נתון כי הפונקציה g:(a,b)→R גזירה בנקודה x0∈(a,b).
יהי y(x)=mx+n ישר כלשהו שעובר דרך הנקודה (x0,g(x0)).
נתון כי לכל x∈(a,b) מתקיים g(x)≥y(x).
הוכיחו כי y הוא המשיק לפונקציה g בנקודה x0.
הוכחה:
על מנת שהישר y(x) יהא משיק ל-g נדרש לשני תנאים: שהישר יעבור ב-(x0,g(x0)) ו-g′(x0)=m.
נתון הישר y(x)=mx+n עובר בנקודה (x0,g(x0)). כעת, נבדוק האם התנאי השני מתקיים:
y(x0)=mx0+n=g(x0)
נבנה פונקציה f(x)=g(x)−y(x). הפונקציה הזו גזירה ב-x0∈(a,b) כחיסור של גזירות. f′(x)=g′(x)−y′(x)=g′(x)−m. נתון כי g(x)≥y(x) לכל x∈(a,b) ולכן, זה מתקיים גם לכל x בסביבת x0. ⇐ לכל x בסביבת x0 מתקיים g(x)−y(x)≥0. ב-x0 מתקיים כי f(x0)=0≥0.
לכן, כל x בסביבת x0 מקיים f(x)≥f(x0). ⇐ ע"פ הגדרה, זוהי נקודת קיצון מקומית.
לכן, לפי פרמה, מתקיים כי f′(x0)=0 ולכן, g′(x0)−m=0 ⇐ g′(x0)=m ולכן, ע"פ הגדרת המשיק, y(x) הוא משיק ל-g בנקודה x0. ∎
תרגיל 2
תרגיל (2 [א])
יהיו a=0 ו-n∈N מספר זוגי. הוכיחו כי xn+an=(x+a)n מתקיים x=0⟺.
הדרכה: הניחו בשלילה כי קיים x0=0 כך ש-x0n+an=(x0+a)n והפעילו את משפט רול על הפונקציה f(x)=xn+an−(x+a)n בקטע בין x0 ל-0.
הוכחה:
⇒: נציב את 0 במשוואה:
0n+an=(0+a)n⟹an=an
⇐: נניח בשלילה כי קיים x0=0 כך ש-x0n+an=(x0+a)n.
נבנה פונקציה f(x)=xn+an−(x+a)n. כאשר נזכור כי n∈N מספר זוגי ו-a=0. f רציפה בקטע [0,x0] (או [x0,0]) כחיסור של רציפות וגזירה בקטע (0,x0) (או (x0,0)) כחיסור של גזירות.
לכן, לפי משפט רול, קיימת 0<c<x0 (או x0<c<0) כך שמתקיים f′(c)=0. נגזור את f(x) על פי כללי גזירה.
f′(x)=nxn−1−n(x+a)n−1⋅1=nxn−1−n(x+a)n−1ncn−1=n(c+a)n−1⟹cn−1=(c+a)n−1↓מכיוון ש-(1-n)הוא מספר אי זוגילא ניתן להגיע לחזקהמשני מספרים, אלארק מאחד⟹c=c+a⟹0=a
וזוהי סתירה לנתון כי a=0. לכן, לא קיימת נקודה x0=0 כך ש-x0n+an=(x0+a)n. ∎
תרגיל (2 [ב])
יהיו a=0 ו-2<n∈N מספר אי-זוגי.
הוכיחו כי xn+an=(x+a)n מתקיים x=0∨x=−a⟺.
הוכחה:
⇒: נבצע זאת לשני המצבים:
נתחיל ב-x=0:
0n+an=(0+a)n⟹an=an
כעת, נעבור ל-x=−a:
(−a)n+an=(−a+a)n⟹(−a)n+an=0
מכיוון ש-n אי זוגי, הסימן נשמר ולכן:
−an+an=0⟹0=0
⇐: נניח בשלילה כי קיים x0=−a,0 כך שמתקיים xn+an=(x+a)n.
נגדיר f(x)=xn+an−(x+a)n. f רציפה בקטע [0,x0] (או [x0,0]) כחיסור של רציפות וגזירה בקטע (0,x0) (או (x0,0)) כחיסור של גזירות.
f(0)=an−an=0f(x0)=0
לכן, ע"פ משפט רול, קיימת 0<c<x0 (או x0<c<0) כך שמתקיים f′(c)=0.
נגזור את f(x).
f′(x)=nxn−1−n(x+a)n−1⋅1=n(xn−1−(x+a)n−1)
אזי:
f′(c)=cn−1−(c+a)n−1=0⟹cn−1=(c+a)n−1
מכיוון שהחזקה היא זוגית, מתקיים:
{c=c+a⟹a=0⟹סתירהc=−c−a⟹a=−2c⟹?????????
שיעורי בית (HW)
∎
תרגיל 3
תרגיל (3)
תהי f פונקציה גזירה פעמיים בקטע (a,b) ויהי M≥0 כך ש-∣f′′(x)∣≤M לכל x∈(a,b).
הוכיחו כי f רציפה במ"ש ב-(a,b).
הוכחה:
נתון כי f גזירה פעמיים ב-(a,b) ולכן f′ גזירה ב-(a,b) ולכן, לפי משפט f′ ליפשיצית ב-(a,b). לכן, לכל x,y∈(a,b) מתקיים:
זה מתקיים לכל x0∈(a,b) ולכן, לכל x∈(a,b) מתקיים כי ∣f′(x)∣<K. לכן, מכיוון ש-f′ חסומה לפי הגדרה בקטע (a,b), לפי משפט מתקיים כי f רציפה במ"ש ב-(a,b). ∎
תרגיל 4
תרגיל (4 [א])
תהי f:(a,b)→R פונקציה גזירה המקיימת f′(x)=0 לכל x∈(a,b).
הוכיחו כי f מונוטונית בקטע (a,b).
הוכחה:
נחלק למקרים:
הנגזרת מקיימת f′(x)>0 לכל x∈(a,b): אזי, לפי מסקנות לגרנז', מתקיים כי f מונוטונית עולה.
הנגזרת מקיימת f′(x)<0 לכל x∈(a,b): אזי, לפי מסקנות לגרנז', מתקיים כי f מונוטונית יורדת.
הנגזרת אינה רציפה ולכן, לפי משפט, יש לה נקודת אי רציפות מסוג עיקרית ואז יכולים להתרחש שני מקרים: אם, הגבול בנקודה הוא ∞ בשני הצדדים או −∞ בשני הצדדים, אזי הנגזרת נשארת בצד אחד של ציר ה-x מכיוון שכדי לעבור לצד השני f′ תדרש לחצות את ציר ה-x, מה שמתאים לאחד משני המצבים העליונים. אם הגבולות לא קיימים או שונים מכל צד, אז הנגזרות החד צצדיות יהיו שונות או כלל לא קיימות ולכן f אינה גזירה בנקודת אי הרציפות של הנגזרת בסתירה לנתון. לכן, f′ רציפה ולכן, מתקיים רק אחד משני המקרים למעלה. ∎
תרגיל (4 [ב])
תהי g:R→R פונקציה גזירה, המקיימת 0≤g′(x)≤1 לכל x∈R.
הוכיחו כי קיימת נקודה 0≤c≤1 שבה g′(c)=3c2.
הוכחה:
נגדיר: h(x)=g(x)−x3. הפונקציה גזירה ב-[0,1] כחיסור של גזירות(ע"פ נתון). נגזור אותה ונקבל:
h′(x)=g′(x)−3x2
נתון כי 0≤g′(x)≤1 ולכן:
h′(0)=g′(0)>0h′(1)=g′(1)−3<0
לכן, ע"פ משפט דרבו, קיימת נקודה c∈[0,1] כך שמתקיים: h′(c)=0 ולכן: