) f(x 0 ) 0 x x 0 7

Megjegyzés: A feltétel áltlábn nem elégséges, hogy ezt például z f(x) = x 3 (x R) függvény z x 0 = 0-bn muttj. b) Középértéktételek Tétel (Cuchy). H z f, g : [, b] R függvények folytonosk [, b]-n, differenciálhtók (, b)-n, kkor x (, b), hogy (C K) [f(b) f()] g (x) = [g(b) g()] f (x). Bizonyítás. A h : [, b] R, h(t). = [f(b) f()] g(t) [g(b) g()] f(t) függvény folytonos [, b]-n, differenciálhtó (, b)-n, h() = h(b). h felveszi [, b]-n szélsőértékeit, így u, v [, b], hogy h(v) h(x) h(u) (x [, b]). {u, v} = {, b} esetén h() = h(b) és z előbbi egyenlőtlenség dj, hogy h(x) = c, és így h (x) = 0 (x [, b]). Ez pedig h differenciálásávl dj z állítást. H {u, v} = {, b}, kkor u vgy v (, b) = h (u) = 0 vgy h (v) = 0, mi x = u vgy x = v mellett h differenciálásávl dj z állítást. Következmények:. Tétel (Lgrnge). Legyen f : [, b] R folytonos [, b]-n, differenciálhtó (, b)-n, kkor x (, b), hogy (L K) f(b) f() = f (x)(b ). Bizonyítás. Következik (C-K)-ból g(x) = x válsztássl. 2. Tétel (Rolle). Legyen f : [, b] R folytonos [, b]-n, differenciálhtó (, b)-n, f() = f(b), kkor x (, b), hogy f (x) = 0. Bizonyítás. Következik (L-K)-ból f() = f(b) mitt. 3. Tétel. H g (x) 0 (x (, b)) = g(b) g() (hiszen egyébként (C-K) mitt x (, b), g (x) = 0), ekkor (C-K) írhtó z f (x) f(b) f() g = (x) g(b) g() lkbn. 8

4. Tétel ( monotonitás elegendő feltétele). H f :, b R differenciálhtó, kkor ) f 0 = f monoton növekedő; b) f 0 = f monoton csökkenő; c) f = 0 = f = c, zz konstns. Bizonyítás. A Lgrnge-tétel segítségével. Legyen x, x 2, b tetszőleges. Az f [x, x 2 ]-re vló leszűkítése teljesíti Lgrnge-tétel feltételeit, így x (x, x 2 ), hogy így bármely fenti x, x 2 -re f(x 2 ) f(x ) = (x 2 x ) f (x), ) f 0 = f(x 2 ) f(x ) = f monoton növekedő; b) f 0 = f(x 2 ) f(x ) = f monoton csökkenő; c) f = 0 = f(x 2 ) = f(x ) = f = c, zz konstns. 5. Tétel ( monotonitás szükséges és elegendő feltétele). Legyen f :, b R differenciálhtó függvény, kkor ) f monoton növekvő (csökkenő), b -n, h f 0 (f 0); b) f szigorún monoton növekvő (csökkenő), b -n, h f 0 (f 0) és c, d, b, hogy f (x) = 0 (x c, d ). Bizonyítás. ) Az elégségesség jön 4. tételből. A szükségességhez legyen például f növekvő és x, b teszőleges, h olyn, hogy x + h, b, kkor f(x + h) f(x) 0 = f 0. h b) Elégségesség: H például f 0, kkor ) mitt f növekvő. Tegyük fel, hogy nem szigorún monoton növekvő, kkor x, y, b, x < y, hogy f(x) = f(y), de kkor (f monotonitás mitt) f(t) = c, h t [x, y], b, mi ellentmondás. Szükségesség: H például f szigorún monoton növekvő kkor ) mitt f 0. H c, d, b, hogy f (x) = 0 (x c, d ), kkor f(x) = const (x c, d ), így f nem szigorún monoton növekvő, mi ellentmondás. 9

6. Tétel ( szélsőérték egy elégséges feltétele). Legyen f : (x 0 r, x 0 + r) R differenciálhtó függvény és f (x) = 0. H ) f (x) 0 (x (x 0 r, x 0 )), f (x) 0 (x (x 0, x 0 + r)), kkor f-nek x 0 -bn lokális mximum vn; b) f (x) 0 (x (x 0 r, x 0 )), f (x) 0 (x (x 0, x 0 + r)), kkor f-nek x 0 -bn lokális minimum vn. Bizonyítás. Az 5. Tétel mitt f növekedő (illetve csökkenő) z (x 0 r, x 0 ] (illetve [x 0, x 0 + r)) intervllumokon, így x 0 -bn mximum vn. A minimum hsonlón bizonyíthtó. c) Tylor-sorok, Tylor-polinom Definíció. Legyen z f : (p, q) R függvény kárhányszor differenciálhtó. A f (k) () (TS) (x ) k (x, (p, q)) k! k=0 htványsort z f függvény -hoz trtozó Tylor-soránk, míg n-edik részletösszegét, n f (k) () (TP) T n (x) = (x ) k (x, (p, q)) k! k=0 polinomot z f függvény -hoz trtozó Tylor-polinomjánk nevezzük. H 0 (p, q), kkor z = 0-hoz trtozó Tylor-sort f McLurin-soránk nevezzük. Megjegyzések:. Minden konvergens htványsor összegfüggvényének Tylor-sor (lásd: exp, sin,... ) 2. Fontos kérdés: Mikor állíthtó elő egy függvény Tylor-sorávl? Tétel (Tylor). Legyen f : K(, r) R R, n N és f (n), kkor x K(, r) esetén ξ(x) K(, r)\{}, hogy (T) f(x) = T n (x) + f (n) (ξ(x)) n! 20 (x ) n (x K(, r)).

Bizonyítás. Nyilvánvló, hogy x K(, r) esetén M(x) R (és így egy M : K(, r) R függvény), hogy (x )n (T*) f(x) = T n (x) + M(x) (x K(, r)). n! Elegendő megmuttni, hogy ξ(x) K(, r)\{}, hogy (M) M(x) = f (n) (ξ(x)) Ehhez tekintsük zt g : K(, r) R függvényt, melyre [ g(t) = f(x) f(t) + f (t)(x t) + + + f (n ) ] (t) (n )! (x (x t)n t)n + M(x) n! g következő tuljdonsági nyilvánvlók: g(x) = 0, g() = 0 (lásd (T*) is!), g folytonos [, x] vgy [x, ]-bn, g differenciálhtó (, x) vgy (x, )-bn. Így teljesülnek Rolle-tétel feltételei, mi dj, hogy ξ(x) (, x) vgy (x, ), hogy g (ξ(x)) = f (n) (ξ(x)) (x ξ(x)) n (x ξ(x))n + M(x) = 0. (n )! (n )! Ez pedig dj (M)-et, és kkor (T*) (T)-t. Megjegyzések:. n = -re Tylor-tétel Lgrnge-tétel. 2. Az R n (x) = f (n) (ξ(x)) (x ) n (x K(, r)) n! szerint definiált R n függvény Tylor-formul Lgrnge-féle mrdéktgj. 3. H M, hogy x K(, r), n N esetén f (n) (x) M, kkor lim R n(x) = 0, ezért n f (k) () f(x) = (x ) k (x K(, r)), k! k=0 2

így z f függvény Tylor-soránk összege. 4. Az exp ( x ) f(x) = 2, x 0 0, x = 0 függvényre f (n) (0) = 0 (n N), így z f függvény 0-hoz trtozó Tylor-soránk összege 0 függvény, mi nyilván f. 5. A Tylor-tétel lpján becsülhető f és T n eltérése, például: ( ) sin(x) x x3 3! + + x 2n ( )n = (2n )! sin (2n) (ξ) = x 2n x 2n (2n)! (2n)!. 6. Az ln( + x) = f(x) (x (, )) függvényre például ln(+x) = x x2 2 + x3 xn +( )(n ) 3 n +( )n xn+ ( + ξ) n+ n +, miből x = válsztássl és htárátmenettel ln 2 = 2 + 3 + ( )n n +, hol jobboldl z ismert Leibniz-féle sor. d) A szélsőérték áltlános feltétele Tétel. H f : K(, r) R (k )-szer differenciálhtó (k 2), f () = = f (k ) () = 0 és f (k) () 0, kkor ) h k pártln, úgy f() nem szélsőérték; b) h k páros, úgy f() szélsőérték, hogy f (k) () > 0 esetén f() szigorú lokális minimum, f (k) () < 0 esetén f() szigorú lokális mximum. 22

Bizonyítás. A Tylor-tételt n = k mellett, f () = = f (k 2) () = 0 felhsználásávl felírv f(x) f() = f (k ) (ξ(x)) (k )! (x ) (k ) (x K(, r), ξ(x) (, x) vgy (x, )) következik. Ugynkkor például f (k) () > 0 jeltrtási tétel mitt dj, hogy K(, δ) K(, r), hogy f (k ) (x) f (k ) () x > 0, ill. f (k ) (x) x > 0 (x K(, δ)). Ugynígy f (k) () < 0-r pedig f (k ) (x) < 0 (x K(, δ)) következik. x Az előbbieket felhsználv: ) H k pártln, kkor K(, δ)-n sign[f(x) f()] = sign f (k ) (ξ(x)) x nem állndó = f() nem szélsőérték. b) H k páros, úgy és így sign[f(x) f()] = sign f (k ) (ξ(x)) x sign(x ) k f(x) f() > 0 (< 0), h f (k) > 0 (< 0) K(, δ)-n, mi dj ekkor is z állítást. e) Konvex függvények. Definíció. Az f :, b R függvény konvex (konkáv), b -n, h x, x 2, b és p, q [0, ], p + q = esetén (K) f(p x + q x 2 ) p f(x ) + q f(x 2 ) (illetve (K)-bn ) teljesül. szigorú egyenlőtlenség vn. f szigorún konvex (konkáv), h (K)-bn 23

Megjegyzés: H (K)-bn q =. x x, p =. x 2 x (x (x, x 2 )), kkor x 2 x x 2 x p, q [0, ], p + q =, px + qx 2 = x, így () f(x) f(x 2) f(x ) x 2 x (x x ) + f(x ) (x (x, x 2 )), vgy (2) f(x) f(x 2) f(x ) x 2 x (x x 2 ) + f(x 2 ) (x (x, x 2 )) következik. Ez zt jelenti, hogy f gráfjánk pontji z (x, f(x )) és (x 2, f(x 2 )) pontokon áthldó szelő ltt vnnk ( x, x 2, b, x < x 2 esetén).. Tétel. Az f :, b R differenciálhtó függvény konvex, h z f :, b R függvény monoton növekvő. Bizonyítás. ) H f konvex, kkor () és (2) dj, hogy f(x) f(x ) f(x 2) f(x ) f(x 2) f(x), x x x 2 x x 2 x honnn x x ill. x x 2 htárátmenettel jön, hogy f (x 2 ) f (x ) x < x 2 esetén, zz f monoton növekvő. b) H f monoton növekvő, kkor x < x < x 2 esetén ( Lgrnge-tétel mitt) z (x, x), z 2 (x, x 2 ), hogy f(x) f(x ) = f (z ) f (z 2 ) = f(x 2) f(x) x x x 2 x melyből rövid számolássl jön (2), zz f konvex. Megjegyzések:. Hsonló állítás igz konkáv függvényekre is. 2. f szigorún konvex, h f szigorún monoton növekvő. 3. H f, úgy: f konvex (konkáv), h f 0 (f 0). 2. Definíció. Az f :, b R függvénynek z x (, b) inflexiós helye, (x, f(x)) inflexiós pontj, h r > 0, hogy f konvex (konkáv) (x r, x]-en és konkáv (konvex) [x, x + r)-en. 24

2. Tétel. Az f :, b R differenciálhtó függvénynek z x (, b) inflexiós helye, h szélsőértékhelye f -nek. Bizonyítás. ) H x (, b) inflexiós hely, kkor definíció szerint r > 0, hogy f konvex (konkáv) (x r, x]-en, konkáv (konvex) [x, x + r)-en = f monoton növekvő (csökkenő) (x r, x]-en, csökkenő (növekvő) [x, x + r)- en = x szélsőértékhelye f -nek. b) H x (, b) szélsőértek helye f -nek, kkor r > 0, hogy f növekvő (csökkenő) (x r, x]-en, csökkenő (növekvő) [x, x + r)-en = f konvex (konkáv) (x r, x]-en, konkáv (konvex) [x, x+r)-en = x inflexiós helye f-nek. f) L Hospitl-szbály Alpproblém: H f, g : K(, r) R dottk és lim f(x) lim x g(x) f(x) = lim g(x) = 0, kkor létezik-e x x és hogyn számíthtó ki? (Lehet egyoldli htárérték is.) Tétel (L Hospitl-szbály). Legyenek f, g : (, + r) R differenciálhtó függvények, hogy lim f(x) = lim g(x) = 0, g(x) g (x) 0. H létezik x x f (x) f(x) lim x g htárérték, kkor létezik lim htárérték is, és kettő (x) x g(x) egyenlő egymássl. Bizonyítás. Az f() = g() = 0 definícióvl f és g -bn folytonos függvénynyé terjeszthető ki. H x (, + r) tetszőleges, úgy f és g teljesíti z [, x]-ben Cuchy-tétel feltételeit, így y (, x), hogy f(x) f(x) f() = g(x) g(x) g() = f (y) g (y) H x n olyn sorozt, hogy x n (, x), x n, kkor y n ( < y n < x n ), hogy y n és f(x n) g(x n ) = f (y n ) f (y n ) g, úgy lim (y n ) y n g (y n ) létezése f(x n ) mitt lim x n g(x n ) = lim f (y n ) y n g mi dj z állítást. (y n ) 25

Megjegyzések:. Hsonló igz ( r, )-r vgy K(, r)\{0}-n értelmezett függvények esetén. 2. H f() = g() = 0; f, g differenciálhtók -bn, és g () 0, kkor f(x) lim x g(x) = f () g (). 3. H f és g értelmezési trtomány felülről, illetve lulról nem korlátos, kkor például ( ) ( ) lim f(x) = lim f, illetve lim x + y 0+0 y g(x) = lim g x y 0 0 y mitt L Hospitl-szbály végtelenben vett htárértékre is megfoglmzhtó. 4. A L Hospitl szbály kkor is megfoglmzhtó, h lim f(x) = lim g(x) = +. x x 5. H lim f(x) = 0, lim g(x) = +, kkor z f(x) g(x) = f(x) x x mitt lklmzhtó L Hospitl-szbály. g(x) egyenlőség ( + x) n sin(x) 6. Például: lim = n és lim = könnyen igzolhtó x 0 x x 0 x L Hospitl szbály lklmzásávl. 26

. feldtsor ) Htározz meg z f : R R, f(x) = x 2 függvény x 0, x pontokhoz trtozó differencihánydosát, h x 0 =, x =., illetve h x 0 = 5, x = 5.. 2) Az egyenesvonlú mozgást végző pont mozgásegyenlete s = 0t + 5t 2. Htározz meg átlgsebességét 20 t 20 + t időintervllumbn, h t = vgy t = 0. vgy t = 0.0. Adj meg t = 20-hoz trtozó pillntnyi sebességet. 3) A definíció lpján htározz meg z lábbi függvények differenciálhánydosit: f (x) = x n (x R, n N), f 2 (x) = x (x R + ), f 3 (x) = x (x R + {0}), f 4 (x) = 3 x (x R). 4) Számíts ki f (), f (2), f (3) értékét, h 5) Legyen f(x) = (x )(x 2) 2 (x 3) 3 (x R + ). { x 2, x Q f(x) = 0, x R\Q. Bizonyíts be, hogy f (0). 6) Igzolj, hogy h f(x) = x x (x R), kkor f (x) = 2 x (x R). 7) Legyen x, x (, ) f(x) = ( x)(2 x), x [, 2] x 2, x (2, ). Bizonyíts be, hogy f differenciálhtó R-en és htározz meg f (x)-et. 8) Bizonyíts be, hogy z { x f(x) = 2 sin x, x R\{0} 0, x = 0 függvény differenciálhtó x 0 = 0-bn. 27

9) Legyen f : R R differenciálhtó függvény. Bizonyíts be, hogy h f pártln, kkor f páros, illetve h f páros, kkor f pártln. 0) Htározz meg z f (x) = 3x x 2 (x R) függvény képét z x 0 =, míg z f 2 (x) = x 2 4 függvény képét z x 0 = 2-ben érintő egyenest. ) H f +g vgy f g differenciálhtó x 0 -bn, kkor f z-e x 0 -bn? H f g differenciálhtó x 0 -bn, úgy -e g (x 0 )? 2) Az lábbi f függvényeknél dj meg f -t: f(x) = 2(3x 2 + 4) 4 (x R), f(x) = 2x x 2 (x ±), f(x) = x + x + 3 x (x R + ), f(x) = x + x 2 (x R), f(x) = x 5 3 4 x4 4x + 3 (x R), f(x) = x 7 + 2x 5 3 2x 2 (x 0, ), x + f(x) = x + x 2 (x R), f(x) = x + x + x (x R + ), f(x) = x x x (x R + ), f(x) = x3 + 3x 2 + 2 2x 2 (x R), + 4 + x 2 f(x) = + x 4 (x R), f(x) = ( + b x) 4 (x R + ), f(x) = + x (x > 0, x ), x f(x) = ( + nx m )( + mx n ) (n, m N, x R), f(s) = ( 4s 2 )(2s 3 + ) (s R), f(ϕ) = (2ϕ 3 3 3ϕ + ϕ 2 3 ) 3 (ϕ R), f(x) = ex + sin x xe x (x 0), f(x) = (cos x 3 )e cos x sin x (x R), f(x) = sin(cos ) (x 0), x2 f(x) = ln( 3x 2 + 2 + 2e x + ) (x R), f(x) = cos x2 (x R), f(x) = lg 3 x 2 (x 0), f(x) = ln(ln(ln(x))) (x?), f(x) = ln x (x 0), 28

f(x) = x x (x > 0), f(x) = sin(x cos x ) (x > 0), f(x) = x xx (x > 0), f(x) = log tg x 2 (x?), ( x f(x) = tg 3 2 ) + x + (x?), f(x) = x tg 3x 3 2 (x?), 2x f(x) = rcsin + x 2 (x?), f(x) = rctg x (x?), x + sh(2x + ) + ch(3x ) f(x) = sh 2 (x?), (x + 2) f(x) = th(ln(2x ch x)) (x?), f(x) = th x 2 (x?), f(x) = rsh(e x+3 ex x) (x?), f(x) = e rth x2 (x?), f(x) = x rch x (x?), ( ( )) x + f(x) = log x (sh x) (x?), f(x) = ln th x 3) Bizonyíts be z I/7. fejezet 2., 4. és 5. tételét. (x?). 4) Vizsgálj z I/8. fejezetben definiált tg, ctg, rcsin, rccos, rctg, rcctg, th, cth, rsh, rch, rth, rcth függvények legfontosbb tuljdonságit, differenciálási szbályit. 5) Adj meg z lábbi mgsbbrendű deriváltkt: f (x) = x m (x 0), f (x) =?, f 2 (x) = x k (x R, k N), f (n) 2 (x) =?, f 3 (x) = x ln(x) (x > 0), f (5) 3 (x) =?, f 4 (x) = x(x ) (x 0, x ), f (20) 4 (x) =?, f 5 (x) = x n e x (x R, n N), f (n) 5 (x) =?, f 6 (x) = x sh x (x R), f (00) 6 (x) =?, f 7 (x) = sin x (x R), f (n) 7 (x) =?, f 8 (x) = x 3 sin 3x (x R), f (n) 8 (x) =?. 29

6) Legyen 3 x 2, x [0, ] f(x) = 2, x [, 2]. x Mutss meg, hogy z f függvény folytonosn differenciálhtó. Htározz meg zt z x (0, 2) számot (vgy számokt), melyekre f(2) f(0) = 2f (x). 7) Legyen f(x) = 3 x 2 (x [, ]). Igzolj, hogy f( ) = f(), de x (, ), hogy f (x) = 0. 8) Bizonyíts be, hogy h f : (, b) R differenciálhtó és f korlátos, kkor f egyenletesen folytonos. 9) Bizonyíts be, hogy h f(x) = (x 2 ) n (x R, n N), kkor f (n) olyn n-edfokú polinom, melynek minden gyöke vlós, egyszeres és (, )-ben vn. 20) Bizonyíts be ( Lgrnge-tétellel), hogy sin x sin y x y (x, y R), b < ln b < b (0 < b < ), b n + < ln n + < (n N). n n 2) Bizonyíts be, hogy h f, g : [, b] R folytonos, f() g(), f és g differenciálhtó (, b)-n és f (x) g (x) (x (, b)), kkor f(x) g(x) (x [, b]). 22) A 8. feldt segítségével bizonyíts be, hogy e x + x (x [0, )), sin x x (x [0, )), ( [ x tg x x 0, π ]). 2 23) Htározz meg z lábbi függvények monoton szkszit: f (x) = 2 + x x 2 (x R), f 2 (x) = 3x x 3 (x R), f 3 (x) = 2x + x 2 (x R), f 4 (x) = x + sin(x) (x R). ( ( 24) Htározz meg z f(x) = x 2 tg x x π 2, π )) függvény 0-ponthoz 2 30

trtozó 4-edrendű Tylor-polinomját. 25) Írj fel z lábbi függvények Tylor-sorát: f (x) = + x (x [0, )), f 2 (x) = ln( + x) (x [0, )), f 3 (x) = tg x (x R). 26) Igzolj z lábbi egyenlőtlenségeket: x x3 6 < sin x < x (x (0, )), x + x3 3 < tg x ( x ( 0, π )) 2 27) Legyen P (x) = 6x 4 7x 3 + 2x 2 x + 5 (x R). Htározz meg zt Q : R R polinomot, melyre P (x) = Q(x ) ( x R). 28) A Tylor-tétel segítségével számíts ki 3 30, sin 8, 5 250, ln.2, rctg 0.8, (.).2 közelítő értékét és becsülje meg hibát. 29) Keresse meg z lábbi függvények lokális (és globális) szélsőértékhelyeit és szélsőértékeit: f (x) = 2 + x x 2 (x R), f 2 (x) = (x ) 2 (x R), f 3 (x) = (x ) 4 (x R), f 4 (x) = (x + ) 0 e x (x R), f 5 (x) = x 3 6x 2 + 9x 4 (x R), f 6 (x) = 2x + x 2 (x R), f 7 (x) = cos x + 2 cos 2x (x R), f 8(x) = e x sin(x) (x R), f 9 (x) = x 3 x (x R), f 0 (x) = x2 + x 2 (x R), + x + f (x) = x + x (x 0), f 2(x) = 4 x (x 0), x + 2 f 3 (x) = 2 x (x [, 5]), f 4 (x) = x 2 3x + 2 (x [ 3, 0]), f 5 (x) = 5 4x (x [, ]), f 6 (x) = sin(x + ) cos(x + 2) (x [0, 0]). 30) Bizonyíts be, hogy h f : [, b] R differenciálhtó, f () f (b), kkor λ (f (), f (b)) esetén x 0 (, b), hogy f (x 0 ) = λ (Drbouxtétel). 3.

3) Htározz meg z lábbi függvények konvex és konkáv szkszit, inflexiós helyeit: f (x) = 3x 2 x 3 (x R), f 2 (x) = + x 2 (x R), f 3 (x) = x + sin(x) (x R), f 4 (x) = ln( + x 2 ) (x R), f 5 (x) = e x2 (x R). 32) Bizonyíts be, hogy h x, y R +, x y, kkor x 7 + y 7 ( ) 7 x + y > ; x ln x + y ln y > (x + y) ln x + y. 2 2 2 33) Végezze el teljes függvényvizsgáltot és függvények ábrázolását, h: f (x) = 3x x 3 (x R), f 2 (x) = sin x + sin 3x (x R), 3 x 4 f 3 (x) = x rctg x (x R), f 4 (x) = ( + x) 3 (x ), 9x + x3 f 5 (x) = x x 3 (x 0, ±), f 6 (x) = x e x (x R). 34) Htározz meg z lábbi htárértékeket: sin 3x lim x 0 sin 5x, lim ch x cos x tg x x x 0 x 2, lim x 0 x cos x, cos x e x ln( + x) lim x 0 x 2, lim, lim, x 0 x x 0 x x x 2 3 ( x lim, lim x 0 x x 3, lim x x 0 x ) e x, ( lim x ln x ) (, lim x x 0 x th x ) ln x, lim tg x x + x µ, lim x + x n, (, n > 0). ex 32

II. INTEGRÁLSZÁMÍTÁS. Primitív függvény, htároztln integrál Bevezetés: Az f :, b R differenciálhtó függvényhez hozzárendelhető z f :, b R függvény. Kérdés: f :, b R-hez létezik-e F :, b R, hogy F = f? Definíció. Legyen dott z f :, b R függvény. Az F :, b R differenciálhtó függvényt z f primitív függvényének vgy htároztln integráljánk nevezzük, h F = f. Az F függvényre z f jelölést hsználjuk. f meghtározását integrálásnk mondjuk. Az F = f függvény x helyen felvett értékét F (x) = f(x)dx vgy ( f)(x) jelöli, mi gykrn primitív függvényt (htároztln integrált) is jelenti. A primitív függvény (htároztln integrál) értelmezhető f : H R függvényre is, hol H intervllumok egyesítése.. Tétel. H f, F :, b R, F = f (F = f), úgy G :, b R kkor és csk kkor primitív függvénye (htároztln integrálj) f-nek, h C R, hogy G(x) = F (x) + C. Bizonyítás. ) G(x) = F (x) + C = G (x) = F (x) = f(x) (x, b ) = G primitív függvény. b) H G = f = G (x) = F (x) (x, b ) = [G(x) F (x)] = 0 (x, b ) = G(x) = F (x) + C. Megjegyzés: H z f függvény értelmezési trtomány nem intervllum, kkor z állítás nem igz. Alpintegrálok: { ln(x) + x dx = C (x > 0) ln( x) + C 2 (x < 0) x µ dx = xµ+ µ + + C (x R +, µ ) 33

x dx = x + C (x R, > 0, ) ln sin(x) dx = cos(x) + C (x R) cos(x) dx = sin(x) + C (x R) dx = rcsin(x) + C (x (, )) x 2 dx = rctg(x) + C (x R) + x2 sh(x) dx = ch(x) + C (x R) ch(x) dx = sh(x) + C (x R) x2 + dx = rsh(x) + C = ln(x + x 2 + ) + C (x R) x2 dx = rch(x) + C = ln(x + x 2 ) + C (x (, )) sin 2 (x) dx = ctg(x) + C k (x (kπ, (k + )π), k Z) cos 2 (x) dx = tg(x) + C k (x (kπ π 2, kπ + π ), k Z) 2 ( ) n x n x n+ dx = n n + + C (x ( ϱ, ϱ)) n=0 n=0 2. Tétel. Legyen f, g :, b R olyn, hogy f és g, és p, q R tetszőleges, kkor (pf + qg) és C R, hogy [pf(x) + qg(x)] dx = p f(x) dx + q g(x) dx + C (x, b ). Bizonyítás. Legyen F = f, G = g, kkor F, G létezése mitt (pf + qg) is, és (pf + qg) (x) = pf (x) + qg (x) = pf(x) + qg(x) (x, b ), mi zt jelenti, hogy (pf(x) + qg(x)) dx és = pf (x) + qg(x) + C = = p f(x) dx + q g(x) dx + C (x, b ). 3. Tétel (prciális integrálás tétele). H z f, g :, b R függvények differenciálhtók, b -n és f g, kkor fg is, és vn olyn 34

C R, hogy (P) f(x)g (x) dx = f(x)g(x) f (x)g(x) dx + C (x, b ). Bizonyítás. A feltételek mitt z f g f g függvény differenciálhtó, és [f(x)g(x) f (x)g(x) dx] = f (x)g(x)+f(x)g (x) f (x)g(x) = f(x)g (x) mi htároztln integrál definíciój mitt zt jelenti, hogy fg és teljesül (P). Megjegyzés: H P n (x) egy n-edfokú polinom, úgy z lábbi integrálok prciális integrálás tételével meghtározhtók: Pn (x)e x dx, Pn (x) sin(x) dx, Pn (x) rcsin(x) dx, Pn (x) ln(x) dx, Pn (x) cos(x) dx, Pn (x) sh(x) dx, Pn (x) ch(x) dx, Pn (x) rccos(x) dx, Pn (x) rctg(x) dx, Pn (x) rcctg(x) dx. 4. Tétel (helyettesítéses integrálás tétele). H f :, b R, g : c, d, b olynok, hogy g : c, d R és f, kkor (f g) g és vn olyn C R, hogy (H) f(g(x)) g (x) dx = (( f) g)(x) + C = f(t)dt t=g(x) + C (x c, d ). Bizonyítás. A feltételek mitt [( f) g] és [( f) g] (x) = f(g(x)) g (x) (x c, d ), mi éppen zt jelenti, hogy (f g)g és teljesül (H). Megjegyzés: H ( fentieken túl) g, kkor (H) következő lkb is írhtó: (H ) f(x) dx = (( (f g)g ) g )(x) + C = f(g(t))g (t)dt t=g (x) + C (x c, d ). Példák: Az ) x 2 esetén g(t) = sin(t) (t ( π 2, π 2 )), 2) R(sin(x), cos(x)) dx esetén (hol R(u, v) rcionális kifejezése u, v-nek és x ( π, π)) g(t) = 2 rctg t (t R) (ill. tg x 2 = t = g (x) (x ( π, π)), 35

3) R ( ) x + b x, n cx + d dx esetén t = n x + b cx + d = g (x), g(t) = dtn b ct n, 4) R(x, x 2 + bx + c) dx esetén z Euler-féle (vgy trigonometrikus (sin), illetve hiperbolikusz (sh, ch) függvényes) helyettesítéseket lklmzzuk. Rcionális függvények integrálás. A prciális törtekre bontás tétele szerint minden Pn(x) Q m (x) rcionális törtfüggvény egyértelműen előáll egy polinom és (x b) j, px + q (x 2 + rx + s) k (j, k N +, r 2 4s < 0) lkú törtek bizonyos (itt nem részletezett) összegeként, hol (x b) j és (x 2 + rx + s) k Q m (x) osztói. Így P n(x) Q m (x) meghtározás visszvezethető z px + q dx és (x b) j (x 2 + rx + s) k dx meghtározásár. Megjegyzések:. Az utóbbi két integráltípust gykorlton vizsgáljuk (z első kezelése zonnl láthtó). 2. A 4. tétel utáni 2), 3), 4) példák esetén z integráls rcionális törtfüggvény integrálásár vezethető vissz. 3. További ún. rcionlizáló helyettesítések is vizsgálhtók (pl. R(e x ) dx, binom integrálok). 2. A Riemnn-integrálhtóság foglm Legyen [, b] R zárt intervllum. A továbbikbn f : [, b] R típusú korlátos függvényekkel fogllkozunk.. Definíció. A P = {x i = x 0 < x < < x i < < x n = b} [, b] 36

hlmzt z [, b] intervllum egy felosztásánk, z x i pontokt felosztás osztáspontjink, z [x i, x i ] (i =,..., n) intervllumokt felosztás részintervllumink, míg x i = x i x i mellett P. = sup{ x i i =,..., n} számot felosztás finomságánk nevezzük. 2. Definíció. Legyen P és P 2 [, b] két felosztás. P 2 finomítás (továbbosztás) P felosztásnk, h P P 2. A P. = P P 2 hlmzt P és P 2 egyesítésének nevezzük. 3. Definíció. A P k normális felosztássorozt [, b]-nek, h lim k P k = = 0 teljesül. 4. Definíció. Legyen f : [, b] R korlátos függvény, P egy felosztás [, b]-nek... M i = sup f(x), m i = inf f(x) (M i, m i és R) x [x i,x i ] x [x i,x i ] 5. Definíció. Legyen f : [, b] R korlátos függvény, P egy felosztás [, b]-nek. Az s(f, P ) = n m i x i, i= S(f, P ) = n M i x i, i= O(f, P ) = n (M i m i ) x i számokt z f függvény P felosztáshoz trtozó lsó, felső, illetve oszcillációs összegének, míg t i [x i, x i ] esetén n σ(f, P ) = f(t i ) x i i= számot z f függvény P felosztáshoz és t,..., t n -hez trtozó integrálközelítő összegének nevezzük. (Ezek geometrilig bizonyos területek.). Tétel. H f : [, b] R korlátos függvény, kkor ) P és σ(f, P )-re : s(f, P ) σ(f, P ) S(f, P ); b) P P 2 -re : s(f, P ) s(f, P 2 ), S(f, P 2 ) S(f, P ); c) P, P 2 -re : s(f, P ) S(f, P 2 ). 37 i=

Bizonyítás. ) H P = {x 0, x,..., x n }, t i [x i, x i ] tetszőleges, kkor m i f(t i ) M i = m i x i f(t i ) x i M i x i (i =,..., n) = n m i x i n f(t i ) x i n M i x i, mi z állítás. i= i= b) Legyen P = {x 0,..., x n }, P 2 = {y 0,..., y m }, P P 2, kkor [x i, x i ]-re j, k, hogy [x i, x i ] = [y j, y j ] [y k, y k ] (x i = y j, x i = y k ). i= H m () i P, m (2) i P 2 -höz trtozó infimumok, kkor m () i m (2) j,..., m (2), és így k m () i x i = m () i y j + + m () i y k m (2) j y j + + m (2) y k dódik i =,..., n-re, miből összegzés után jön b) első fele. A második hsonlón következik. c) H P, P 2 tetszőleges felosztások, kkor P, P 2 P P 2, így ) és b) mitt s(f, P ) s(f, P P 2 ) S(f, P P 2 ) S(f, P 2 ), mi dj z állítást. 6. Definíció. Legyen f : [, b] R korlátos függvény. Az I = f =. sup{s(f, P )}, Ī = P f =. inf{s(f, P )} P számokt z f függvény [, b] feletti lsó, illetve felső Drboux-integráljánk nevezzük. 2. Tétel. Legyen f : [, b] R korlátos függvény, kkor Ī, Ī R és Ī Ī teljesül. Bizonyítás. Az. Tétel c) része mitt P -re s(f, P ) S(f, P ) P esetén, így Ī R továbbá s(f, P ) Ī = Ī R és Ī Ī. Következmény: P -re s(f, P ) Ī Ī S(f, P ) = 0 Ī Ī O(f, P ). 38 k

Példák: ) f(x) = x (x [, b]) = Ī = Ī. 2) f, hogy Ī Ī (például Dirichlet függvény). 7. Definíció. Az f : [, b] R korlátos függvény Riemnn-integrálhtó [, b]-n, h Ī = Ī. Ezt közös értéket z f [, b] feletti Riemnn-integráljánk nevezzük, és rá z I, f vgy f(x) dx jelölést hsználjuk. H [c, d] [, b] és f [c, d]-re vló leszűkítése Riemnn-integrálhtó [c, d]-n, d kkor zt mondjuk, hogy f Riemnn-integrálhtó [c, d]-n. f z f : [, b] R függvény Riemnn-integrálját jelöli [c, d]-n. H f [c,d] = g, d kkor f =. d g. c c c 3. A Drboux-tétel és következményei Lemm. Legyen f : [, b] R korlátos ( f(x) < K x [, b]), P = { = x 0, x,..., x n = b} [, b] egy felosztás. H P P egy tetszőleges finomítás, kkor () S(f, P ) S(f, P ) 2K (x i x i ), hol z összegzés z új osztáspontokhoz trtozó intervllumokr történik. Bizonyítás. Legyen P olyn finomítás P -nek, melyben csk olyn új osztáspontok vnnk, hogy x i < x () < x (2) < < x (k) < x i i {,..., n}. Legyen m i. = inf x [x i,x i ] f(x), M i. = sup f(x), x [x i,x i] és jelölje M (),..., M (k+) z f szuprémumát z [x i, x i ]-ben keletkező 39

k + új részintervllumon. Ekkor M i, m i K és M (k) m i mitt S(f,P ) S(f, P ) = = M i (x i x i ) [ M () (x () x i ) + + M (k+) (x i x (k) ) ] M i (x i x i ) m i ( x () x i + x (2) x () + + x i x (k)) = = (M i m i )(x i x i ) 2K(x i x i ). H ezt figyelembe vesszük, kkor már nyilvánvló () P egy tetszőleges P finomításár. Drboux-tétel. H f : [, b] R korlátos függvény, kkor ε-hoz δ(ε), hogy [, b] P felosztásár, melyre P < δ(ε) (D) S(f, P ) Ī < ε és Ī s(f, P ) < ε teljesül. Bizonyítás. Legyen ε > 0 tetszőleges, kkor Ī definíciój mitt P 0 felosztás [, b]-nek, hogy (2) S(f, P 0 ) Ī < ε 2 teljesül. H r 0 P 0 részintervllumink szám, úgy legyen 0 < δ(ε) = ε 4r 0 K és P = { = x 0,..., x n = b} olyn, hogy P < δ(ε). H P = P P 0, kkor P finomítás P 0 -nk és P -nek is. Ekkor lemm és δ(ε) definíciój mitt (3) 0 S(f, P ) S(f, P ) 2K (x i x i ) 2Kr 0 δ < ε 2. Ezután (2)-t és (3)-t is felhsználv Ī S(f, P ) < S(f, P ) + ε 2 S(f, P 0) + ε 2 < Ī + ε dódik, mi dj (D) első állítását. I bizonyítás hsonló. -r 40

A Drboux-tétel következménye. H f : [, b] R korlátos függvény, kkor ) [, b] P k normális felosztássoroztár lim s(f, P k) = Ī, k lim S(f, P k) = Ī, és lim O(f, P k) = Ī Ī ; k k b) [, b] P k normális felosztássoroztár σ (f, P k ) és σ 2 (f, P k ) integrálközelítő összegsorozt, hogy lim k σ (f, P k ) = Ī illetve lim k σ2 (f, P k ) = Ī. Bizonyítás. ) Legyen ε > 0 dott, kkor Drboux-tétel mitt δ(ε) > 0, hogy P -re, melyre P < δ(ε) s(f, P ) Ī < ε, S(f, P ) Ī < ε. Legyen P k normális felosztássorozt kkor lim P k = 0 mitt k δ(ε) > 0-hoz N (δ(ε)), hogy k > N (δ(ε)) esetén P k < δ(ε). H tehát N(ε) = N (δ(ε)), kkor k > N(ε)-r P k < δ(ε), így s(f, P k ) Ī < ε, S(f, P k ) Ī < ε, mi ( htáréték definíciój mitt) dj z első két állítást. A hrmdik O(f, P k ) = S(f, P k ) s(f, P k )-ból jön k esetén. b) Legyen P k. = {x k i i = 0,..., n k} normális felosztássorozt, m k i = inf f([x k i, x k i ]), M k i = sup f([x k i, x k i ]) (i = 0,..., n k ), kkor ( pontos korlát definíciój mitt) hogy t k i [x k i, x k i ], t k 2i [x k i, x k i ] (i =,..., n k ), m k i + k > f(tk i) m k i, M k i f(t k 2i) > M k i k (i =,..., n k ). Az egyenlőtlenségeket összegezve kpjuk, hogy z ilyen módon létező t k i, illetve tk 2i -hoz trtozó σ (f, P k ), illetve σ 2 (f, P k )-r ( m k i + ) x k i > σ (f, P k ) s(f, P k ), k illetve i S(f, P k ) σ 2 (f, P k ) > i ( M k i k ) x k i, 4

zz illetve s(f, P k ) + b k > σ (f, P k ) s(f, P k ), S(f, P k ) σ 2 (f, P k ) > S(f, P k ) b k teljesül, melyből ) mitt kpjuk z állítást. 4. A Riemnn-integrálhtóság kritériumi és elegendő feltételei. Tétel. Az f : [, b] R korlátos függvény kkor és csk kkor Riemnn-integrálhtó [, b]-n, h I R hogy ε > 0-hoz δ(ε) > 0, hogy olyn P felosztásár [, b]-nek, melyre P < δ(ε), σ(f, P ) I < ε teljesül σ(f, P )-re Bizonyítás. ) Legyen f Riemnn-integrálhtó és Ī = Ī = I. Legyen ε > 0 tetszőlegesen dott, kkor Drboux-tétel mitt δ(ε), hogy P -re, melyre P < δ(ε), S(f, P ) Ī < ε, Ī s(f, P ) < ε teljesül, miből Ī = Ī = I és s(f, P ) σ(f, P ) S(f, P ) mitt σ(f, P ) I < ε teljesül σ(f, P )-re, mi dj z állítás első felét. b) Tegyük fel, hogy I R, hogy ε > 0-hoz δ(ε), hogy olyn P -re, melyre P < δ(ε), σ(f, P ) I < ε teljesül σ(f, P )-re. H ε > 0 tetszőleges, kkor: ε ( ε ( ε ) 3 -hoz Drboux-tétel mitt δ, hogy h P < δ, 3) 3 kkor () Ī s(f, P ) < ε 3 ; ε ( ε ( ε ) 3 -hoz feltétel mitt δ 2, hogy h P < δ 2, kkor 3) 3 (2) σ(f, P ) I < ε 3 ; ε 3(b ) -hoz t i [x i, x i ] (P = {x i i = 0,..., n}), hogy 42

ε f(t i ) m i < és így 3(b ) (3) σ(f, P ) s(f, P ) = n (f(t i ) m i ) x i < ε 3 i= teljesül. Legyen δ(ε) = inf{δ ( ε 3), δ2 ( ε 3) }, kkor P < δ(ε) esetén () (2) (3) mitt I Ī I σ(f, P ) + σ(f, P ) s(f, P ) + s(f, P ) Ī < ε, tehát I = Ī. Hsonlón következik, hogy I = Ī. Ezek dják, hogy Ī = Ī = I, zz f Riemnn-integrálhtó. 2. Tétel. Az f : [, b] R korlátos függvény kkor és csk kkor Riemnn-integrálhtó [, b]-n, h [, b] P k normális felosztássorozthoz trtozó σ(f, P k ) integrálközelítő összegsorozt konvergens. Bizonyítás. ) Legyen f : [, b] R Riemnn-integrálhtó, zz Ī = Ī. Legyen P k normális felosztássorozt, kkor s(f, P k ) σ(f, P k ) S(f, P k ), Drboux-tétel következménye és rendőr-tétel mitt dódik σ(f, P k ) konvergenciáj z I = Ī = Ī számhoz. b) Legyen P k tetszőleges normális felosztássorozt, hogy σ(f, P k ) konvergens, kkor nyilván I R, hogy σ(f, P k ) I. Ekkor Drbouxtétel következményének b) része mitt létező σ (f, P k ) és σ 2 (f, P k ) soroztok htárértéke is I, így Ī = Ī = I, zz f Riemnn-integrálhtó. 3. Tétel (Riemnn-kritérium). Az f : [, b] R korlátos függvény kkor és csk kkor Riemnn-integrálhtó [, b]-n, h ε > 0 esetén P felosztás [, b]-nek, hogy O(f, P ) = S(f, P ) s(f, P ) < ε. Bizonyítás. ) Legyen f Riemnn-integrálhtó, zz Ī = Ī = I és ε > 0 dott. A Drboux-tétel mitt ε -höz δ(ε) > 0, hogy h P olyn felosztás [, b]- 2 nek,melyre P < δ( ε ), kkor 2 I s(f, P ) < ε 2 és S(f, P ) I < ε 2, 43

mi dj, hogy O(f, P ) = S(f, P ) s(f, P ) < ε. b) Tegyük fel, hogy ε > 0-r P, hogy O(f, P ) = S(f, P ) s(f, P ) < ε. Ekkor 0 Ī Ī S(f, P ) s(f, P ) = O(f, P ) < ε mitt következik, hogy Ī = Ī, zz f Riemnn-integrálhtó. 4. Tétel. Az f : [, b] R korlátos függvény kkor és csk kkor Riemnnintegrálhtó [, b]-n, h z [, b] P k normális felosztássorozt esetén O(f, P k ) nullsorozt. Bizonyítás. ) H f Riemnn-integrálhtó, kkor Drboux-tétel következményének ) része mitt lim k O(f, P k) = Ī Ī = 0. b) H [, b] P k normális felosztássorozt esetén O(f, P k ) nullsorozt, kkor ugyncsk Drboux-tétel következményének ) része mitt Ī Ī = lim S(f, P k) lim s(f, P k) = lim O(f, P k) = 0 k k k következik, mi dj, hogy Ī = Ī, zz f Riemnn-integrálhtó. 5. Tétel. f : [, b] R folytonos függvény Riemnn-integrálhtó. Bizonyítás. P -re Ī Ī O(f, P ), így elég megmuttni, hogy ε > 0-hoz P felosztás [, b]-nek, hogy O(f, P ) < ε (mert kkor Ī = Ī): ε f folytonosság dj egyenletes folytonosságát [, b]-n, így -hoz δ(ε), b hogy x, x [, b], x x < δ(ε) esetén f(x ) f(x ) < ε b. Legyen P olyn, hogy P < δ(ε), kkor n n Ī Ī O(f, P ) = (M i m i ) x i = (f(x i) f(x i )) x i < ε. i= i= (Itt felhsználtuk, hogy f folytonosság mitt x i, x i M i = f(x i ), m i = f(x i ).) [x i, x i ], hogy 6. Tétel. Egy f : [, b] R monoton függvény Riemnn-integrálhtó. Bizonyítás. ) H f() = f(b) = f(x) C = z állítás igz. 44

ε b) H f() f(b), kkor ε > 0 esetén olyn P -re, hogy P < f(b) f() (felhsználv például monoton növekvő f függvény esetén, hogy m i = f(x i ), M i = f(x i )) kpjuk, hogy n n Ī Ī O(f, P ) = (M i m i ) x i = [f(x i ) f(x i )] x i < < i= ε f(b) f() i= n [f(x i ) f(x i )] = ε, i= mi dj, hogy Ī = Ī zz f Riemnn-integrálhtó. 7. Tétel. H f : [, b] R Riemnn-integrálhtó [, b]-n, [c, d] [, b], kkor f Riemnn-integrálhtó [c, d]-n is. Bizonyítás. Legyen g z f [c, d]-re vló leszűkítése és P k [c, d] tetszőleges normális felosztássorozt. Ekkor [, b]-nek olyn Pk normális felosztássorozt, hogy Pk [c, d] = P k k N. Másrészt 0 O(g, P k ) O(f, Pk ) k N és f Riemnn-integrálhtóság mitt lim O(f, P k ) = 0, k melyek rendőr-tétel mitt dják, hogy lim O(g, P k) = 0. Így 4. tétel k dj, hogy g Riemnn-integrálhtó, zz f Riemnn-integrálhtó [c, d]-n. 8. Tétel (z integrál intervllum feletti dditivitás). Legyen f : [, b] R, c (, b), f Riemnn-integrálhtó [, c]-n és [c, b]-n, kkor f Riemnn-integrálhtó [, b]-n is, és f = c f + Bizonyítás. Legyen ε > 0 dott, g és h f [, c]-re, illetve [c, b]-re vló leszűkítése. A feltételek mitt g és h Riemnn-integrálhtók, így 3. tétel mitt P és P 2 felosztás [, c], illetve [c, b]-nek, hogy O(g, P ) < ε 2 és O(h, P 2 ) < ε 2. H P. = P P 2, úgy P [, b] egy felosztás, melyre O(f, P ) = O(g, P )+O(h, P 2 ) < ε, így 3. tétel mitt f Riemnn-integrálhtó [, b]-n. Az egyenlőség bizonyításához legyen Pk P k 2 [, c], illeteve [c, b] egy tetszőleges normális felosztássorozt, kkor P k = P. k Pk 2 esetén P k normális felosztássorozt [, b]-nek. Ekkor c f. ( ) σ(f, P k ). = σ(g, P k ) + σ(h, P 2 k ) 45

szerint definiált σ(f, P k ) egy integrálközelítő összeg sorozt f-nek [, b]-n, melyre lim σ(f, P k) = f teljesül (z integrál létezése mitt), így k lim σ(g, P k ) = c f és lim σ(h, P k 2) = b f mitt ( )-ból kpjuk tétel k k c egyenlőségét. Következmény. Legyen f : [, b] R és P = { = 0,,..., n, n = b} egy felosztás [, b]-nek. H f Riemnn-integrálhtó [ i, i ] intervllumon, kkor Riemnn-integrálhtó [, b]-n és n i f(x) dx = f(x) dx i i= Bizonyítás. A 8. tétel felhsználásávl és teljes indukcióvl zonnl kpjuk z állítást. 9. Tétel. H f : [, b] R korlátos és c, d (, b), c < d esetén f Riemnn-integrálhtó [c, d]-n, kkor Riemnn-integrálhtó [, b]-n is. Bizonyítás. A Riemnn-kritérium segítségével bizonyítunk. Legyen ε > 0 tetszőlegesen dott és K olyn, hogy f(x) < K x [, b]. c, d (, b)-t válsszuk úgy, hogy c < d és c = b d < ε 8K. Legyen P olyn felosztás [c, d]-nek, hogy O(g, P ) < ε (hol g z f [c, d]-re vló 2 leszűkítése). Ekkor P =. P {, b} olyn felosztás [, b]-nek, hogy O(f, P ) < 2K(c ) + O(g, P ) + 2K(b d) < ε, mi Riemnn-kritérium mitt dj, hogy f Riemnn-integrálhtó [, b]-n. 0. Tétel. Legyenek f, g : [, b] R korlátos függvények, hogy f(x) = g(x) véges sok x [, b] kivételével. H f Riemnn-integrálhtó, kkor g is és f = g. Bizonyítás. Legyen H = {x f(x) g(x)} és P olyn felosztás [, b]-nek, hogy H P. A 7. tétel mitt f Riemnn-integrálhtó P részintervllumán, de kkor 9. tétel mitt g is, és kkor 8. tétel következménye mitt kpjuk g Riemnn-integrálhtóságát [, b]-n. Az egyenlőség bból jön, 46

hogy h P k z [, b] egy normális felosztássorozt, kkor t k i [xk i, xk i ] pontokt válszthtjuk úgy, hogy f(t k i ) = g(tk i ) i-re és k-r, mi dj, hogy ekkor σ(f, P k ) = σ(g, P k ), melyből htárátmenettel, 2. tétel mitt f = g következik.. Tétel. Legyen f : [, b] R korlátos függvény, H [, b] véges hlmz. H f folytonos [, b]\h-n, kkor Riemnn-integrálhtó. Bizonyítás. H P [, b] olyn felosztás, hogy H P, úgy f P részintervllumink belsejében folytonos és ezért zok részén Riemnn-integrálhtó, így 9. tétel mitt P részintervllumin és végül 8. tétel következménye mitt [, b]-n is. 2. Tétel (Lebesgue-kritérium). Az f : [, b] R korlátos függvény kkor és csk kkor Riemnn-integrálhtó, h egy Lebesgue szerint nullmértékű hlmztól eltekintve folytonos. (H R Lebesgue szerint nullmértékű, h ε > 0-hoz {( n, b n ) n N} intervllumrendszer, hogy H ( n, b n ) és (b n n ) < ε.) n= n= 5. Középiskoli vontkozások, példák ) H f : [, b] R folytonos, úgy Riemnn-integrálhtó, zz Ī = Ī. Az [, b] egyenlő részekre osztásávl nyert P k normális felosztássorozt, mert P k = b 0. Így Drboux-tétel következménye mitt: k lim s(f, P k) = Ī = Ī = lim S(f, P k), k k így középiskolábn dott integrál definíció Riemnn-integrálll megegyező eredményt d. b) Tételeink lpján egy Riemnn-integrálhtó függvény Riemnn-integrálját P k normális felosztássorozthoz trtozó s(f, P k ), S(f, P k ), vgy σ(f, P k ) sorozt htárértéke megdj. 47