16 статей
Конденсатором называется система, состоящая из двух проводников, расположенных достаточно близко друг от друга. Проводники называют обкладками конденсатора. Если на обкладки конденсатора поместить равные по модулю и противоположные по знаку заряды, то разность потенциалов (напряжение) между обкладками будет пропорциональна заряду обкладок, т. е. отношение заряда к напряжению не будет зависеть от заряда. На основании этого утверждения, которое приводим без доказательства, вводится понятие электроёмкости (ёмкости конденсатора).
Ёмкостью конденсатора называется отношение заряда $$ Q$$ одной из обкладок к разности потенциалов $$ U$$ между этой обкладкой и соседней:
| $$ C={\displaystyle \frac{Q}{U}}$$. | (10.1) |
Если взят заряд на положительно заряженной обкладке, то $$ Q>0, U>0$$ и получится $$ C>0$$. Если заряд взят на отрицательной обкладке, то и опять будет $$ C>0$$. Итак, из определения ёмкости следует, что ёмкость величина положительная. В системе СИ ёмкость измеряется в фарадах: `1"Ф"=1` Кл/В.
Требование близости обкладок друг к другу связано с тем, что для независимости $$ C$$ от $$ Q$$ в (10.1) нужно, чтобы поле от зарядов на обкладках было сосредоточено практически полностью между обкладками, т. е. все силовые линии, начинающиеся на одной обкладке, заканчивались только на другой и не уходили на окружающие тела. В этом случае окружающие тела не будут влиять на ёмкость конденсатора.
Можно вывести, что ёмкость плоского конденсатора
| $$ C={\displaystyle \frac{\varepsilon {\varepsilon }_{0}S}{d}}$$. | (10.2) |
Здесь $$ S$$ - площадь обкладок, $$ d$$ - расстояние между ними, $$ \varepsilon $$ - диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками.
При последовательном соединении изначально не заряженных конденсаторов с ёмкостями $$ {C}_{1}, {C}_{2}, ...$$, общий заряд равен заряду каждого конденсатора, общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах, общая ёмкость определяется из формулы: $$ {\displaystyle \frac{1}{C}}={\displaystyle \frac{1}{{C}_{1}}}+{\displaystyle \frac{1}{{C}_{2}}}+...$$
Полезно помнить формулу для частного случая последовательного соединения двух конденсаторов: $$ C={\displaystyle \frac{{C}_{1}{C}_{2}}{{C}_{1}+{C}_{2}}}$$.
Для последовательно соединённых n одинаковых конденсаторов ёмкостью $$ {C}_{1}$$ каждый $$ C={C}_{1}/n.$$
Если последовательно соединены предварительно заряженные конденсаторы, то применение перечисленных выше свойств и формул может привести к неправильному результату!
При параллельном соединении конденсаторов с емкостями $$ {C}_{1,} {C}_{2}, ...$$ общий заряд равен сумме зарядов отдельных конденсаторов, общее напряжение равно напряжению на каждом, общая ёмкость равна сумме ёмкостей:
$$ C={C}_{1}+{C}_{2}+...$$
 |
| Рис. 10.1 |
В плоский конденсатор параллельно его обкладкам вставлена пластина из диэлектрика с диэлектрической проницаемостью $$ \varepsilon $$ (рис. 10.1). Площадь обкладок конденсатора и пластины $$ S$$, толщина пластины $$ d$$, расстояние между обкладками $$ 3d$$. Найти ёмкость такого конденсатора.
Пусть расстояние от пластины до левой обкладки конденсатора $$ x$$. Наклеим мысленно на обе стороны пластины тонкую проводящую и незаряженную фольгу. От этого ничего не изменится. Обе фольги можно рассматривать как своеобразные провода, соединяющие три последовательно соединённых конденсатора с расстояниями $$ x$$, $$ d$$ и $$ 2d-x$$. Для общей ёмкости $$ C$$:
$$ {\displaystyle \frac{1}{C}}={\displaystyle \frac{x}{{\varepsilon }_{0}S}}+{\displaystyle \frac{d}{\varepsilon {\varepsilon }_{0}S}}+{\displaystyle \frac{2d-x}{{\varepsilon }_{0}S}}$$.
Окончательно $$ C={\displaystyle \frac{\varepsilon {\varepsilon }_{0}S}{d(2\varepsilon +1)}}.$$ Заметим, что не заданная в условии величина $$ x$$ «исчезла» в процессе решения.
 |
| Рис. 10.2 |
В плоский конденсатор ёмкостью $$ C$$ вставлена параллельно обкладкам плоская проводящая пластина с зарядом $$ Q$$ (рис. 10.2). Конденсатор подсоединён к источнику с ЭДС $$ \mathcal{E}$$. Площади пластины и обкладок конденсатора равны. Толщина пластины равна расстоянию от неё до правой обкладки и составляет четверть от расстояния между обкладками. Найти заряд конденсатора.
Пусть $$ d$$ – расстояние между обкладками, $$ S$$ – их площадь. Пусть $$ q$$ заряд правой обкладки. Тогда заряд левой будет $$ -q$$, т. к. заряд в значительных количествах не может накапливаться на соединительных проводах и в источнике. Направим ось $$ x$$ влево (рис. 10.3).
 |
| Рис. 10.3 |
Заметим, что поле внутри пластины отсутствует и разность потенциалов $$ {\varphi }_{N}-{\varphi }_{F}$$ между точками $$ N$$ и $$ F$$ равна нулю. Кроме того, заряды на поверхностях пластины создают вне пластины такое же поле, как и заряд $$ Q$$, если бы его расположить на любой из двух поверхностей пластины. Это легко показать отдельно.
Разность потенциалов $$ {\varphi }_{M}-{\varphi }_{P}$$ между точками $$ M$$ и $$ P$$ равна $$ \mathcal{E}$$. Поэтому
$$ ({\varphi }_{M}-{\varphi }_{N})+({\varphi }_{N}-{\varphi }_{F})+({\varphi }_{F}-{\varphi }_{P})=\mathcal{E}$$.
У нас $$ {\varphi }_{M}-{\varphi }_{N}={E}_{A}{\displaystyle \frac{d}{4}}, {\varphi }_{N}-{\varphi }_{F}=0, {\varphi }_{F}-{\varphi }_{P}={E}_{K}{\displaystyle \frac{d}{2}}$$.
Здесь - $$ {E}_{A}$$ и $$ {E}_{K}$$ - проекции напряжённости результирующего поля на ось `x`. По принципу суперпозиции полей
$$ {E}_{A}={\displaystyle \frac{q}{2{\varepsilon }_{0}S}}-{\displaystyle \frac{Q}{2{\varepsilon }_{0}S}}-{\displaystyle \frac{-q}{2{\varepsilon }_{0}S}}={\displaystyle \frac{1}{2{\varepsilon }_{0}S}}\left(2q-Q\right)$$,
$$ {E}_{K}={\displaystyle \frac{q}{2{\varepsilon }_{0}S}}+{\displaystyle \frac{Q}{2{\varepsilon }_{0}S}}-{\displaystyle \frac{-q}{2{\varepsilon }_{0}S}}={\displaystyle \frac{1}{2{\varepsilon }_{0}S}}\left(2q+Q\right)$$.
Подставляя выражения для $$ {E}_{A}$$, $$ {E}_{K}$$ и разностей потенциалов в первое
уравнение, получим после упрощений $$ 6q+Q=8\mathcal{E}{\displaystyle \frac{{\varepsilon }_{0}S}{d}}$$.
Так как $$ {\displaystyle \frac{{\varepsilon }_{0}S}{d}}=C$$, то $$ q=(8C\mathcal{E}-Q)/6$$.
Следует заметить, что знак найденного заряда правой обкладки зависит от соотношения заданных в условии задачи величин.
 |
| Рис. 10.4 |
На схему (рис. 10.4) подано напряжение `U=24` В. Ёмкости конденсаторов `C_1=1` мкФ, $$ {C}_{2}=2$$ мкФ, $$ {C}_{3}=3$$ мкФ. Найти напряжения на конденсаторах.
В задачах, где есть схемы с конденсаторами, обычно предполагается, что схемы собраны из первоначально незаряженных конденсаторов.
Ёмкость между точками $$ B$$ и $$ K$$:
$$ {C}_{BK}={C}_{2}+{C}_{3}=5$$ мкФ.
Общая емкость: $$ {C}_{AK}={\displaystyle \frac{{C}_{1}{C}_{BK}}{{C}_{1}+{C}_{BK}}}={\displaystyle \frac{5}{6}}$$ мкФ.
Общий заряд всей батареи конденсаторов $$ {q}_{AK}={C}_{AK}U=20·{10}^{-6 }\mathrm{Кл}.$$
Так как заряд $$ {q}_{1}$$ конденсатора $$ {C}_{1}$$ равен заряду батареи, то напряжение на этом конденсаторе $$ {U}_{1}={q}_{1}/{C}_{1}={q}_{AK}/{C}_{1}=20$$ В. Напряжения на конденсаторах $$ {C}_{2}$$ и $$ {C}_{3}$$ равны напряжению между точками $$ B$$ и $$ K$$ и в сумме с $$ {U}_{1}$$ дают $$ U$$.
Поэтому $$ {U}_{2}={U}_{3}={U}_{BK}=U-{U}_{1}=4$$ В.
Приведённая в задаче схема негромоздкая, и ответ легко получить в общем виде:
$$ {U}_{1}={\displaystyle \frac{{C}_{2}+{C}_{3}}{{C}_{1}+{C}_{2}+{C}_{3}}}U=20$$ B,
$$ U2=U3={\displaystyle \frac{{C}_{1}}{{C}_{1}+{C}_{2}+{C}_{3}}}U=4$$ B.
Итак, мы познакомились с понятием логического выражения и увидели, каким образом его строить по высказыванию на русском языке. Следующий шаг – изучение преобразований логических выражений.
Логические выражения, зависящие от одних и тех же логических переменных, называются равносильными, если на любом наборе значений переменных они принимают одинаковое значение (`0` или `1`). В дальнейшем для обозначения равносильности логических выражений мы будем использовать знак равенства.<
это некоторые стандартные преобразования логических выражений, при которых сохраняется равносильность. Начнём с самых простых законов:
1) Законы поглощения констант
x `vv` 0 = x, x & 1 = x;
2) Законы поглощения переменных
x `vv` 1 = 1, x & 0 = 0;
3) Законы идемпотентности
x & x = х, x `vv` x = х;
4) Закон двойного отрицания
$$ \stackrel{=}{\mathrm{x}}$$ = x;
5) Закон противоречия
x & $$ \stackrel{-}{\mathrm{x}}$$ = 0;
6) Закон исключённого третьего
x `vv` $$ \stackrel{-}{\mathrm{x}}$$ = 1;
Приведённые законы ещё называют аксиомами алгебры логики. Истинность этих и всех последующих законов легко можно установить, построив таблицу истинности для левого и правого логического выражения.
Переходим к группе законов, которые практически аналогичны законам алгебры чисел.
7) Законы коммутативности
x & y = y & x,
x `vv` y = y `vv` x;
Здесь стоит сделать замечание, что помимо конъюнкции и дизъюнкции свойством коммутативности также обладают эквивалентность и строгая дизъюнкция. Импликация – единственная из изучаемых операций, которая имеет два операнда и не обладает свойством коммутативности.
8) Законы ассоциативности
(x & y) & z = x & (y & z),
(x`vv`y) `vv` z = x `vv` (y `vv` z);
9) Законы дистрибутивности
x & (y `vv` z) = (x & y) `vv` (x & z),
x `vv` (y & z) = (x `vv` y) & (x `vv` z);
Первый из законов дистрибутивности аналогичен закону дистрибутивности в алгебре чисел, если конъюнкцию считать умножением, а дизъюнкцию – сложением. Второй же закон дистрибутивности отличается от алгебры чисел, поэтому рекомендуется обратить на него особое внимание и в дальнейшем использовать при решении задач на упрощение выражений.
Кроме аксиом и алгебраических свойств операций ещё существуют особые законы алгебры логики.
10) Законы де Моргана
$$\style{font-family:'Courier New'}{\overline{\mathrm x\&\mathrm y}=\overline{\mathrm x}\vee\overline{\mathrm y},}$$
$$\style{font-family:'Courier New'}{\overline{\mathrm x\vee\mathrm y}=\overline{\mathrm x}\;\&\;\overline{\mathrm y};}$$
11) Загоны поглощения (не путать с аксиомами поглощения переменных нулём или единицей)
x `vv` (x & y) = x;
x & (x `vv` y) = x.
Рассмотрим пример доказательства первого закона де Моргана при помощи построения таблицы истинности.
|
`x` |
`Y` |
`x&y` |
`bar(x&y)` |
`barx` | `bary` |
`barx vv bary` |
|
`0` |
`0` |
`0` |
`1` |
`1` |
`1` |
`1` |
|
`0` |
`1` |
`0` |
`1` |
`1` |
`0` |
`1` |
|
`1` |
`0` |
`0` |
`1` |
`0` |
`1` |
`1` |
|
`1` |
`1` |
`1` |
`0` |
`0` |
`0` |
`0` |
Так как результирующие столбцы совпали, то выражения, стоящие в левой и правой частях закона, равносильны.
В алгебре при решении задач на упрощение выражений большой популярностью пользовалась операция вынесения общего множителя за скобки. В алгебре логики эта операция также является легитимной, благодаря законам дистрибутивности и закону поглощения константы `1`. Продемонстрируем этот приём на простом примере: докажем первый закон поглощения, не используя таблицу истинности.
Наше начальное выражение: x `vv` (x & y). Выносим `x` за скобки и получаем следующее выражение:
x &(1 `vv` y). Используем закон поглощения переменной константой `1` и получаем следующее выражение: x & 1. И теперь используем закон поглощения константы и получаем просто x.
В заключение, следует сказать несколько слов об операции импликации. Как уже отмечалось выше, импликация не обладает свойством коммутативности. Её операнды неравноправны, поэтому каждый из них имеет уникальное название. Левый операнд импликации называется посылкой, а правый – следствием. Из таблицы истинности импликации следует, что она истинна, когда истинно следствие, либо ложна посылка. Единственный случай, когда импликация ложна – это случай истинной посылки и ложного следствия. Таким образом, мы подошли к последнему закону алгебры логики, который бывает полезен при упрощении выражений.
12) Закон преобразования импликации
`"x" -> "y" = bar("x") vv "y"`
Необходимо ещё отметить, что в сложных логических выражениях у операций есть порядок приоритетов.
1) Отрицание
2) Конъюнкция
3) Дизъюнкция, строгая дизъюнкция, эквивалентность
4) Импликация
С помощью тождественных преобразований максимально упростить следующее логическое выражение:
`bar C vv` (`A` & `С`) `vv` (`bar(A vv C vv bar(B)`)
Максимально упростить, это значит довести выражение до такого вида, когда невозможно применить ни один из законов алгебры логики, которые сокращают длину выражения.
Для того, чтобы не запутаться, можно использовать общую стратегию упрощения логических выражений.
1) Избавиться от операций импликации.
2) Продвинуть отрицание вглубь выражения. То есть применять законы де Моргана, и закон двойного отрицания пока знак отрицания не будет стоять только над переменными (но не над операциями).
После пункта 2 наступает относительная свобода действий. Можно использовать тождества поглощения или раскрывать скобки.
В нашей задаче операция импликации отсутствует, поэтому первый пункт мы пропускаем. Переходим к пункту 2. Применяем два раза второй закон де Моргана (для дизъюнкции) и закон двойного отрицания к правой скобке и получаем следующее логическое выражение:
`bar C vv ` (`A` & `C`) `vv` (`bar A` & `bar C` & `B`)
Если теперь внимательно посмотреть на выражение, то очевидно, что к первому и третьему слагаемому можно применить первый закон поглощения, так как отрицание переменной `C` является первым слагаемым и входит в третье в качестве множителя.
Поскольку дизъюнкцию ещё называют логическим сложением, её операнды называют слагаемыми, аналогично конъюнкция – это логическое умножение, и её операнды называют множителями.
После применения первого закона поглощения получается следующее логическое выражение:
`bar C` `vv` (`A` & `C`)
Применим второй (нестандартный для алгебры) закон дистрибутивности. Получаем:
(`bar C vv A`) & (`bar C vv C`)
Ко второй скобке применяем закон исключённого третьего, превращаем её в единицу, а затем применяем закон поглощения константы `1` и в итоге получаем выражение: `bar C vv A`, которое упростить уже нельзя.
Для лучшего понимания, рекомендуется выписать исходное логическое выражение, последовательно применить к нему все описанные действия и сравнить свой результат с приведённым в конце решения задачи.
Обратите внимание, что исходное логическое выражение зависело от трёх переменных (`A, B, C`) , в то время как упрощённое в итоге зависит от двух логических переменных (`A` и `C`). При этом выражения всё равно остаются равносильными! Это происходит потому, что в процессе упрощения применялись законы поглощения. Аналогичный результат мог бы получиться, если в процессе упрощения выражения используются законы поглощения переменных константами. Исчезновение переменной при упрощении означает, что в исходном выражении она является несущественной.
Укажите значения переменных `K`, `L`, `M`, `N`, при которых логическое выражение `(L vv M) ^^ (¬ K -> M) ^^ ¬ N ^^ ¬ M` истинно.
Будем следовать стратегии, описанной в предыдущем примере. Первым делом избавляемся от операции импликации. Получаем следующее выражение:
`(L vv M) ^^ ( K vv M) ^^ ¬ N ^^ ¬ M`
Отрицание вглубь продвигать не надо. Теперь раскроем скобки. Для упрощения условимся операцию конъюнкции никак не обозначать (по аналогии с алгеброй чисел).
`(LK vv LM vv MK vv M) ( ¬ N) ( ¬ M)`
В первой скобке можно применить тождество поглощения, и «съесть» второе и третье слагаемое, которые содержат M в качестве множителя. Получается такое выражение:
`(LK vv M) ( ¬ N) ( ¬ M)`
Выполнив оставшиеся операции умножения, получим следующий результат:
` LK¬ N¬ M`
Получили одну конъюнкцию. Следовательно, существует всего один набор значений переменных, при котором получится значение «1»: `L=1`, `K=1`, `N=0`, `M=0`.
Сколько решений имеет уравнение:
`(((K¬L¬N) (¬L -> M))` \/ `((¬K` \/ `L` \/ `N) (¬L¬M))) (K`\/`N)=1`
Исходное выражение достаточно сложное, поэтому будем его упрощать. Первым делом избавимся от импликаций, получим:
`(((K¬L¬N) (L`\/ `M))` \/ `((¬K` \/ `L` \/ `N) (¬L¬M))) (K`\/`N) = 1`
Теперь раскроем скобки. Для упрощения условимся не записывать слагаемые, куда одновременно входят некоторая переменная и её отрицание (они всё равно равны нулю):
`(K¬L¬NM` \/ `¬K¬L¬M` \/ `N¬L¬M) (K`\/`N) = 1`
Продолжаем раскрытие скобок. Получаем:
`K¬L¬NM` \/ `¬K¬L¬MN` \/ `KN¬L¬M` \/ `N¬L¬M = 1`
Ко второму, третьему и четвёртому слагаемому можно применить тождество поглощения. В итоге получится:
`K¬L¬NM` \/ `N¬L¬M = 1`
На этом упрощение закончено, теперь будем анализировать. Дизъюнкция равна единице, если хотя бы одно из слагаемых равно единице. Первое слагаемое равно единице на единственном наборе переменных: (`K=1`, `L=0`, `N=0`, `M=1`). Второе слагаемое равно единице на двух наборах: (`N=1`, `L=0`, `M=0`, `K` – любое (или `0` или `1`)). Соответственно, уравнение имеет три различных решения.
В нарушении правил обмена валюты подозреваются четыре работника банка - Антипов (`A`), Борисов (`B`), Цветков (`C`) и Дмитриев (`D`). Известно, что:
1) Если `А` нарушил, то и `В` нарушил правила обмена валюты.
2) Если `B` нарушил, то и `C` нарушил или `A` не нарушал.
3) Если `D` не нарушил, то `A` нарушил, а `C` не нарушал.
4) Если `D` нарушил, то и `A` нарушил.
Кто из подозреваемых нарушил правила обмена валюты?
Чтобы решить эту задачу, необходимо провести процесс формализации условия, сформировать единое логическое выражение и провести его упрощение. Выделим из условия четыре простых высказывания: «`A` нарушил правила», «`B` нарушил правила», «`C` нарушил правила», и «`D` нарушил правила». Обозначим их соответственно буквами `A`, `B`, `C`, `D`. Тогда высказывания из условия формализуются следующим образом (конъюнкция не обозначается никак):
1) `A -> B`;
2) `B -> C` \/ `¬A`;
3) `¬D -> A¬ C`;
4) `D -> A`.
Нам известно, что выполняются все 4 высказывания, следовательно, нужно объединить их знаками конъюнкции и найти наборы, при которых получившееся общее высказывание будет истинным. Эти наборы и покажут нам, какие возможны ситуации (правила обмена нарушил тот, у кого переменная в итоговом наборе имеет значение «1»).
Итак, строим логическое выражение:
`(A -> B)( B -> C` \/ `¬A)( ¬D -> A¬C)( D -> A)`.
Теперь будем его упрощать. По алгоритму первым делом избавляемся от операции импликации. Получаем следующее выражение:
`(¬A` \/ `B)( ¬B` \/ `C` \/ `¬A)( D` \/ `A¬C)( ¬D` \/ `A)`.
Раскрываем скобки. Первую перемножаем со второй, а третью с четвёртой.
`(¬A¬B` \/ `¬AC` \/ `¬A` \/ `BC` \/ `B¬A) ( DA` \/ `A¬C¬D` \/ `A¬C)`.
Напомним, что слагаемые, равные нулю по причине того, что в них входит сразу и переменная и её отрицание, мы не записываем. В первой скобке теперь можно применить тождество поглощения, и «съесть» все слагаемые, имеющие в своём составе `A` с отрицанием. Во второй скобке можно также применить тождество поглощения, и «съесть» второе слагаемое. В итоге получаем:
`( ¬A` \/ `BC ) ( DA` \/ `A¬C)`.
При раскрытии оставшихся скобок три из четырёх слагаемых окажутся равными нулю, а последнее будет выглядеть следующим образом: `ABCD`. Из этого следует, что все четверо работников банка нарушили правило обмена валюты. (Только в этой ситуации предположения из условия задачи одновременно выполняются).
Правила обмена валюты нарушили все.
Известно, что обе надписи на дверях либо истинны, либо ложны одновременно. Надпись на первой двери – "Клад за другой дверью", на второй двери – "Клада за этой дверью нет, а за другой – есть". Где находится клад?
По сути нас интересуют два простых высказывания: «Клад есть за первой дверью» и «Клад есть за второй дверью». Обозначим первое из них буквой `A`, а второе буквой `B`. Тогда изначальные предположения формализуются следующим образом:
1) `B`;
2) `¬BA`.
В этой задаче в отличие от предыдущей у нас две возможные ситуации относительно комбинирования начальных предположений – они либо оба истинны, либо оба ложны. Предположим, что они оба истинны, тогда при их перемножении получится тождественный ноль, что означает невозможность данной ситуации.
Предположим, что оба высказывания ложны, тогда необходимо перед перемножением на каждое из них «навесить» отрицание (рассматривать истинность противоположных высказываний) В итоге получится следующее логическое выражение:
`¬B ¬(¬BA)`.
Упрощаем его по алгоритму: отрицание продвигаем вглубь, применяя тождество Де Моргана. Получаем:
`¬B (B` \/ `¬A)`.
Раскроем скобки. Первое слагаемое сокращается, а второе выглядит следующим образом: `¬B¬A`.
Полученный результат означает, что условия задачи выполняются, только в случае, когда оба высказывания ложны, а это означает, что клада нет ни за одной дверью. Не повезло нам `J`.
Клада нет ни за одной дверью.
В заключение приведём общую схему решения текстовых логических задач, которую мы уже применяли на практике при разборе примеров.
1) Выделить из условия задачи элементарные (простые) высказывания и обозначить их буквами.
2) Записать условие задачи на языке алгебры логики, соединив простые высказывания в сложные с помощью логических операций.
3) Составить единое логическое выражение для всех требований задачи (возможно не одно).
4) Используя законы алгебры логики попытаться упростить полученное выражение и вычислить все его значения либо построить таблицу истинности для рассматриваемого выражения (Таблицу можно строить, если в выражении не более трёх логических переменных).
5) Выбрать решение — набор значений простых высказываний, при котором построенное логическое выражение является истинным;
6) Проверить, удовлетворяет ли полученное решение условию задачи.
Среди задач алгебры логики часто встречаются задачи на определение количества решений систем логических уравнений. Рассмотрим примеры некоторых их них.
Найдите количество решений системы уравнений:
`(x2-=x1)+x2&x3+ not x2& not x3=1`
`(x3-=x1)+x3&x4+ not x3& not x4=1`
`…`
`(x9-=x1)+x9 & x10+ not x9 & not x10=1`
`(x10 & x1)=0`
где `x1 … x10` - неизвестные логические величины
Упростим исходные уравнения, заметив, что, `(x2&x3+ not x2& notx3=(x2-=x3)`. Исходную систему запишем в виде:
`(x2-=x1)+(x2-=x3)=1`
`(x3-=x1)+(x3-=x4)=1`
`…`
`(x9-=x1)+(x9-=x10)=1`
`(x10&x1)=0`
В первом уравнении используются три переменных `x1`, `x2` и `x3`. Значения `x1` и `x2` могут быть выбраны произвольно четырьмя способами:
|
`bb(x1)` |
`bb(x2)` |
`bb(x3)` |
|
`0` |
`0` |
`0` |
|
`0` |
`0` |
`1` |
|
`0` |
`1` |
`1` |
|
`1` |
`0` |
`0` |
|
`1` |
`1` |
`0` |
|
`1` |
`1` |
`1` |
Если `x2=x1`, то значение `x3` может быть любое (эти строки выделены серым цветом), а при `x2!=x1` получаем только один вариант: `x3=x2`.
Таким образом, при подключении первого уравнения число решений увеличивается на количество строк в таблице, для которых значения `x1` и `x2` (последней рассмотренной переменной) равны. В данном случае таких строк две, получаем 6 решений. Более того, в новой таблице снова осталось всего две строки (верхняя и нижняя), где `x3=x1`. Как следует из второго уравнения, именно эти (и только эти) строки на следующем шаге “раздваиваются”, дают по два решения. Таким образом, при подключении к системе очередного уравнения число решений увеличивается на `2`. Для двух уравнений получим 8 решений, для трёх - 10, а для восьми - 20 решений.
Остается учесть последнее (особое) уравнение, `(x10-=x1)=0`. Это означает, что `x10!=1`. Из анализа таблицы видно, что есть всего две строки (верхняя и нижняя), где первая и последняя переменные равны. Поэтому из полученных 20 решений нужно отбросить эти два, не удовлетворяющие последнему уравнению. В итоге исходная система имеет 18 решений.
Найдите количество решений системы уравнений:
`not x1+x2=1`
`not x2+x3=1`
`…`
`not x9+x10=1`
где `x1 … x10` - неизвестные логические величины
`(not x1 + x2)&( not x2 + x3) &…&(not x9 + x10)=1`
однако это не упрощает решения.
Можно заметить, что первое уравнение зависит только от `x1` и `x2`, а каждое новое уравнение добавляет по одной новой переменной. Поэтому можно решать систему последовательно с помощью построения таблицы. Первое уравнение, `not x1+x2=1`, обращается в истинное равенство в трех случаях:
| `bb(x1)` | `bb(x2)` |
| `0` | `0` |
| `0` | `1` |
| `1` | `1` |
Подключив второе уравнение, `not x2+x3=1`, заметим, что допустимые значения `x3` зависят от ранее выбранного значения `x2`: если `x2=0`, то `x3` может принимать любое значение (`0` или `1`), а если `x2=1`, то `x3=1`. Соответствующая таблица выглядят так:
|
`bb(x1)` |
`bb(x2)` |
`bb(x3)` |
|
`0` |
`0` |
`0` |
|
`1` |
||
|
`0` |
`1` |
`1` |
|
`1` |
`1` |
`1` |
Легко заметить, что при добавлении очередного уравнения верхняя строка таблицы дает два решения (они выделены серы м цветом), а остальные строки - по одному. Поэтому количество решений увеличивается на `1`. Таким образом, система из трёх уравнений имеет 5 решений, из четырех - 6, а исходная система из девяти уравнений - 11 решений.
11 решений.
Заметим, что часто перед решением больших систем логических уравнений сначала удобно упростить исходную систему с помощью законов алгебры логики, а также воспользоваться заменой переменных, если это возможно.
Подобно предыдущему заданию, теперь мы вновь перейдём к изучению программирования и применим полученные знания по алгебре логики на практике.
В прошлом задании мы работали с числовыми типами переменных и учили арифметику, теперь познакомимся с логическим типом переменных, который называется Boolean. Переменные этого типа имеют всего два значения – true и false (соответственно, «истина» и «ложь»). Подобно числовым переменным им можно присваивать значения при помощи оператора присваивания. При этом необходимо строго соблюдать правило совместимости типов. То есть логическим переменным нельзя присваивать числовые значения, а числовым – логические.
В языке Паскаль помимо арифметических операций ещё существует `6` операций сравнения: больше» `(>)`, «больше или равно» `(> =)`, «меньше» `(<)`, «меньше или равно» `(< =)`, «равно» `(=)`, и «не равно» `(<>)`. Операция «не равно» записывается, как последовательность знаков «меньше» и «больше». Результатом каждой из этих операций является логическое значение true или false. Например, операция `5 > 2` выдаст значение true, а операция `x<>3` выдаст значение true, если переменная `X` имеет любое значение, кроме `3`. Сравнивать можно не только числа (причём как целые, так и вещественные), но и логические значения. При этом считается, что значение true больше, чем значение false. При сравнении обязательно соблюдать правило совместимости типов, то есть можно сравнивать числа между собой (причём в отличие от оператора присваивания, здесь никаких ограничений нет). Можно сравнивать между собой логические значения. Но нельзя сравнивать логическое значение с числом любого типа.
Помимо операций сравнения, в паскале существуют четыре логические операции, абсолютно аналогичные операциям алгебры логики.
1) Операция AND (в алгебре логики – «конъюнкция»)
2) Операция OR (в алгебре логики – «дизъюнкция»)
3) Операция XOR (в алгебре логики – «строгая дизъюнкция»)
4) Операция NOT (в алгебре логики – «отрицание»)
Все операнды этих операций должны быть логического типа, а никак не числового. Причём, операции AND, OR и XOR имеют по `2` операнда, а операция NOT – один операнд, который записывается справа от названия операции (аналогично обозначению операции NOT при помощи `¬` в алгебре логики)
Теперь у нас есть достаточно много операций и нужно расставить их по приоритету выполнения. В Паскале есть четыре приоритета операций:
1) Операция not;
2) Операции группы умножения: *, /, div, mod, and;
3) Операции группы сложения: +, – , or, xor;
4) Операции группы сравнения: >, <, <=, >=, =, <>.
Операции одного приоритета выполняются слева направо. Операции в круглых скобках имеют более высокий приоритет, чем вне скобок.
Теперь рассмотрим несколько примеров задач на использование логического типа.
Записать на Паскале логическое выражение истинное при выполнении указанного условия и ложное в противном случае. Результат вычисления данного выражения присвоить переменной F.
Числовая переменная X имеет значение на отрезке [–1,1].
F:=abs(X)<=1;
Числовая переменная X имеет значение на отрезке [2,7].
F:=(X>=2)and(X<=7).
Обратите внимание на скобки. Они обязательны, поскольку операции сравнения имеют более низкий приоритет, чем операция and.
Числовая переменная X имеет значение на одном из 2 отрезков: [–10, 3] или [10, 20].
F:=(X>=-10)and(X<=3)or(X>=10)and(X<=20).
Логические переменные A и B имеют различные значения.
F:=A<>B.
По крайней мере 2 из логических переменных A, B и C имеют значение true.
F:=A and B or A and C or B and C.
:
В восьмом и девятом классах ЗФТШ было по два Задания по геометрии. Напомним, что были повторены темы: равенство и подобие треугольников, свойства параллелограммов, прямоугольный треугольник, свойства биссектрис, медиан и высот треугольника, теорема Менелая, свойства касательных хорд и секущих, площадь треугольника и четырёхугольника.
Как и раньше, основное внимание уделяется приёмам решения задач. Подробные решения 19 задач демонстрируют различные методы и подходы, по ходу решения напоминаются теоремы и свойства фигур, при этом отобраны в определённом смысле характерные задачи по каждой теме; в некоторых задачах доказаны новые утверждения и получены полезные формулы.
Задание оканчивается контрольными вопросами и задачами для самостоятельного решения. Приступая к решению задания, сначала ознакомьтесь с нашими пожеланиями и требованиями по его оформлению и с примерами ответов на контрольные вопросы (этот материал размещён перед контрольными вопросами). Вопросы и задачи оценены по трудности в очках, указанных в скобках после номера. За правильный ответ и верное решение ставится полное число очков, за недочёты или ошибки определённое число очков снимается. Знаком (`**`) звёздочка отмечены более трудные задачи и вопросы.
Для тех, кто лишь в этом году поступил в ЗФТШ, сделаем дополнительные замечания. Работа над заданием потребует определённого времени. Надо прочитать и проработать каждый параграф: разобрать приведённые доказательства, выучить формулировки теорем, выписать и запомнить формулы. И, что очень важно, понять и воспроизвести решения приведённых в тексте примеров. После этого вы легко ответите на большинство контрольных вопросов и решите предложенные задачи.
Кроме того, рекомендуем найти на сайте ЗФТШ Задания №1 и №5 для 9-го класса, прочитать их, разобрать новые для Вас утверждения, формулы, (которые выучить), методы. Именно для тех, кто поступил в ЗФТШ в этом году, данное Задание и Задание №5 для 9 класса имеют пересечение - т. е. некоторые части текста у них одинаковые.
Задачи для самостоятельного решения различной сложности. Если какую-либо задачу не удалось решить, найдите аналогичную в тексте задания, разберите её и сделайте ещё одну попытку. Либо подумайте, на какую тему задача и какой параграф следует ещё раз повторить из этого Задания или Заданий для 9-го класса.
Для произвольного треугольника, длины сторон которого, противолежащие вершинам `A`, `B` и `C`, обозначим `a`, `b` и `c`, справедливы две теоремы, устанавливающие соотношения между сторонами и углами треугольника. Утверждения этих теорем кратко можно записать так:
`c^2=a^2+b^2-2abcosC`
`a/(sinA)=b/(sinB)=c/(sinC)`
Напомним также, что
`a/(sinA)=b/(sinB)=c/(sinC)=2R` (1)
где `R` - радиус окружности, описанной около треугольника.
Покажем применение этих теорем.
В параллелограмме сумма квадратов диагоналей равна сумме квадратов всех его сторон.
Пусть `ABC` - параллелограмм и `AB=CD=a`, `AD=BC=b`, `BD=d_1`, `AC=d_2`, (рис. 1). Если `varphi=/_BAD`, то `/_ADC=180^@-varphi`. Из треугольников `ABD` и `ACD` по теореме косинусов будем иметь:
`d_1^2=a^2+b^2-2abcosvarphi`,
`d_2^2=a^2+b^2-2abcos(180^@-varphi)`.
Складывая почленно эти равенства и учитывая, что `cos(180^@-varphi)=-cosvarphi`, получим требуемое равенство:
| `d_1^2+d_2^2=2a^2+2b^2`. |
Зная три стороны треугольника `a`, `b` и `c`, найти медиану `m_c` к стороне `c`.
Пусть в треугольнике `ABD` (рис. 1) `AB=a`, `AD=b`, `BD=c` и `AO` - медиана. Достроим треугольник `ABD` до параллелограмма (на прямой `AO` отложим `OC=AO` и соединим точки `B` с `C` и `D` с `C`; диагонали четырёхугольника `ABCD`, пересекаясь, делятся пополам, это параллелограмм). Так как `BD=c` и `AC=2m_c`, то по доказанному в теореме 1 имеем: `(2m_c)^2+c^2=2a^2+2b^2`; отсюда получаем формулу для медианы треугольника через его стороны:
| `m_c=sqrt((a^2+b^2)/2-c^2/4)`. |
В треугольнике `ABC` точки `M` и `N` лежат на сторонах `AB` и `AC` (рис. 2), при этом `BM=MN=NC`. Найти отношение `MN:BC`, если `AC:AB = 3:2`, и угол `A` равен `60^@`.
Обозначим `x=MN`, `2a=AB`, тогда `AC=3a`, `ul(AM=2a-x)` и `ul(AN=3a-x)`. Применим теорему косинусов к треугольнику `AMN`, в котором стороны выражены через `a` и `x` и известен угол `/_MAN=60^@`, получим `x^2=(2a-x)^2+(3a-x)^2-(2a-x)(3a-x)`, откуда находим `x=7/5 a`. По теореме косинусов выразим сторону `BC` через `a`:
`BC=sqrt(AB^2+AC^2-2AB*ACcos60^@)=sqrt7a`.
Теперь находим `(MN)/(BC)=x/(BC)=(sqrt7)/5`.
`(MN)/(BC)=(sqrt7)/5`.
Обратим внимание на применение теоремы косинусов. При доказательстве теоремы 1 использовался тот факт, что в фигуре (параллелограмме) есть дополнительные углы `/_A=varphi`, `/_D=180^@-varphi`, а `cos(180^@-varphi)=-cosvarphi`,
В примере 2 теорема косинусов применялась к треугольнику `AMN` с заданным углом `60^@`, стороны которого выражались через заданную величину `a` и неизвестную `x`.
В примере 5 (см. далее) Теорема косинусов позволяет найти косинус угла треугольника по трём известным его сторонам.
Следующие два примера на применение теоремы синусов.
В равнобедренном треугольнике `ABC` длины боковых сторон `AB` и `AC` равны `b`, а угол при вершине `A` равен `30^@` (рис. 3). Прямая, проходящая через вершину `B` и центр `O` описанной окружности, пересекает сторону `AC` в точке `D`. Найти длину отрезка `BD`.
Центр описанной около треугольника окружности лежит на серединном перпендикуляре `OK`, но т. к. высота равнобедренного треугольника является и медианой, то т. `O` лежит на высоте `AK`, которая является также и биссектрисой угла `A`. Таким образом,
`/_BAK=/_CAK=15^@`.
Треугольник `AOB` равнобедренный: `(AO=OB)` следовательно, `/_ABO=/_BAO=15^@`. Итак, в треугольнике `ABD` известны два угла, а т. к. сумма углов треугольника равна `180^@`, то `/_BDA=135^@`. По теореме
синусов из треугольника `ABD` имеем: `(BD)/(sin/_BAD)=(AB)/(sin/_BDA)`, откуда, учитывая, что `sin135^@=sin45^@`, находим:
`BD=b(sin30^@)/(sin45^@)=b/(sqrt2)`.
Точка `M` лежит на окружности с диаметром `BD`; точки `A` и `C` лежат на прямой `BD`, точка `C` лежит внутри окружности, а точка `B` - между точками `A` и `C`. Известно, что `AB=a`, `BC=b` и `/_AMB=/_BMC` (рис. 4). Найти радиус окружности.
1. Обозначим равные углы `AMC` и `BMC` через `alpha`, `BD=2R`, проведём хорду `MD` и обозначим `/_ADM=varphi`.
Угол `BMD` прямой (опирается на диаметр), тогда `/_AMD=90^@+alpha`, а `/_CMD=90^@-alpha`.
Применим теорему синусов к треугольникам `AMD` и `CMD`:
$$ \begin{array}{l}{\displaystyle \frac{AM}{\mathrm{sin}}}={\displaystyle \frac{AD}{\mathrm{sin}{\displaystyle \left(90°+\alpha \right)}}}\iff {\displaystyle \frac{AM}{\mathrm{sin}{\displaystyle \phi }}}={\displaystyle \frac{2R+a}{\mathrm{cos}{\displaystyle \alpha }}}\\ {\displaystyle \frac{CM}{\mathrm{sin}}}={\displaystyle \frac{CD}{\mathrm{sin}{\displaystyle \left(90°-\alpha \right)}}}\iff {\displaystyle \frac{CM}{\mathrm{sin}{\displaystyle \phi }}}={\displaystyle \frac{2R-b}{\mathrm{cos}{\displaystyle \alpha }}}\end{array}>\iff {\displaystyle \frac{AM}{CM}}={\displaystyle \frac{2R+a}{2R-b}}.$$
2. По условию отрезок `MB` - биссектриса угла `AMC`, по свойству биссектрисы `(AM)/(CM)=(AB)/(BC)=a/b`.
Из равенства
`(2R+a)/(2R-b)=a/b iffR=(ab)/(a-b)`.
`R=(ab)/(a-b)`.
Заметим, что из формулы (1) следует тот факт, что радиус окружности, описанной около треугольника, определяется одной из сторон и величиной противолежащего угла, а именно
| `R=a/(2sinA)`. |
Это замечание поможет нам решить следующую задачу.
Из одной точки окружности проведены две хорды `AB` и `BC` длиной `9` и `17`. Отрезок `MN`, соединяющий середины этих хорд, равен `5` (рис. 5). Найти радиус окружности.
По теореме косинусов из треугольника `MBN` найдём
`cos/_B:(MB=9//2, BN=17//2):` `MN^2=MB^2+BN^2-2BM*BNcosB`,
откуда `cosB=(BM^2+BN^2-MN^2)/(2BM*BN)=15/17`.
Значит, `sin/_B=sqrt(1-cos^2B)=8/17`. Далее, т. к. `MN` - средняя линия треугольника `ABC`, то `AC=10` и `R=(AC)/(2sinB)=85/8`.
`10,625`.
В школьном курсе геометрии доказано несколько формул площади треугольника. Напомним их.
Пусть `A`, `B` и `C` - углы треугольника`ABC`; `a`, `b` и `c` - противолежащие этим углам стороны; `h_a`, `h_b` и `h_c` - высоты к этим сторонам; `r` - радиус вписанной окружности;`R` - радиус описанной окружности; `2p=(a+b+c)` - периметр треугольника; `S` - площадь треугольника
| `S=1/2ah_a=1/2bh_b=1/2ch_c`, | (1) |
| `S=1/2 ab sinC=1/2acsinB=1/2bcsinA`, | (2) |
| `S=pr`, | (3) |
| ``S=sqrt(p(p-a)(p-b)(p-c))` - формула Герона, | (4) |
| `S=(abc)/(4R)`. | (5) |
При вычислении площади из этих формул следует выбрать ту, которая в условиях конкретной задачи приводит к более простому решению.
Для примера, рассмотрим два треугольника:
|
|
`DeltaABC:` `AB=13`, `BC=14`, `AC=15`;
`DeltaKML:` `KL=sqrt(13)`, `LM=sqrt(14)`, `KM=sqrt(15)`;
Надо найти площадь и радиус описанной окружности.
Для треугольника `ABC` удобен ход решения такой:
`p=1/2(AB+BC+AC)=21`, по формуле Герона
`S_(ABC)=sqrt(21*6*7*8)= ul(84)` и по формуле (5)
`R=(abc)/(4S)=(13*14*15)/(4*84)=65/8=ul(8,125)`.
Для треугольника `KLM` вычисленная по формуле Герона затруднительны, более простой путь - найти косинус, например, угла `M`. По теореме косинусов
`13=14+15-2sqrt(14)*sqrt(15)cosM iffcosM=8/(sqrt(14)*sqrt(15))`,
тогда `sinM=sqrt(1-64/(210))=(sqrt(146))/(sqrt(14)*sqrt(15))` и по формуле (2):
`S_(KML)=1/2KM*LMsinM=1/2*(sqrt(14)*sqrt(15)*sqrt(146))/(sqrt(14)*sqrt(15))=(sqrt(146))/2`,
тогда `R=(KL)/(2sinM)=ul((sqrt(13)*sqrt(14)*sqrt(15))/(2*sqrt(146)))=(sqrt(13)*sqrt7*sqrt(15))/(2*sqrt(73))` (точно также по формуле 5).
Сравнение площадей треугольников обычно опирается на одно из следующих утверждений:
$$ 2.{1}^{○}$$. Площади треугольников с одинаковой высотой относятся как длины соответствующих оснований. В частности, если точка `D` лежит на основании `AC` (рис. 6а), то
`(S_(DBC))/(S_(ABC))=(DC)/(AC)`.
$$ 2.{2}^{○}$$. Площади треугольников с общим углом относятся как произведения сторон, заключающих этот угол (см. рис. 6б):
`(S_(KBL))/(S_(ABC))=(BK*BL)/(BA*BC)`.
$$ 2.{3}^{○}$$. Площади подобных треугольников относятся как квадраты их
сходственных сторон, т. е. если `Delta ABC~DeltaA_1B_1C_1`, то `(S_(A_1B_1C_1))/(S_(ABC))=((A_1B_1)/(AB))^2`.
Все эти утверждения легко доказываются с использованием соответственно формул площади (1) и (2).
Обратим внимание на важное свойство медиан треугольника.
Три медианы треугольника разбивают его на `6` треугольников с общей вершиной и равными площадями.
Известно, что три медианы треугольника пересекаются в одной точке и делятся в отношении `2:1`, считая от вершины. Пусть `O` - точка пересечения медиан треугольника `DeltaABC` площади `S` (рис. 7а). Надо доказать, что площади всех шести треугольников с верш иной в точке `O`, составляющих треугольник `ABC`, равны между собой, т. е. равны `1/6S`.
Докажем, например, для треугольника `BOM`, что `S_(BOM)=1/6S_(ABC)`.
Точка `M` - середина стороны `BC` (рис. 7б), по утверждению $$ 2.{1}^{○}$$ о сравнении площадей `S_(ABM)=1/2S`. Медиана `BN`, пересекая медиану `AM` в точке `O` (рис. 7в), делит её в отношении `AO:OM=2:1`, т. е. `OM=1/3AM`. По тому же утверждению $$ 2.{1}^{○}$$ площадь треугольника `BOM` составляет `1//3` площади треугольника `ABM`, т. е.
`S_(BOM)=1/3(1/2S)=1/6S`.
Дан треугольник `ABC`. Точка `D` лежит на стороне `AB`, `AD:DB=1:2`, точка `K` лежит на стороне `BC`, `BK:KC=3:2` (рис. 8а). Отрезки `AK` и `CD` пересекаются в точке `O`. Найти отношение площади четырёхугольника `DBKO` к площади треугольника `ABC`.
1. Обозначим `S_(ABC)=S`, `S_(DBKO)=sigma` и `S_(ADO)=a`. По утверждению $$ 2.{1}^{○}$$ имеем `S_(ABK)=a+sigma=3/5S` (так как `BK:BC=3:5`). Площадь `a` треугольника `ADO` найдём как часть площади треугольника `ADC`, зная, что `S_(ADC)=1/3S` (так как `AD:AB=1:3`).
2. Через точку `D` проведём прямую `DL``|\|``AK`. По теореме о пересечении сторон угла параллельными прямыми (`/_ABC`, `DL``|\|``AK`) имеем `(BL)/(LK)=(BD)/(AD)`, откуда `LK=y`.
По той же теореме (`/_DCB`, `OK``|\|``DL`) получим `(DO)/(DC)=(LK)/(LC)`, `DO=1/3DC`.
3. Теперь находим `S_(ADO):S_(ADC)=DO:DC`, `a=1/3(1/3S)=1/9S`.
(Можно по теореме Менелая для треугольника `BCD` и секущей `CD:`
`(BK)/(KC)*(CO)/(OD)*(DA)/(AB)=1 iff 3/2*(CO)/(OD)*1/3=1 iff CO=2OD=>OD=1/3DC`).
Находим площадь: `sigma=3/5S-a=(3/5-1/9)S=22/45S`.
`22/45`.
Найти площадь треугольника, две стороны которого равны `3` и `7`, а медиана к третьей стороне равна `4` (рис. 9).
Пусть `AB=3`, `BC=7`, `AM=MC` и `BM=4`. Достроим треугольник `ABC` до параллелограмма, для этого на прямой `BM` отложим отрезок `MD=BM` и соединим точки: `A` с `D` и `C` с `D`. Противоположные стороны параллелограмма равны: `(DC=AB)` и равны площади треугольников `ABC` и `DBC` (общее основание `BC` и равные высоты из вершин `A` и `D`).
В треугольнике `DBC` известны все три стороны: `BC=7`, `DC=3`, `BD=2BM=8`.
Находим его площадь по формуле Герона: `p=9`, `S_(BCD)=6sqrt3`.
Значит и `S_(ABC)=6sqrt3`.
В решении этой задачи дополнительным построением получен треугольник, площадь которого равна площади заданного и легко вычисляется по данным задачи. Приведём ещё одну задачу, где сначала вычисляется площадь дополнительно построенной фигуры, а затем легко находится искомая площадь.
Найти площадь треугольника, если его медианы равны `3`, `4` и `5`.
Пусть `O` - точка пересечения медиан треугольника `ABC` (рис. 10) и пусть `m_a=AM=3`, `m_b=BN=4` и `m_c=CP=5`.
По свойству медиан `AO=2/3m_a`, `CO=2/3m_c` и `ON=1/3m_b`. В треугольнике `AOC` известны две стороны `AO` и `CO` и медиана третьей стороны `ON`. Площадь этого треугольника найдём как в предыдущей задаче.
Достроим треугольник `AOC` до параллелограмма `AOCD`, `S_(AOC)=S_(DOC)`, в треугольнике `DOC` известны три стороны:
`DO=2ON=2/3m_b`, `OC=2/3m_c`, `DC=AO=2/3m_a`.
Площадь треугольника `DOC` вычисляем по формуле Герона `S_1=S_(AOC)=S_(DOC)=8/3`. Сравним теперь площадь треугольника `ABC` (обозначим её `S`) с площадью треугольника `AOC`. Из теоремы 2 о медианах и площадях следует `S_(AOC)=S_(AON)+S_(NOC)=2*1/6S=1/3S`.
Итак, `S=3`, `S_1=8`.
В следующей задаче докажем лемму об отношении площади треугольника к площади другого треугольника, построенного из медиан первого.
Найти отношение площади `S` треугольника к площади `S_0` треугольника, составленного из медиан первого.
Рассмотрим рис. 10. В построенном треугольнике `OCD` стороны таковы: `OC=2/3m_c`, `OD=2/3m_b`, `CD=2/3m_a`. Очевидно, что треугольник со сторонами `m_a`, `m_b`, `m_c` подобен (по третьему признаку) треугольнику со сторонами `2/3m_a`, `2/3m_b`, `2/3m_c`.
Из решения предыдущей задачи следует, что `S_(OCD)=S_1=1/3S` (здесь `S` - площадь треугольника `ABC`). Кроме того, площади подобных треугольников относятся как квадраты сходственных сторон, поэтому `(S_1)/(S_0)=(2/3)^2`. Таким образом, имеем `S_0=9/4S_1=3/4S`, т. е.
| `S_(m_am_bm_c)=3/4S_(abc)`. |
Из рассуждений в решении Примера 9 следует, что всегда существует треугольник со сторонами, равными медианам данного треугольника, поскольку всегда существует подобный ему треугольник со сторонами `2/3m_a`, `2/3m_b`, `2/3m_c`. Кроме того, становится ясным план построения треугольника по трём отрезкам, равным его медианам: сначала строится треугольник `OCD` (см. рис. 10) со сторонами `2/3m_a`, `2/3m_b`, `2/3m_c`, затем точка `N` - середина отрезка `OD`, потом точка `A` (из `AN=NC`) и точка `B` (из `OB=OD`). Это построение осуществимо, если существует треугольник `OCD`, т. е. если существует треугольник со сторонами `m_a`, `m_b`, `m_c`. Итак, вывод: три отрезка могут быть медианами некоторого треугольника тогда и только тогда, когда из них можно составить треугольник.
Около окружности радиуса `sqrt3` описан треугольник. Найти его площадь, если одна из его сторон точкой касания делится на отрезки `9` и `5`.
Пусть `AP=9`, `PC=5` (рис. 11) и пусть `BM=x`. По свойству касательных `AM=AP`, `CN=CP` и `BN=BM`, поэтому стороны треугольника таковы: `AC=14`, `AB=9+x`, `BC=5+x`, тогда `p=14+x`. (Заметим, что `p=AC+BM`!). По формулам площади (3) и (4) имеем: `S=pr=(14+x)sqrt3` и `S=sqrt((14+x)x*5*9)`. Приравниваем правые части, возводим в квадрат, приводим подобные члены, получаем `x=1`. Вычисляем площадь треугольника:
`S=pr=(14+1)*sqrt3=15sqrt3`.
Приём, применённый в решении этой задачи, когда площадь фигуры выражается двумя различными способами, часто используется в задачах на доказательство.
Проведём два примера, в каждом выведем полезную формулу.
В треугольнике `ABC` угол `C` равен `varphi`, `AC=b`, `BC=a` (рис. 12). Доказать, что биссектриса `CD` равна `(2ab)/(a+b) cos varphi/2`.
Обозначим `CD=x`. Очевидно, что `S_(ABC)=S_(ACD)+S_(DCB)`. По формуле (2) `S_(ABC)=1/2 ab sin varphi`, `S_(ACD)=1/2 bx sin varphi/2`, `S_(BDC)=1/2 ax sin varphi/2`. Таким образом, имеем: `1/2 ab sin varphi=1/2(a+b)x sin varphi/2`. Используем формулу синуса двойного угла `sin varphi=2sin varphi/2 cos varphi/2`, получим:
| `x=(2ab)/(a+b)cos varphi/2`. |
называется окружность, касающаяся одной из сторон треугольника и продолжений двух других сторон. Таких окружностей, очевидно, три (рис. 13). Их радиусы обычно обозначаются `r_a`, `r_b`, `r_c` в зависимости от того, какой стороны окружность касается.
Вневписанная окружность касается стороны `a=BC` треугольника `ABC` (рис. 14). Доказать, что `S_(ABC)=r_a(p-a)`, где `2p=a+b+c`.
Центр окружности `I_a` лежит на пересечении биссектрисы угла `A` и биссектрис внешних углов при вершинах `B` и `C`. Легко видеть, что если `D`, `F` и `E` - точки касания, то `I_aD=I_aF=I_aE=r_a`.
Считаем площадь `S_0` четырёхугольника `ABI_aC`:
`S_0=S_(ABC)+S_(BCI_a)` и `S_0=S_(ABI_a)+S_(ACI_a)`, откуда
`S_(ABC)=S_(ABI_a)+S_(ACI_a)-S_(BCI_a)=1/2 cr_a+1/2br_a-1/2ar_a=`
`=r_a (c+b-a)/2=r_a(2p-2a)/2=r_a(p-a)`.
Итак,
| `S_(ABC)=r_a(p-a)`. |
В школьном учебнике выведены следующие формулы площади параллелограмма:
`S=a*h_a=b*h_b`, (6)
`S=a*bsinvarphi` (7)
Где `a` и `b` - стороны параллелограмма, `h_a` и `h_b` - высоты к ним, `varphi` - величина угла между сторонами параллелограмма.
Докажем теорему о площади четырёхугольника.
Площадь выпуклого четырёхугольника равна половине произведения диагоналей на синус угла между ними, т. е
`S=1/2d_1d_2sinalpha` (8)
где `d_1` и `d_2` - диагонали четырёхугольника, `alpha` - величина угла между ними.
`ABCD` - выпуклый четырёхугольник, диагонали которого `AC` и `BD` пересекаются в точке `O` под углом `alpha` (рис. 15). Через вершины `A` и `C` проведём прямые, параллельные диагонали `BD`, а через вершины `B` и `D` проведём прямые, параллельные диагонали `AC`. Проведённые прямые в пересечении образуют параллелограмм со сторонами, равными диагоналям `BD` и `AC`, и углом `alpha`. Площадь параллелограмма равна `AC*BD*sinalpha`, а площадь четырёхугольника `ABCD` равна, как легко видеть, половине его площади, т. е.
`S_(ABCD)=1/2AC*BD*sinalpha`.
Площадь ромба равна половине произведения его диагоналей. Это сразу следует из доказанной формулы, т. к. диагонали ромба перпендикулярны.
Найти площадь параллелограмма, стороны которого равны `a` и `b` `(a!=b)`, а угол между диагоналями равен `alpha(alpha<90^@)`.
Пусть `O` - точка пересечения диагоналей параллелограмма `ABCD` (рис. 16), `AB=a`, `AD=b`. Обозначим `BD=2x`, `AC=2y`.
Применим теорему косинусов к треугольникам`AOB` и `AOD` (заметим, что `/_AOD=180^@-alpha)`, будем иметь: `a^2=x^2+y^2-2xycosalpha`, `b^2=x^2+y^2+2xycosalpha`. По теореме 3 площадь `S` параллелограмма `ABCD` будет равна `1/2AC*BDsinalpha=2xysinalpha`. Заметим, что это выражение легко можно найти, не определяя `x` и `y` из системы. Действительно, из двух уравнений для `x` и `y` получим `b^2-a^2=4xycosalpha`. По условию `b!=a`, следовательно, `cosa!=0` и `xy=(b^2-a^2)/(4cosalpha)`. Выражаем площадь параллелограмма по формуле (8):
`S=2xysinalpha=(b^2-a^2)/2 "tg"alpha`.
Середины сторон выпуклого четырёхугольника `ABCD` являются вершинами другого четырёхугольника (четырёхугольника Вариньона). Доказать, что четырёхугольник Вариньона - параллелограмм и его площадь равна половине площади `S` четырёхугольника `ABCD`.
1. Проведём диагонали `AC` и `BD`. Середины сторон обозначим `K`, `L`, `M` и `N` (рис. 17). По определению `KL` - средняя линия треугольника `ABC`, по теореме о средней линии `KL``|\|``AC`, `KL=1/2AC`.
Аналогично, `NM` - средняя линия треугольника `ADC`, `NM``|\|``AC`, `NM=1/2AC`.
В четырёхугольнике `KLMN` противоположные стороны `KL` и `NM` равны и параллельны, по признаку `KLMN` - параллелограмм.
Если рассмотреть стороны `LM` и `KN`, то точно также установим, что `LM``|\|``BD``|\|``KN` и `LM=KN=1/2BD`.
2. Из параллельности `KL``|\|``AC` и `KN``|\|``BD` следует, что угол `LKN` параллелограмма `KLMN` равен углу между диагоналями четырёхугольника `ABCD` (обозначим угол `alpha`).
Имеем `S_(KLMN)=KL*KNsinalpha=1/2AC*1/2BDsinalpha`, а по теореме 3
`S_(ABCD)=1/2AC*BD*sinalpha`.
Из этого следует `S_(KLMN)=1/2S_(ABCD)`, ч. т. д.
Рассмотрим несколько задач, где определяется или используется площадь трапеции. Напомним,
что площадь трапеции равна произведению полусуммы оснований на её высоту, т. е.
`S=(a+b)/2h`. (9)
Найти площадь трапеции, если её основания равны `16` и `44`, а боковые стороны равны `17` и `25`.
Через вершину `C` проведём `CK``|\|``BA` (рис. 18). `ABCK` - параллелограмм, его противоположные стороны равны, поэтому в треугольнике `KCD` определяются все стороны: `KC=AB=25`, `CD=17`, `KD=AD-BC=28`.
По формуле Герона вычисляем площадь этого треугольника: `p=36`, `S_(KCD)=210`.
С другой стороны, `S_(KCD)=1/2KD*CF`, если `CF_|_AD`. Отсюда находим `CF=(2S_(KCD))/(KD)=15` и вычисляем площадь трапеции
`S_(ABCD)=1/2(BC+AD)CF=450`.
Отрезок длины `m`, параллельный основаниям трапеции, разбивает её на две трапеции (рис. 19). Найти отношение площадей этих трапеций, если основания трапеции равны `a` и `b` `(b < a)`.
Пусть `BC=b`, `AD=a` и `MN=m`, и `MN``|\|``AD`. Проведём `CE``|\|``BA` и `NF``|\|``BA`, а также `CK_|_MN` и `NP_|_AD`. Обозначим `CK=h_1`, `NP=h_2`. Далее, т. к. `CE``|\|``NF`, то `/_ECN=/_FND`, а из `MN``|\|``AD` следует `/_ENC=/_FDN`. Следовательно, треугольники `ECN` и `FND` имеют по два равных угла, они подобны. Из подобия имеем `(EN)/(FD)=(CN)/(ND)`. Прямоугольные треугольники `KCN` и `PND` также подобны и `(CK)/(NP)=(CN)/(ND)`, поэтому `(EN)/(FD)=(CK)/(NP)`, т. е. `(m-b)/(a-m)=(h_1)/(h_2)`. Если `S_1` и `S_2` - площади трапеций `MBCN` и `AMND`, то
`S_1=1/2(b+m)h_1`, `S_2=1/2(a+m)h_2`
и
`(S_1)/(S_2)=((m+b)h_1)/((a+m)h_2)=(m^2-b^2)/(a^2-m^2`.
Напомним свойства трапеции, которые часто используются при решении задач. Некоторые из этих свойств были доказаны в заданиях для 9-го класса, другие попробуйте доказать самостоятельно. Приведённые рисунки напоминают ход доказательства.
$$ 4.{1}^{○}$$. Диагонали трапеции разбивают её на четыре треугольника с общей вершиной (рис. 20). Площади треугольников, прилежащих к боковым сторонам, равны, а треугольники прилежащие к основаниям - подобны.
$$ 4.{2}^{○}$$. В любой трапеции середины оснований, точка пересечения диагоналей и точка пересечения продолжении боковых сторон, лежат на одной прямой (на рис. 21 точки `M`, `N`, `O` и `K`).
$$ 4.{3}^{○}$$. В равнобокой трапеции углы при основании равны (рис. 22).
$$ 4.{4}^{○}$$. В равнобокой трапеции прямая, проходящая через середины оснований, перпендикулярна основаниям и является осью симметрии трапеции (рис. 23).
$$ 4.{5}^{○}$$. В равнобокой трапеции диагонали равны (рис. 24).
$$ 4.{6}^{○}$$. В равнобокой трапеции высота, опущенная на большее основание из конца меньшего основания, делит его на два отрезка, один из которых равен полуразности оснований, а другой – их полусумме
(рис. 25, основания равны `a` и `b`, `a>b`).
$$ 4.{7}^{○}$$. Во всякой трапеции середины боковых сторон и середины диагоналей лежат на одной прямой (рис. 26).
$$ 4.{8}^{○}$$. Во всякой трапеции отрезок, соединяющий середины диагоналей, параллелен основаниям и равен полуразности оснований (рис. 27).
$$ 4.{9}^{○}$$.В равнобокой трапеции `d^2=c^2+ab`, где `d` - диагональ, `c` - боковая сторона, `a` и `b` основания.
Во всякой трапеции сумма квадратов диагоналей равна сумме квадратов боковых сторон и удвоенного произведения оснований, т. е. `d_1^2+d_2^2=c_1^2+c_2^2+2*ab`.
$$ 4.{10}^{○}$$. Во всякой трапеции с основаниями `a` и `b` отрезок с концами на боковых сторонах, проходящий через точку пересечения диагоналей параллельно основаниям, равен `(2ab)/(a+b)` (на рис. 28 отрезок `MN`).
$$ 4.{11}^{○}$$. Трапецию можно вписать в окружность тогда и только тогда, когда она равнобокая.
Докажем, например, утверждение $$ 4.{9}^{○}$$.
Применяем теорему косинусов (см. рис. 29а и б):
`ul(DeltaACD):` `d_1^2=a^2+c_2^2-2a*c_2*cos varphi`,
`ul(DeltaBCD):` `d_2^2=b^2+c_2^2+2b*c_2*cos varphi` (т. к. `cos(180^@-varphi)=-cos varphi`).
Складывая, получаем
`d_1^2+d_2^2=a^2+b^2+c_2^2+(c_2^2-2(a-b)c_2cosvarphi)`. (2)
Проводим `CK``|\|``BA` (рис. 29в), рассматриваем треугольник `ul(KCD):` `c_1^2=c_2^2+(a-b)^2-2c_2*(a-b)*cos varphi`. Используя последнее равенство, заменяем выражение в скобках в (2), получаем:
`d_1^2+d_2^2=a^2+b^2+c_2^2+(c_1^2-(a-b)^2)=`
`=(a^2+b^2+c_2^2)+(c_1^2-a^2-b^2+2ab)`.
Окончательно имеем
| `d_1^2+d_2^2=c_1^2+c_2^2+2ab`. |
В случае равнобокой трапеции `d_1=d_2`, `c_1=c_2=c`, поэтому получаем
| `d^2=c^2+ab`. |
.
Отрезок, соединяющий середины оснований трапеции, равен `5`, одна из диагоналей равна `6`. Найти площадь трапеции, если её диагонали перпендикулярны.
`AC=6`, `BM=MC`, `AN=ND`, `MN=5` (рис. 30а). Во всякой трапеции середины оснований и точка пересечения диагоналей лежат на од-ной прямой (свойство $$ 4.{2}^{○}$$). Треугольник `BOC` прямоугольный (по условию `AC_|_BD`), `OM` - его медиана, проведённая из вершины прямого угла, она равна половине гипотенузы: `OM=1/2BC`. Аналогично устанавливается `ON=1/2AD`, поэтому `MN=1/2(BC+AD)`. Через точку `D` проведём прямую, параллельную диагонали `AC`, пусть `K` - её точка пересечения с прямой `BC` (рис. 30б).
По построению `ACKD` - параллелограмм, `DK=AC`, `CK=AD` и `/_BDK=90^@`
(т. к. угол `BDK` - это угол между диагоналями трапеции).
Прямоугольный треугольник `ul(BDK)` с гипотенузой `BK=BC+AD=2MN=10` и катетом `DK=6` имеет площадь `S=1/2DK*BD=1/2DKsqrt(BK^2-DK^2)=24`. Но площадь треугольника `BDK` равна площади трапеции, т. к. если `DP_|_BK`, то
`S_(BDK)=1/2BK*DP=1/2(BC+AD)DP=S_(ABCD)`.
Итак, `S_(ABCD)=S=24`.
Диагонали трапеции, пересекаясь, разбивают её на четыре треугольника с общей вершиной. Найти площадь трапеции, если площади треугольников, прилежащих к основаниям, равны `S_1` и `S_2`.
Пусть `BC=a`, `AD=b`, и пусть `h` - высота трапеции (рис. 31). По свойству $$ 4.{1}^{○}$$ `S_(ABO)=S_(CDO)`, обозначим эту площадь `S_0` (действительно, `S_(ABD)=S_(ACD)`, т. к. у них общие основания и равные высоты, т. е. `S_(AOB)+S_(AOD)=S_(COD)+S_(AOD)`, откуда следует `S_(AOB)=S_(COD)`). Так как `S_(ABC)=S_0 + S_1=1/2ah` и `S_(ACD)=S_0+S_2=1/2bh`, то `(S_0+S_1)/(S_0 + S_2)=a/b`.
Далее, треугольники `BOC` и `DOA` подобны, площади подобных треугольников относятся как квадраты соответствующих сторон, значит, `(S_1)/(S_2)=(a/b)^2`. Таким образом, `(S_0+S_1)/(S_0+S_2)=sqrt((S_1)/(S_2))`.Отсюда находим `S_0=sqrt(S_1S_2)`, и поэтому площадь трапеции будет равна
`S_1+S_2+2S_0=(sqrt(S_1)+sqrt(S_2))^2`.
Основания равнобокой трапеции равны `8` и `10`, высота трапеции равна `3` (рис. 32).
Найти радиус окружности, описанной около этой трапеции.
Трапеция равнобокая, по свойству $$ 4.{11}^{○}$$ около этой трапеции можно описать окружность. Пусть `BK_|_AD`, по свойству $$ 4.{6}^{○}$$
`AK=(AD-BC)/2=1`, `KD=(AD+BC)/2=9`.
Из прямоугольного треугольника `ABK` находим `AB=sqrt(1+9)=sqrt(10)` и `sinA=(BK)/(AB)=3/(sqrt10)`. Окружность, описанная около трапеции `ABCD`, описана и около треугольника `ABD`, значит (формула (1), § 1), `R=(BD)/(2sinA)`. Отрезок `BD` находим из прямоугольного треугольника `KDB:` `BD=sqrt(BK^2+KD^2)=3sqrt(10)` (или по формуле `d^2=c^2+ab`), тогда
`R=(3sqrt(10))/(2*3//sqrt(10)) =5`.
$$ 4.{12}^{○}$$. Площадь трапеции равна площади треугольника, две стороны которого равны диагоналям трапеции, а третья равна сумме оснований.
$$ 4.{13}^{○}$$. Если `S_1` и `S_2` - площади треугольников, прилежащих к основаниям, то площади треугольников, прилежащих к боковым сторонам равны `sqrt(S_1S_2)`, а площадь всей трапеции равна `(sqrt(S_1) +sqrt(S_2))^2`.
$$ 4.{14}^{○}$$. Радиус окружности, описанной около трапеции, находится по формуле `R+a/(2sin alpha)`, где `a` - какая-то сторона (или диагональ трапеции), `alpha` - смотрящий на неё вписанный угол.
Прежде чем приступать к его выполнению, ознакомьтесь с нашими пожеланиями и требованиями.
1. За краткий ответ «да», «нет», «не может быть» без пояснений (доказательство, опровергающий пример) ставится `0` очков. Примеры ответов приведены далее.
2. Если в решении длина какого-либо отрезка выразилась иррациональным числом (например, `a=sqrt5`), то ни в дальнейших вычислениях, ни в ответе не следует заменять это точное значение на приближённое.
3. Если в решении использовалась тригонометрия и получилось, например, `sin alpha=(2sqrt2)/3`, то не следует определять величину угла `alpha` по таблице или на калькуляторе приближённо и затем тем же способом находить значение `cos alpha`, `sin2alpha`, `sin(alpha+45^@)` и т. п. Все значения других тригонометрических функций определяются только по формулам. Например, `cos alpha=-sqrt(1-sin^2 alpha)=-1/3`, если угол `alpha` тупой, и `sin alpha=(2sqrt2)/3`, а
`sin(alpha+45^@)=sin alpha*cos45^@+cos alpha*sin 45^@=(sqrt2)/2(sin alpha+cos alpha)`.
4. Если в Задании контрольный вопрос сопровождается поясняющим рисунком, при ответе перенесите рисунок с теми же обозначениями в свою тетрадь, – это облегчит Вашему педагогу проверку работы.
5. Рисунок к задаче должен быть достаточно большим и ясным, чтобы на нём уместились все введённые Вами обозначения углов, отрезков и данные задачи (посмотрите на рис. 4, 8(а, б) или рис. 30(а, б, в) Задания: как хороший рисунок и обозначения помогают увидеть простое решение).
6. Стремитесь к тому, чтобы Ваше решение было кратким, но обоснованным, и было ясным и понятным для проверяющего (работа проверяется без Вас, Вы не можете комментировать, что же имелось в виду или почему такое равенство имеет место). Для этого полезно решение разбивать на шаги: 1)…, 2)…, 3)… и то, что вычислено или выражено и важно для дальнейшего, выделить, например, так или .
Кроме того, вычисления разумно (а математика – это здравый смысл) проводить в кратких обозначениях, например
`(h_1)/(h_2)=(m-b)/(a-m)`, а не `((CK)/(NP)=((MN-ME)/(AD-MF))`
или `c_1^2=(a-b)^2+c_2^2-2(a-b)c_2 cos varphi`,
(а не `CK^2=(AD-BC)^2-2(AD-BC)*CD*cos(/_ADC)`).
Примеры ответов на контрольные вопросы
Вопрос. Можно ли внутри прямоугольного треугольника с катетами `3` и `4` поместить круг площадью `25//8`?
Ответ: Да, можно. Докажем это.
В прямоугольном треугольнике с катетами `a` и `b` и гипотенузой `c` радиус `r` вписанной окружности выражается формулой `r=(a+b-c)/2` (рисунок 33 напоминает доказательство).
При `a=3`, `b=4` находим `c=5`, `r=1`. Площадь вписанного круга равна `pir^2=pi`; так как `25/8<(25,04)/8<3,13<3,14<pi`, то радиус `r_0` круга площадью `25//8` меньше `1`. Он помещается внутри вписанного круга (если совместить их центры) и, следовательно, внутри треугольника.
Вопрос. Какое наибольшее число острых углов может иметь выпуклый `n`- угольник при `n>3`?
Ответ: Три. Докажем это.
Из вершины (например `A_1`) выходит `(n-1)` отрезков, два из них `(A_1A_2` и `A_1A_n)` - стороны, остальные `(n-3)` - диагонали (рис. 34). Выпуклый `n`- угольник разбивается диагоналями на `(n-2)` треугольника.
Сумма углов каждого треугольника равна `180^@`, значит сумма всех углов выпуклого `n` - угольника равна `180^2(n-2)`.
Сумма углов внутренних и внешних (по одному при каждой вершине) очевидно равна `180^2 *n`, тогда сумма внешних углов равна `180^@ *n-180^@(n-2)=360^@` (!).
Наглядно: если приложить вектор к стороне `A_1A_2` и обойти по периметру `n` - угольник, двигая вектор, то вернувшись на сторону `A_1A_2`, обнаружим, что, сделав полный поворот, вектор принял прежнее положение. Угол поворота вектора равен сумме внешних углов.
Если предположить, что в выпуклом `n` - угольнике `(n>3)` хотя бы `4` острых угла, то сумма их внешних углов (они тупые) будет больше `90^@ *4=360^@`, что не может быть. Значит острых углов не более трёх.
Вопрос. Треугольники `A_1B_1C_1` и `ABC` таковы, что `a_1<a`, `b_1<b`, `c_1<c`. Верно ли, что площадь треугольника `A_1B_1C_1` меньше площади треугольника `ABC`.
Ответ: Нет. Приведём пример (рис. 35).
Рассмотрим два равнобедренных треугольника: `ul(Delta ABC)`, в котором `AC=BC=a`, `/_ACB=150^@`,
`AB=sqrt(a^2+a^2+2a^2(sqrt3)/2) =asqrt(2+sqrt3)`, `S_(ABC)=1/2 a^2 sin150^@=(a^2)/4`;
`DeltaA_1B_1C_1`, в котором `A_1C_1=B_1C_1=sqrt(3/4)a<a`, `/_A_1C_1B_1=90^@`,
`A_1B_1=(sqrt(3/4)a)sqrt2=sqrt(3/2)a<sqrt2a<sqrt(2+sqrt3)a=AB`,
а `S_(A_1B_1C_1)=1/2(sqrt(3/4)a)^2=3/8a^2>1/4a^2=S_(ABC)`.
Бесконечной числовой последовательностью (или просто последовательностью) называется числовая функция `x=x(n)`, определённая на множестве `N` натуральных чисел.
Аргумент `n` этой функции записывается в виде индекса, т. е. вместо записи `x(n)` используют запись `x_n`, а саму последовательность часто обозначают `(x_n)`. Число `x_n` называют `n`-м (читается: энным) членом последовательности `(x_n)`. Задать последовательность означает задать правило, по которому каждому натуральному `n` сопоставляется действительное число `x_n`. Приведём примеры.
(1) `1`; `1`; `1`; `...` (т. е. `x_n=1` для всех `n in N`);
(2) `1^2`; `2^2`; `3^2`; `...` (т. е. `x_n=n^2` для всех `n in N`);
(3) `1`; `1/2`; `1/3`; `...` (т. е. `x_n=1/n` для всех `n in N`);
(4) последовательность, `n`-й член которой равен `n`-му знаку после запятой в десятичной записи числа `8/33`;
(5) последовательность, `n`-й член которой равен количеству простых чисел, не превосходящих `n`;
(6) `x_1=1`, `x_2=1`, `x_n=x_(n-1)+x_(n-2)` для всех `n>=3` (последовательность Фибоначчи).
Как видим, последовательности задаются различными способами. Например, указывается формула `n`-го члена (примеры (1) – (3)). Закон соответствия между номером `n` и членом `x_n` может быть описан словесно (примеры (4) – (5)). Последовательность может быть также задана рекуррентным соотношением: даны несколько первых членов последовательности и формула, выражающая следующие члены последовательности через предыдущие (пример (6)).
Легко убедиться, что в примере (4) `x_1=2`, `x_2=4` `x_3=2`, `x_4=4` и т. д., т. е. `x_n=3+(-1)^n`. В примере (6) формулу `n`-го члена найти сложнее:
`x_n=1/sqrt5(((1+sqrt5)/2)^n-((1-sqrt5)/2)^n)`.
А вот явную формулу `n`-го члена последовательности (5) написать невозможно. Тем не менее, многие её свойства установлены и без формулы.
Напомним два важных примера числовых последовательностей: арифметическая и геометрическая прогрессии. Геометрическая прогрессия – последовательность, заданная рекуррентно соотношением `x_(n+1)=x_nq`, первым членом `x_1!=0` и знаменателем `q!=0`. Арифметическая прогрессия – последовательность, заданная равенством `x_(n+1)=x_n+d` и первым членом `x_1`.
Найти формулу `n`-го члена последовательности, заданной рекуррентно:
`x_1=1/2`; `x_(n+1)=2x_n+1,ninN`.
Рассмотрим вспомогательную последовательность `y_n=x_n+a`, где число `a` подбирается так, чтобы последовательность `y_n` была геометрической прогрессией. Подставляя `x_n=y_n-a` и `x_(n+1)=y_(n+1)-a` в рекуррентное соотношение, имеем `y_(n+1)-a=2(y_n-a)+1`, т. е. `y_(n+1)=2y_n+(1-a)`. Последовательность `y_n` будет геометрической прогрессией, если `1-a=0`, т. е. `a=1`. Поскольку `y_1=x_1+a=3/2`, формула общего члена геометрической прогрессии `y_n`запишется так:
`y_n=3/2 2^(n-1)` `(y_1=3/2, q=2)`.
Тогда `x_n=y_n-a=3*2^(n-2)-1`, `n>=2`.
`x_n=3*2^(n-2)-1,n>=2`.
Каким общим свойством обладают последовательности (1), (2), (5) и (6)?
Каждый их член, начиная со второго, не меньше предыдущего.
Последовательность `(x_n)` называется строго возрастающей, если каждый её член, начиная со второго, больше предыдущего, т. е. `x_(n+1)>x_n` для любого `ninN`. Последовательность `(x_n)` называется строго убывающей, если `x_(n+1)<x_n` для любого `ninN`. Последовательность `(x_n)` называется нестрого убывающей, если `x_(n+1)<=x_n` для любого `ninN`. Последовательность `(x_n)` называется нестрого возрастающей, если `x_(n+1)>=x_n` для любого `ninN`.
Все такие последовательности (строго возрастающие, строго убывающие, нестрого убывающие, нестрого возрастающие) называются монотонными.
Выяснить, является ли монотонной последовательность `x_n=(3n)/(n+2)`.
Уточним, чему равен `x_(n+1)`. Для этого вместо `n` в `x_n=(3n)/(n+2)` подставим `n+1`, т. е. `x_(n+1)=(3(n+1))/(n+3)`. Рассмотрим разность
`x_(n+1)-x_n=(3(n+1))/(n+3)-(3n)/(n+2)=(3[(n+1)(n+2)-n(n+3)])/((n+2)(n+3))=`
`=6/((n+2)(n+3))>0`,
значит, `x_(n+1)>x_n` для любого `n in N`. По определению последовательность `(x_n)` является строго возрастающей.
Приведённые рассуждения являются стандартными при доказательстве монотонности последовательности. Используя особенности последовательности `(x_n)`, можно установить её возрастание более простым способом. Запишем `x_n` в виде
`x_n=(3n+6-6)/(n+2)=3-6/(n+2)`, тогда `x_(n+1)=3-6/(n+3)>3-6/(n+2)=x_n`.
Выяснить, является ли монотонной последовательность `x_n=3+(-1)^n`.
Последовательность не является монотонной, поскольку `x_(2m-1)=2<4=x_(2m)` и `x_(2m)=4>2=x_(2m+1)` для всех натуральных `m`.
Каким общим свойством обладают последовательности (1), (3) и (4)?
Все их члены лежат на отрезке `[0;4]`.
Последовательность `(x_n)` называется ограниченной, если существует число `C>0` такое, что для любого натурального `n` выполняется неравенство `|x_n|<=C`.
Доказать, что последовательность `(x_n)` является ограниченной тогда и только тогда, когда все её члены лежат на некотором отрезке.
Пусть последовательность `(x_n)` ограничена. Тогда существует число `C>0` такое, что `|x_n|<=C` для любого `ninN`. Последнее неравенство можно переписать в виде `-C<=x_n<=C`, т. е. `x_n in[-C;C]`. Обратно, пусть все члены `(x_n)` лежат на некотором отрезке `[m;M]`. Выберем невырожденный симметричный отрезок `[-C;C]`, содержащий `[m;M]`, тогда `-C<=x_n<=C` и, следовательно, `|x_n|<=C`. В качестве такого `C` можно взять, например, `C=max{|m|,|M|}+1`.
Выяснить, является ли ограниченной последовательность `x_n=(10(-1)^n n)/(n^2+1)`.
Рассмотрим `|x_n|=(10n)/(n^2+1)`. Поскольку при уменьшении знаменателя положительной дроби значение дроби увеличивается, имеем:
`|x_n|=(10n)/(n^2+1) <(10n)/(n^2)=10/n<=10`.
Значит, `|x_n|<=10` для любого `ninN`. По определению последовательность `(x_n)` является ограниченной.
Выяснить, является ли ограниченной последовательность `x_n=n^2`.
Предположим, что последовательность `(x_n)` является ограниченной. Это означает, что существует такое число `C>0`, что при всех `ninN` выполняется неравенство `|n^2|<=C`. Однако при `n>sqrt(C+1)` неравенство не выполняется. Следовательно, предположение неверно, т. е. последовательность `(x_n)` не является ограниченной.
При увеличении `n` члены последовательности `x_n=1//n` становятся сколь угодно малыми, неограниченно приближаются (стремятся) к нулю. Логично считать, что ноль - предел последовательности `x_n`. Однако такого интуитивного понимания в более сложной ситуации может оказаться недостаточно. Мы должны точно сформулировать, что означает слово «предел» на языке чисел. Строгое определение предела было сформулировано довольно поздно - только в середине XIX века. Дело в том, что в отличие от используемых ранее «назывных» определений (типа определения равнобедренного треугольника) здесь описывается процесс изменения величины: пробегая по ряду натуральных чисел `1,2,3,...,n,...`, мы наблюдаем за поведением `x_n`. Такие понятия плохо формализуются.
Попытаемся понять, что следует предпринять, чтобы проконтролировать утверждение «`x_n` стремится к `a`». Изобразим члены последовательности на числовой оси и отметим на ней точку `a`. Представим ситуацию образно: будем делать фотографии `a` каждый раз с новым оптическим увеличением. Число `a` будет пределом последовательности `(x_n)`, если `a` - «друг» `x_n`: на любой такой фотографии окажутся все `x_n`, начиная с некоторого номера.
Проиллюстрируем сказанное на примере последовательности `x_n=1//n`. В качестве «фотографии» `a=0` можно взять симметричный интервал `(-epsilon, epsilon)^1`. [1 `epsilon` - греческая буква «эпсилон».] Оптическому увеличению соответствует уменьшение `epsilon`. Пусть `k=1//epsilon`, тогда `1//n<epsilon` при `n>k` и, следовательно, член `x_n` попадает на «фотографию», т. е. `-epsilon<x_n<epsilon`. Например, при `epsilon1//100` все члены `x_(101), x_(102), ...`, окажутся в интервале `(-1//100, 1//100)`, при `epsilon=1//1000` уже только члены `x_(1001), x_(1002), ...`, окажутся в интервале `(-1//1000, 1//1000)` и т. д.
Число `a` называется пределом последовательности `(x_n)`, если для любого положительного числа `epsilon` найдётся такое действительное число `k`, что при всех `n>k` выполняется неравенство
`|x_n-a|<epsilon`. (2.1)
В этом случае пишут `lim_(n->oo) x_n=a` (читается: предел `x_n` при `n`, стремящемся к бесконечности, равен `a`). Последовательность, называется сходящейся, если существует число `a`, являющееся её пределом. Если такого числа `a` не существует, то последовательность называется расходящейся.
Часто в определении предела полагают число `k` натуральным. Однако, как нетрудно понять, получится эквивалентное определение.
Выясним геометрический смысл понятия предела. Для положительного числа `epsilon` интервал `(a-epsilon, a+epsilon)` называется `epsilon` - окрестностью точки `a`. Неравенство (2.1) равносильно двойному неравенству `-epsilon<x_n-a<epsilon` или
`a-epsilon<x_n<a+epsilon`. (2.2)
Неравенство (2.2) показывает, что все члены последовательности `(x_n)` с номерами `n>k` попадают в `epsilon` - окрестность точки `a`. В определении предела число `epsilon` может быть любым (сколь угодно малым), поэтому произвольная (сколь угодно малая) окрестность точки `a` содержит все члены `(x_n)` за исключением, быть может, конечного числа (рис. 1а). На уровне графика последовательности это означает, что вне сколь угодно узкой полосы между прямыми `x=a-epsilon` и `x=a+epsilon` может оказаться лишь конечное число точек графика `(x_n)` (рис. 1б).
В определении предела выбор числа `k`, вообще говоря, зависит от `epsilon`. Чтобы подчеркнуть это, иногда пишут `k=k(epsilon)`. Доказать, что последовательность `(x_n)` имеет предел, фактически означает найти функциональную зависимость `k` от `epsilon`. Вообще, определение предела по виду напоминает нескончаемую дискуссию между двумя лицами `A` и `B:A` задаёт точность приближения `epsilon`, в ответ `B` указывает число `k`, с которого эта точность достигается, т. е. выполняется неравенство (2.1) при всех `n>k`; уменьшает точность, `B` - указывает новое `k` и т. д.
Пусть `x_n=c` - постоянная последовательность. Доказать, что `lim_(n->oo)x_n=c`.
Пусть выбрано произвольное `epsilon>0`. Нам нужно найти такое число `k`, что при всех `n>k` выполнялось бы неравенство `|x_n-c|<epsilon`. Но это неравенство равносильно следующему: `|c-c|<epsilon`, или `0<epsilon`, что выполняется для всех номеров `n`. Это означает, что в качестве `k` можно выбрать любое число, например, `k=0`. Тогда для любого `n>k` имеет место неравенство `|x_n-c|<epsilon`. По определению `lim_(n->oo)x_n=c`.
В разобранном примере число `k` удалось выбрать так, чтобы оно годилось сразу для всех `epsilon`. Такой случай не типичен.
Доказать, что `lim_(n->oo)1/n=0`.
Пусть фиксировано произвольное `epsilon>0`. Нам нужно найти такое число `k`, что при всех `n>k` выполнялось бы неравенство `|1/n -0|<epsilon`, или `n>1//epsilon`. Выберем `k=1//epsilon`. Тогда при `n>k` имеем: `|1/n-0|=1/n<1/k=epsilon`. По определению `lim_(n->oo) 1/n=0`.
Наглядное представление о пределе можно получить, считая, что `x_n` - какие-то физические величины, которые мы можем измерять с определённой точностью, допускаемой приборами. Пусть `epsilon` есть точность прибора, тогда неравенство `|x_n-a|<epsilon` означает, что мы не сможем отличить `x_n` от `a`. Таким образом, условие `lim_(n->oo)x_n=a` означает, что при любой точности измерения последовательность `(x_n)`, начиная с некоторого номера, не отличается от постоянной последовательности `a`, `a`, `a`, `...` .
Могут ли два разных числа быть пределами одной и той же последовательности?
Нет. Предположим, что два разных числа `a` и `b` являются пределами одной и той же последовательности `x_n)` и пусть, например, `b>a`. Положим `epsilon=(b-a)//3`, тогда `epsilon` - окрестности точек `a` и `b` не пересекаются (сделать чертёж!). Ввиду условия найдутся такие числа `k_1` и `k_2`, что при всяком `n>k_1` член `x_n` лежит в `epsilon` -окрестности точки `a` и при всяком `n>k_2` член `x_n` лежит в окрестности точки `b`. Если теперь взять какое-нибудь `n>max{k_1,k_2}`, то окажется, что `x_n` лежит одновременно в `epsilon` - окрестности точки `a` и в `epsilon` - окрестности точки `b`, а это невозможно, поскольку окрестности не пересекаются.
Пусть `lim_(n->oo)x_n=a`. Имеет ли предел последовательность `(x_(n+1))`?
Пусть `lim_(n->oo)x_n=a`, `epsilon>o` - произвольное. По определению предела найдётся `k` такое, что `|x_n-a|<epsilon` при всех `n>k`. Но если номер `n>k`, то также `n+1>k` и, следовательно, `|x_(n+1)-a|<epsilon`. Это означает, что `lim_(n->oo)x_(n+1)=a`.
Пусть `lim_(n->oo)x_n=a`, `epsilon>o`. Можно ли утверждать, что найдётся такое число `k`, что `|x_n-a|<epsilon/2` при всех `n>k`?
Да. Поскольку `lim_(n->oo)x_n=a`, то по определению предела для любого положительного числа `alpha`, а следовательно, и для `alpha=epsilon//2`, найдётся число `k`, такое что `|x_n-a|<alpha` при всех `n>k`.
Сформулируем необходимое условие существования предела.
Если последовательность имеет предел, то она ограничена.
Пусть `lim_(n->oo)x_n=a`. Покажем, что последовательность `(x_n)` ограничена. Согласно примеру 1.4 для этого достаточно показать, что все её члены лежат на некотором отрезке. Возьмём `epsilon=1`. Тогда по определению предела найдётся число `k` такое, что все члены `(x_n)` с номерами `n>k` попадают в интервал `(a-1; a+1)`. За пределами этого интервала может оказаться лишь конечное число членов `x_1, x_2, ..., x_N`, где `N` - наибольший из номеров `n<=k`. Добавим к этому набору числа `a-1` и `a+1` и из полученного набора чисел выберем наименьшее (обозначим его через `m`) и наибольшее (обозначим его через `M`) Тогда отрезок `[m;M]` содержит уже все члены данной последовательности: `m<=x_n<=M` для всех `ninN`.
Доказать, что последовательность `x_n=n^2` не имеет предела.
В примере 1.6 было показано, что данная последователь-ность не является ограниченной. По теореме 2.1 заключаем, что последовательность `(x_n)` расходится.
Следующий пример показывает, что ограниченная последователь-ность может и не иметь предела, т. е. обратное утверждение к теореме 2.1 неверно.
Доказать, что последовательность `x_n=(-1)^n` не имеет предела.
Предположим противное, т. е. какое-то число `a` является пределом этой последовательности. Тогда для `epsilon=1` найдётся такое число `k`, что `|x_n-a|<1` при всех `n>k`. Пусть номер `N>k`, тогда `|x_N-a|<1` и `|x_(N+1)-a|<1`. Но одно из чисел `x_N` и `x_(N+1)` равно `1`, а другое равно `-1`. Поэтому `|-1-a|<1` и `|1-a|<1`, т. е. одновременно `0<a<2` и `-2<a<0`. Полученное противоречие показывает, что последовательность `(x_n)` расходится.
При вычислении пределов на практике редко пользуются опреде-лением. Обычно применяют уже известные стандартные предельные равенства и следующую теорему об арифметических операциях с пределами.
Если последовательности `(x_n)` и `(y_n)` сходятся, то сходятся и последовательности `(x_n+y_n)`, `(x_n*y_n)` и `x_n//y_n` (в последнем случае предполагается `y_n!=0`, `lim_(n->oo)y_n!=0`). При этом
1) `lim_(n->oo)(x_n+y_n)=lim_(n->oo)x_n+lim_(n->oo)y_n`;
2) `lim_(n->oo)(x_n*y_n)=(lim_(n->oo)x_n)*(lim_(n->oo)y_n)`;
3) `lim_(n->oo)(x_n)/(y_n)=(lim_(n->oo)x_n)/(lim_(n->oo)y_n)`.
Ограничимся доказательством пункта 2. Фиксируем произвольное `epsilon>0`. Нам нужно показать, что существует такое число `k`, что `|x_ny_n-ab|<epsilon` при всех `n>k`. По теореме 2.1 последовательности `(x_n)` и `(y_n)` ограничены; тем самым найдётся такое `C>0`, что `|x_n|<=C` и `|y_n|<=C` при всех `n`, а также `|a|<=C`, `|b|<=C`. Заметим, что
`|x_ny_n-ab|=|x_ny_n-x_nb+x_nb-ab|=|x_n(y_n-b)+b(x_n-a)|`
и, следовательно, по неравенству `|x+y|<=|x|+|y|` имеем
`|x_ny_n-ab|<=|x_n|*|y_n-b|+|b|*|x_n-a|`.
Ввиду условия существует число `k_1` такое, что `|x_n-a|<epsilon/(2C)` для всех `n>k_1`, а также число `k_2` такое, что `|y_n-b|<epsilon/(2C)` для всех `n>k_2`. Если положить `k=max{k_1,k_2}`, то при `n>k` имеем:
`|x_ny_n-ab|<=|x_n|*|y_n-b|+|b|*|x_n-a|<C epsilon/(2C)+C epsilon/(2C)=epsilon`,
что и требовалось.
Доказать, что постоянный множитель можно выносить за знак предела, т. е. `lim_(n->oo)cx_n=clim_(n->oo)x_n` для любого `cinR`.
В самом деле, рассмотрим последовательность `y_n=c`. Поскольку `lim_(n->oo)y_n=c` (пример 2.1), то по пункту 2 теоремы 2.2
`lim_(n->oo)cx_n=lim_(n->oo)c*lim_(n->oo)x_n=clim_(n->oo)x_n`.
Показать, что `lim_(n->oo) 1/(n^2)=0`.
Поскольку `lim_(n->oo) 1/n=0`, то по пункту 2 теоремы 2.2
`lim_(n->oo) 1/(n^2)=lim_(n->oo) 1/n*lim_(n->oo) 1/n=0`.
Теорему 2.2 можно обобщить на произвольное (конечное) число слагаемых (сомножителей). В частности, `lim_(n->oo)1/n^m=0` для любого `m inN`.
Найти `lim_(n->oo) ((n+2)^3-n(n-1)^2)/(n^2+11)`.
Обозначим дробь, стоящую под знаком предела, через `x_n`. В числителе и знаменателе `x_n` стоят последовательности, не являющиеся ограниченными (доказывается аналогично примеру 1.6). По теореме 2.1 они не имеют предела и теорема о пределе частного (теорема 2.2 3)) «напрямую» здесь неприменима. Поступим следующим образом: поделим числитель и знаменатель на наибольшую степень `n`. По формулам сокращённого умножения `(n+2)^3-n(n-1)^2=8n^2+11n+8`, так что `x_n` можно переписать в виде:
`x_n=(8n^2+11n+8)/(n^2+11)=(n^2(8+11/n + 8/n^2))/(n^2(1+11/n^2))=(8+11/n+8/n^2)/(1+11/n^2)`.
Теперь в числителе и знаменателе `x_n` стоят сходящиеся последовательности:
`lim_(n->oo)(8+11/n+8/n^2)=lim_(n->oo)8+11lim_(n->oo)1/n+8lim_(n->oo)1/n^2=8`,
`lim_(n->oo)(1+11/n^2)=lim_(n->oo)1+11lim_(n->oo)1/n^2=1`.
По пункту 3 теоремы 2.2
`lim_(n->oo)x_n=lim_(n->oo)(8+11/n+8/n^2)/(1+11/n^2)=(lim_(n->oo)(8+11/n+8/n^2))/(lim_(n->oo)(1+11/n^2))=8/1=8`.
`8`.
Следующее полезное свойство пределов известно под названием теоремы о «зажатой» последовательности.
Пусть `(x_n)`, `(y_n)` и `(z_n)` - такие последовательности, что `x_n<=y_n<=z_n` при всех `n inN` и `lim_(n->oo)x_n=lim_(n->oo)z_n=a`. Тогда `lim_(n->oo)y_n=a`.
Для данного `epsilon>0` существует такое число `k_1`, что члены `x_n` лежат в интервале `(a-epsilon, a+epsilon)` при всех `n>k_1`, и существует такое число `k_2`, что члены `z_n` лежат в интервале `a-epsilon;a+epsilon)` при всех `n>k_2`. Положим `k=max{k_1,k_2}`. Тогда при `n>k` одновременно `x_n in(a-epsilon;a+epsilon)` и `z_n in(a-epsilon;a+epsilon)` и, следовательно, `a-epsilon<x_n<=y_n<=z_n<a+epsilon`, т. е. `y_n in(a-epsilon;a+epsilon)`, что и требовалось.
Дана последовательность `x_n=1/(sqrt(n^2+1))+1/(sqrt(n^2+2))+...+1/(sqrt(n^2+n))`.
Доказать, что `lim_(n->oo)x_n=1`.
Попробуем «зажать» `x_n` между членами последовательностей, сходящихся к одному и тому же числу, и применим теорему 2.3.
Заметим, что `1/(sqrt(n^2+1))` - наибольшая, а `1/(sqrt(n^2+n))` - наименьшая дробь суммы `x_n`. Тогда верна оценка `n*1/(sqrt(n^2+n))<=x_n<=n*1/(sqrt(n^2+1))`.
Поскольку `n^2+n<n^2+2n+1`, тогда
`sqrt(n^2+n)<n+1 iff1/(sqrt(n^2+n))>1/(n+1) iff n/(sqrt(n^2+n))>n/(n+1)`.
Учитывая `n/(sqrt(n^2+1))<n/n=1`, получаем: `n/(n+1)<x_n<1`.
Поскольку `lim_(n->oo)n/(n+1)=1` и `lim_(n->oo)1=1`, по теореме 2.3 `lim_(n->oo)x_n=1`.
Если для любого `n inN`, `n>=n_0` выполняется неравенство `a_n<=b_n` и `lim_(n->oo)a_n=a`, `lim_(n->oo)b_n=b`, то `a<=b`.
Предположим, что `a>b`. По определению предела для `epsilon=(a-b)/2` найдутся такие `k_1`, `k_2`, что для `n>k_1` выполняется `|a_n-a|<epsilon`, а для `n>k_2` выполняется `|b_n-b|<epsilon`. Положим `k=max{k_1,k_2,n_0}`. Тогда для `n>k` имеем `b_n<b+epsilon=(a+b)/2=a-epsilon<a_n`, что противоречит условию.
Предельный переход не обязан сохранять строгие неравенства. Например, `1/n<0` для всех `n inN`, но `lim_(n->oo)1/n=0`.
В теории пределов важную роль играет следующий факт.
Всякая монотонная ограниченная последовательность имеет предел.
Эта теорема эквивалентна свойству полноты множества действительных чисел. Образно говоря, свойство полноты означает, что числовая ось является «сплошным» множеством, множеством без «дырок».
Доказать, что если `|q|<1`, то `lim_(n->oo)q^n=0`.
Для `q=0` утверждение очевидно. Пусть `q in (0,1)`, тогда
`x_(n+1)=q*x_n`, (2.3)
следовательно, `x_(n+1)<x_n` при всех `n`, т. е. последовательность `(x_n)` является строго убывающей. В частности, `x_n<x_1` при всех `n`. Кроме того, очевидно `x_n>0` при всех `n`, т. е. последовательность `(x_n)` ограничена. По теореме 2.5 существует `lim_(n->oo)x_n`. Обозначим его через `a`. Тогда, переходя к пределу в равенстве (2.3), получаем `a=q*a`, т. е. `a=0`.
Пусть теперь `q in (-1;0)`, тогда справедливо неравенство
`-|q|^n<=q^n<=|q|^n`.
Поскольку `|q|in(0;1)`, то по доказанному выше `lim_(n->oo)|q|^n=0`, тогда согласно примеру 2.5 и `lim_(n->oo)(-|q|^n)=0`. По теореме о «зажатой» последовательности (теорема 2.3) `lim_(n->oo)q^n=0`.
Дадим обоснование одного способа приближённого извлечения квадратных корней, встречавшегося еще в древних вавилонских текстах.
Последовательность `(x_n)` задана рекуррентно где
`x_(n+1)=1/2(x_n+a/x_n)`, (2.4)
`x_1>0`, `a>0`. Доказать, что `lim_(n->oo)x_n=sqrta`.
Поскольку `x_1>0` и `a>0`, все члены последовательности положительные. Применяя неравенство `(c+d)//2>=sqrt(cd)` для среднего арифметического и среднего геометрического, получаем:
`x_(n+1)=1/2(x_n+a/x_n)>=sqrt(x_na/x_n)=sqrta`,
т. е. `x_n>=sqrta` для всех `n>=2`. Отсюда вытекает, что
`x_(n+1)-x_n=(a-x_n^2)/(2x_n)<=0`,
т. е. последовательность `(x_n)` является нестрого убывающей при `n>=2`. Кроме того, `(x_n)` ограничена: `sqrta<=x_n<=x_2` для всех `n>=2`. По теореме 2.5 существует `lim_(n->oo)x_n=b` и по теореме 2.4 `b>=sqrta>0`. Переходя в равенстве (2.4) к пределу, получаем `b=1/2(b+a/b)`, откуда `b^2=a` и, значит, `b=sqrta`.
Пусть функция `y=f(x)` определена на некотором интервале, содержащем точку `ain R`, за исключением, быть может, самой точки `a`.
Число `A` называется пределом функции `y=f(x)` в точке `a`, если для любой последовательности `(x_n)` из области её определения такой, что `x_n!=a` и `lim_(n->oo)x_n=a` выполняется равенство `lim_(n->oo)f(x_n)=A`.
Обозначение: `lim_(n->oo)f(x)=A`, или `f(x)->A` при `x->a`.
В определении предела рассматриваются значения `x_n`, не равные `a`, поэтому в самой точке `a` функция `y=f(x)` может быть не определена; если значение `f(a)` определено, то оно не обязано совпадать с `A`. К тому же, поскольку последовательность `(f(x_n))` имеет не более одного предела, получаем, что если функция `y=f(x)` имеет предел при `x->a`, то этот предел единственный.
На рис. 2 изображена лишь одна последовательность `(x_n)`, которая к тому же является монотонной. Важно понимать, что `lim_(n->oo)f(x_n)=A` для любой последовательности `(x_n)` с условием `x_n!=a` и `lim_(n->oo)x_n=a`.
Доказать, что `lim_(n->oo)x=a`.
Очевидно, функция `f(x)=x` определена на любом интервале, содержащем `a`. Выберем произвольную последовательность `(x_n)` такую, что `x_n!=a` и `lim_(n->oo)x_n=a`. Тогда `f(x_n)=x_n` и, значит, `lim_(n->oo)f(x_n)=a`.
Доказать, что при `a>0lim_(n->a)sqrtx=sqrta`.
Функция `f(x)=sqrtx` определена при `x>=0` и, следовательно, определена на некотором интервале, содержащем `a`. Выберем произвольную последовательность неотрицательных чисел `x_n!=a`, что `lim_(n->oo)x_n=a`. Нам нужно показать, что `lim_(n->oo)sqrtx_n=sqrta`. Фиксируем произвольное `epsilon>0`, тогда найдётся такое число `k`, что при `n>k` выполняется неравенство `|x_n-a|<epsilonsqrta`. Следовательно,
`|sqrtx_n-sqrta|=(|(sqrt(x_n)-sqrta)(sqrt(x_n)+sqrta)|)/(sqrt(x_n)+sqrta)<(|x_n-a|)/(sqrta)<epsilon`,
что и требовалось.
Доказать, что `lim_(x->1)(x^2-1)/(x-1)=2`.
Функция `f(x)=(x^2-1)/(x-1)` определена на любом интервале, содержащем `x=1`, кроме этой точки. Поскольку при `x!=1` имеет место равенство `f(x)=x+1`, то для любой последовательности `(x_n)` такой, что `x_n!=1` и `lim_(n->oo)x_n=1` выполняется `lim_(n->oo)f(x_n)=lim_(n->oo)x_n+1=2`.
Пусть функции `y=f(x)`, `y=g(x)` определены на некотором интервале, содержащем точку `a in R`, за исключением, быть может, самой точки `a`, `lim_(x->a)f(x)=A` и `lim_(x->a)g(x)=B`. Тогда
1) `lim_(x->a)(f(x)+g(x))=A+B`;
2) `lim_(x->a)f(x)g(x)=AB`;
3) если дополнительно `g(x)!=0` при `x!=a`, `B!=0`, то `lim_(x->a)(f(x))/(g(x))=A/B`.
Эти свойства вытекают из арифметических операций над пределами последовательностей (теорема 2.2). Приведём доказательство для свойства 2. Остальные доказываются аналогично.
Пусть некоторая произвольная последовательность `(x_n)` из интервала, на котором определены функции, такова что `x_n!=a` и `lim_(n->oo)x_n=a`. Тогда по определению предела функции `lim_(n->oo)f(x_n)=A` и `lim_(n->oo)g(x_n)=B`. По пункту 2 теоремы 2.2 `lim_(n->oo)f(x_n)g(x_n)=AB`. По определению предела функции получаем, что `lim_(x->a)f(x)g(x)=AB`.
Пусть функция `y=f(x)` определена на некотором интервале, содержащем точку `a`. Функция `y=f(x)`называется непрерывной в точке `a`, если `lim_(x->a)f(x)=f(a)`, т. е. если для любой последовательности `(x_n)` из области определения функции такой, что `lim_(n->oo)x_n=a`, выполняется равенство `lim_(n->oo)f(x_n)=f(a)`.
Отметим два обстоятельства, связанных с определением непрерывности. Во-первых, оговорка `x_n!=a` здесь не нужна, т. к. при `x_n=a` значения `f(x_n)` равны `f(a)`. Во-вторых, важно понимать, что если функция `y=f(x)` непрерывна в точке `a`, то
1) она определена в точке `a`;
2) существует `lim_(x->a)f(x)=A` и
3) `A=f(a)`.
Если хотя бы один из пунктов 1) – 3) не выполнен, то функция не является непрерывной в точке `a`.
Многочлен является непрерывной на всей числовой прямой функцией.
Пусть `P(x)=a_nx^n+a_(n-1)x^(n-1)+...+a_1x+a_0` - многочлен степени `n, a in R`. Нам нужно показать, что `lim_(x->a)P(x)=P(a)`. В силу примера 3.1 `lim_(x->a)x=a`,, а в силу примера 2.1 для константы `c` ‑ `lim_(x->a)c=c`. Последовательно применяя пункт 2 теоремы 3.1, получаем, что `lim_(x->a)cx^m=ca^m` при любом натуральном `m`. Осталось `n+1` раз применить пункт 1 теоремы 3.1 и заключить, что `lim_(x->a)P(x)=P(a)`.
Из теоремы 3.1 вытекает, что если функции `y=f(x)`, `y=g(x)` непрерывны в точке `a`, то функции `y=f(x)+-g(x)`, `y=f(x)g(x)`, `y=f(x)//g(x)` `(g(a)!=0)` также непрерывны в `a`.
Функция называется непрерывной на множестве, если она непрерывна в каждой точке этого множества.
Функция `y=|x|` непрерывна на всей числовой прямой.
Функция `y=|x|` на промежутке `(-oo;0)` совпадает с функцией `y=-x`, а на промежутке `(0;+oo)` - с функцией `y=x`, которые непрерывны на этих промежутках. Осталось исследовать на непрерывность данную функцию в точке `x=0`. Поскольку `||x_n|-0|=|x_n-0|`, то для любой последовательности `(x_n)` такой, что `lim_(n->oo)x_n=0` верно `lim_(n->oo)|x_n|=0`. По определению `lim_(x->0)|x|=0`, функция `y=|x|` непрерывна в точке `x=0`.
Вообще, все элементарные функции, изучаемые в школьном курсе, непрерывны в каждой точке, в окрестности которой эти функции определены.
Найти `lim_(x->2)(x^3+sqrt((x-3)^2)+11)`.
Поскольку `sqrt((x+3)^2)=|x-3|` и `|x-3|=3-x` при `x<=3`,
то `f(x)=x^3+|x-3|+11=x^3-x+14` при `x<=3`.
Многочлен `P(x)=x^3-x+14` непрерывен на всей числовой прямой, и в частности, в точке `x=2`. Поэтому `lim_(x->2)f(x)=P(2)=2^3-2+14=20`.
Найти `lim_(x->5)(sqrt(x-1)-2)/(x-5)`.
Обозначим дробь, стоящую под знаком предела, через `f(x)`. В числителе и знаменателе дроби `f(x)` стоят функции, непрерывные в точке `x=5`. Предел этих функций при `x->5` равен их значению в точке `x=5`, т. е. равен `0`. В этом случае говорят, что имеет место неопределённость `(0/0)`. Для её «раскрытия» приходится прибегнуть к искусственному приёму – умножению числителя и знаменателя дроби `f(x)` на «сопряжённое выражение» `sqrt(x-1)+2`:
`lim_(x->5)f(x)=lim_(x->5)((sqrt(x-1)-2)(sqrt(x-1)+2))/((x-5)(sqrt(x-1)+2))=`
`=lim_(x->5)(x-5)/((x-5)(sqrt(x-1)+2))=`
`=lim_(x->5)1/(sqrt(x-1)+2)=1/(sqrt(5-1)+2)=1/4`.
Предпоследнее равенство получено в силу непрерывности функции `y=1/(sqrt(x-1)+2)` в точке `x=5`.
`1/4`.
Пусть функция `y=f(x)` определена на некотором интервале `(c;d)`, содержащем точку `ainR`. Функция `y=f(x)` называется дифференцируемой в точке , если существует конечный
`lim_(x->a)(f(x)-f(a))/(x-a)`.
Этот предел называется производной функции `y=f(x)` в точке `a` и обозначается `f^'(a)`.
Для точек `x,ain(c;d)` введём обозначения: `Deltax=x-a` – приращение аргумента; `Deltaf=f(x)-f(a)` – приращение функции. Тогда дифференцируемость `y=f(x)` в точке `a` означает, что
`f^'(a)=lim_(x->a)(Deltaf)/(Deltax)`.
Функция называется дифференцируемой на множестве, если она дифференцируема в каждой точке этого множества.
Найти по определению производные функций:
а) `f(x)=c, cinR`, в произвольной точке;
б) `f(x)=x^n,ninN`, в произвольной точке;
в) `f(x)=sqrtx` в точке `a>0`.
а) Пусть `ainR`. Поскольку приращение постоянной функции `Deltaf=c-c=0`, то производная `f^'(a)=lim_(x->a)0/(x-a)=0`.
б) Приращение данной функции в точке `ainR` можно записать следующим образом: `Deltaf=x^n-a^n=(x-a)(x^(n-1)+ax^(n-2)+...+a^(n-1))`. Тогда
`f^'(a)=lim_(x->a)(x^n-a^n)/(x-a)=lim_(x->a)(x^(n-1)+ax^(n-2)+...+a^(n-1))=na^(n-1)`.
Итак, `(x^n)^'=nx^(n-1)` для всех `xinR`.
в) Пусть `a>0`. Функция `s(x)=sqrtx` определена на некотором интервале, содержащем `a` (например, `(a//2,2a)`). Запишем отношение приращений
`(Deltaf)/(Deltax)=(sqrtx-sqrta)/(x-a)=(sqrtx-sqrta)/((sqrtx-sqrta)(sqrtx+sqrta))=1/(sqrtx+sqrta)`.
Тогда `f^'(a)=lim_(x->a)1/(sqrtx+sqrta)=1/(2sqrta)`, т. е. `(sqrtx)=1/(2sqrtx)` при `x>0`.
Укажем физический смысл производной. Пусть `s=s(t)` - расстояние, пройденное телом за время `t` (движение одномерное). Тогда частное `(s(t)-s(t_0))/(t-t_0)` выражает среднюю скорость за время от `t_0` до `t`. Если мы хотим узнать скорость тела в момент времени `t_0`, то нужно неограниченно уменьшать промежуток от `t_0` до `t`, т. е. устремлять `t` к `t_0`. Таким образом, `s^'(t_0)=lim_(t->t_0)(s(t)-s(t_0))/(t-t_0)` есть мгновенная скорость в `t_0`. Так что интуитивное представление о производной есть у каждого, кто видел спидометр автомобиля.
Если функция `y=f(x)` дифференцируема в точке `a`, то она непрерывна в точке `a`.
Следующий пример показывает, что обратное утверждение к теореме 4.1 неверно.
Доказать, что функция `y=|x|` не дифференцируема (не имеет производной) в точке `x=0`.
Рассмотрим две последовательности `(x_n)` и `(bar(x)_n)` такие что `x_n->0`, `bar(x)_n->0` при `n->oo`, все `x_n>0`, а все `barx_n<0`. Тогда соответствующие отношения приращений функции к приращениям аргумента в точке `x=0` имеют вид `((Deltay)/(Deltax))_n=(|x_n|-0)/(x_n-0)=(x_n)/(x_n)=1` и `((Deltay)/(Deltax))_n=(|barx_n|-0)/(barx_n-0)=(-barx_n)/(barx_n)=-1` что означает отсутствие предела `lim_(x->0)(Deltay)/(Deltax)`, т. е. отсутствие `y^'(0)`.
Пусть функции `y=f(x)`, `y=g(x)` дифференцируемы в точке `a`, тогда в этой точке дифференцируемы функции `y=(f+g)(x)`, `y=c*f(x)` (где `cinR`), `y=(f*g)(x)` и, если `g(a)!=0`, то также `y=(f/g)(x)`,причём
1) `(f+-g)^'(a)=f^'(a)+-g^'(a)` и `(c*f)^'(a)=c*f^'(a)`;
2) `(f*g)^'(a)=f^'(a)g(a)+f(a)g^'(a)`;
3) `(f/g)^'(a)=(f^'(a)g(a)-f(a)g^'(a))/(g^2(a))`.
Из теоремы 4.2 и пунктов а) и б) примера 4.1 вытекает
Любой многочлен `P(x)=a_nx^n+a_(n-1)x^(n-1)+...+a_1x+a_0` является дифференцируемой на `R` функцией с производной `P^'(x)=a_n nx^(n-1)+a_(n-1)(n-1)x^(n-2)+...+a_1`.
Найти производную функции `y=(x+1)/(3x-6)` при `x!=2`.
На основании примера 4.1 и теоремы 4.2 получаем:
`y^'((x+1)^'(3x-6)-(x+1)(3x-6)^')/((3x-6)^2)=`
`=(3x-6-(x+1)*3)/(9(x-2)^2)=(-1)/((x-2)^2)`.
Вообще говоря, любая дробно-рациональная функция дифференцируема во всех точках, за исключением нулей знаменателя.
Пусть на множестве `X` задана функция `y=f(x)` и на множестве её значений задана функция `z=g(y)`. Тогда говорят, что на множестве `X` определена сложная функция (или композиция) `z=g(f(x))` функций `z=g(y)` и `y=f(x)`. Например, рассмотрим на луче `X=(-oo;-1]` функцию `y=x^2-1`. На множестве её значений `[0;+oo)` определена функция `z=g(y)=sqrty`. Тогда на `X` можно определить сложную функцию `z=g(f(x))=sqrt(x^2-1)`.
Пусть на множестве `X` определена сложная функция `z=g(f(x))`. Если функция `y=f(x)` дифференцируема в точке `x_0`, а функция `z=g(y)` дифференцируема в точке `y_0=f(x_0)`, то сложная функция `z=g(f(x))` дифференцируема в точке `x_0` и `(g(f(x_0)))^'=g(y_0)f^'(x_0)`.
Найти производную функции `z(x)=sqrt(x^2-1)` в точке `x in(-oo;-1)`.
Данная функция является композицией двух функций `g(y)=sqrty` и `y=f(x)=x^2-1`. Поскольку `g^'(y)=1/(2sqrty)` (см. пример 4.1), а `y^'=f^'(x)=2x`, то по теореме 4.3 получаем
`z^'(x)=g^'(f(x))*f^'(x)=(1)/(2sqrt(f(x)))*f^'(x)=`
`=(2x)/(2sqrt(x^2-1))=x/(sqrt(x^2-1))`.
Пусть функция `y=f(x)` дифференцируема в точке `a`. Касательной к графику `f` в точке `A(a;f(a))` называется прямая, проходящая через точку `A`, угловой коэффициент которой равен `f^'(a)`. Уравнение касательной в точке `A` имеет вид
`y=f(a)+f^'(a)(x-a)`.
Функция `f(x)=sqrt(1-x^2)` дифференцируема в каждой точке интервала `(-1;1)` с `f^'(x)=-x/(sqrt(1-x^2))`. Следовательно, уравнение касательной к графику этой функции в `A(a;f(a))` имеет вид `y=sqrt(1-a^2)-(a(x-a))/(sqrt(1-a^2))`, т. е. `y=(1-ax)/(sqrt(1-a^2)`. График `f` представляет собой полуокружность, а касательная к этой кривой была определена в геометрии. Докажем, что оба определения дают одну и ту же прямую.
 |
Рассмотрим случай `ain(0;1)`. Касательная, определенная при помощи производной, проходит через точку `A(a;f(a))` и угловой коэффициент её равен `f^'(a)=-a/(sqrt(1-a^2))`. Так как этот угловой коэффициент отрицателен, то угол `varphi`, образованный касательной с положительным направлением оси `Ox`, тупой: `"tg"varphi=f^'(a)`. Тогда тангенс острого угла `alpha` (см. рис. 3), образованного касательной с отрицательным направлением оси `Ox`, равен `a/(sqrt(1-a^2))`. Котангенс же острого угла `beta`, образованного прямой `OA` с положительным направлением оси `Ox`, равен `a/(f(a))=a/(sqrt(1-a^2))`. Итак, `"tg"alpha="ctg"beta`, оба угла `alpha` и `beta` острые, поэтому `beta=90^@-alpha`. А это значит, что касательная, определенная при помощи производной, перпендикулярна радиусу окружности, проведенному в точку `A`, т. е. совпадает с касательной в смысле геометрического определения. Случай `ain(-1;0)` рассматривается аналогично. Этот случай (а также случай `a=0`) рекомендуем рассмотреть самостоятельно.
Часто требуется провести касательную к графику функции через произвольную точку плоскости. Такая задача может иметь два и более решений, а может и вообще не иметь решений.
Провести касательную к параболе `y=1+2x-x^2` через произвольную точку плоскости `(x_0;y_0)`. Исследовать решение.
Так как `(1+2x-x^2)^'=2-2x`, то уравнение касательной к параболе в точке `(a;1+2a-a^2)` имеет вид:
`y=(1+2a-a^2)+(2-2a)(x-a)`.
Эта касательная должна проходить через точку `(x_0;y_0)`, откуда `y_0=(1+2a-a^2)+(2-2a)(x_0-a)` и после преобразований получаем уравнение для нахождения абсциссы точки касания `a`:
`a^2-2x_0a+(1+2x_0-y_0)=0`. (*)
Если `D/4=x_0^2-2x_0-1+y_0<0`, т. е. `y_0<1+2x_0-x_0^2`, то уравнение (*) не имеет решений.
Если `D/4>0`, т. е. `y_0>1+2x_0-x_0^2`, то уравнение (*) имеет два решения `a=x_0+-sqrt(x_0^2-2x_0-1+y_0)`. Подставляя найденные `a` получим уравнения двух касательных, проходящих через точку `(x_0;y_0)`. Например, при `x_0=0`, `y_0=2` имеем `a+-1` и соответственно уравнения двух касательных: `y=2` (горизонтальная касательная, касающаяся параболы в её вершине `(1;2)`) и `y=4x+2` (наклонная касательная, касающаяся параболы в точке `(-1;-2)`, см. рис. 4). Наконец, если `D/4=0` т. е. `y_0=1+2x_0-x_0^2`, то уравнение имеет одно решение `a=x_0`. Геометрический смысл решения очень прост.
Если `y_0<1+2x_0-x_0^2`, т. е. точка `(x_0;y_0)` лежит «ниже» параболы, то через эту точку касательную провести нельзя.
Если `y_0>1+2x_0-x_0^2`, т. е. точка `(x_0;y_0)` лежит «выше» параболы, то через эту точку можно провести две касательные к параболе. Наконец, если `y_0=1+2x_0-x_0^2`, т. е. точка `(x_0;y_0)` лежит на параболе, то через нее можно провести единственную касательную, касающуюся параболы в точке `(x_0;y_0)`.
Пусть функция `y=f(x)` определена на некотором интервале, содержащем точку `ainR`. Точка `a` называется точкой локального максимума функции `f`, если существует `epsilon` - окрестность точки `a` что для любого `x!=a` из этой окрестности `f(x)<f(a)`.
Если выполнено неравенство `f(x)>f(a)`, то `a` называется точкой локального минимума функции `f`.
Точки локального максимума и локального минимума называют точками локального экстремума.
Если точка `a` является точкой локального экстремума функции `y=f(x)` и функция `f` имеет производную в этой точке, то `f^'(a)=0`.
Физический смысл: при одномерном движении с возвращением в точке максимального удаления должна быть остановка. Геометрический смысл: касательная в точке локального экстремума горизонтальна.
Из теоремы Ферма следует, что если функция имеет экстремум в точке `a`, то в этой точке производная функции либо равна нулю, либо не существует. Например, функция `y=|x|` имеет минимум в точке `x=0`, а производная в этой точке не существует (см. пример 4.2). Точки, в которых функция определена, а производная равна нулю или не существует, будем называть критическими.
Итак, если у функции имеются точки экстремума, то они лежат среди критических точек (критические точки «подозрительны» на экстремум). Для формулировки условий, обеспечивающих наличие экстремума в критической точке, нам потребуется следующее понятие.
Напомним, что под промежутком понимается интервал (конечный или бесконечный), полуинтервал или отрезок числовой прямой.
Пусть функция `y=f(x)` определена на промежутке `I`.
1) Функция `y=f(x)` возрастает на `I`, если для любых `x,yinI`, `x<y`, выполняется `f(x)<f(y)`.
2) Функция `y=f(x)` убывает на `I`, если для любых `x,yinI`, `x<y`, выполняется `f(x)>f(y)`.
Если функция возрастает или убывает на `I`, то говорят, что функция монотонна на промежутке `I`.
Условия монотонности. Пусть функция `y=f(x)` определена на промежутке `I` с концами `a`, `b`, дифференцируема на `(a, b)` и непрерывна в концах, если они принадлежат `I`. Тогда
1) если `f^'(x)>0` на `(a, b)`, то функция возрастает на `I`;
2) если `f^'(x)<0` на `(a, b)`, то функция убывает на `I`.
Условия экстремума. Пусть функция `y=f(x)` определена на интервале `(ab)`, непрерывна в точке `x_0 in(a, b)` и дифференцируема на `(a,x_0) uu (x_0,b)`. Тогда
1) если `f^'(x)>0` на `(a;x_0)` и `f^'(x)<0` на `(x_0;b)`, то `x_0` - точка локального максимума функции `f`;
2) если `f^'(x)<0` на `(a;x_0)` и `f^'(x)>0` на `(x_0;b)`, то `x_0` - точка локального минимума функции `f`.
Исследовать функцию `y=x^3-3x` на монотонность и экстремумы на области определения.
Данная функция определена на `R` и дифференцируема в каждой точке (см. следствие теоремы 4.2), причём `y^'=3(x^2-1)`. Так как `y^'<0` при `x in(-1,1)`; `y^'>0` при `x in(-oo,-1)uu(1,+oo)`, то функция возрастает на лучах `(-oo,-1]` и `[1,+oo)` (на каждом из двух лучей в отдельности, но не на их объединении!), убывает на отрезке `[-1,1]`. По условию экстремума `x=-1` - точка локального максимума, а `x=1` - точка локального минимума. Так как `y^'=0` только в точках `x=1` и `x=-1`, то по теореме Ферма других точек экстремума у функции нет.
Рассмотрим важный класс задач, в которых используется понятие производной – задачи нахождения наибольшего и наименьшего значения функции на отрезке.
Найти наибольшее и наименьшее значение функции `y=x^3-3x` на отрезке: а) `[-2;0]`; б) `[1;3]`.
а) Из примера 5.1 следует, что функция возрастает на `(-oo,-1]` и убывает на `[-1,1]`. Так что `y(-1)>=y(x)` при всех `x in[-2;0]` и `y_"наиб"=y(-1)=2` - наибольшее значение функции на отрезке `[-2;0]`. Чтобы найти наименьшее значение, нужно сравнить значения функции на концах отрезка. Поскольку `y(-2)=-2`, а `y(0)=0`, то `y_"наим"=-2` - наименьшее значение функции на отрезке `[-2;0]`.
б) Так как на луче `[1,+oo)` функция возрастает, то `y(1)<=y(x)<=y(3)` для всех `x in[1;3]`, поэтому `y_"наим"=y(1)=-2`, `y_"наиб"=y(3)=18`.
Отметим, что непрерывная на отрезке функция всегда имеет наибольшее и наименьшее значение.
Найти наибольшее и наименьшее значение функции `y=x^3-12|x+1|` на отрезке `[-4;3]`.
Отметим, что функция непрерывна на всей числовой прямой. Обозначим `f_1(x)=x^3+12(x+1)`, `f_2(x)=x^3-12(x+1)`. Тогда `y=f_1(x)` при `-4<=x<=-1` и `y=f_2(x)` при `-1<=x<=3`. Находим `f_1^'(x)=3x^2+12`, `f_2^'(x)=3x^2-12`. Уравнение `f_1^'(x)=0` не имеет действительных корней, а уравнение `f_2^'(x)=0` имеет два действительных корня `x_1=-2`, `x_2=2`, из которых интервалу `(-1;3)` принадлежит только точка `x_2`. В точке `x=-1` функция определена, но не имеет производной (можно, например, провести рассуждения, аналогичные рассуждениям примера 4.2). Итак, имеется две критические точки: `x=-1` и `x=2`. Производная `y^'(x)=f_1^'(x)>0` на `(-4;-1)`, `y^'(x)=f_2^'(x)<0` на `(-1;2)` и `y^'(x)=f_2^'(x)>0` на `(2;3)`. Запишем все исследования в таблице:
| `x` | `x=-4` | `(-4;-1)` | `x=-1` | `(-1;2)` | `x=2` | `(2;3)` | `x=3` |
| `y^'` |
|
`+` |
не сущ. |
`-` |
`0` |
`+` |
|
| `y` | `-100` |
возр. |
`-1` макс. |
убыв. |
`-28` мин. |
возр. |
`-21` |
`y_"наиб"=-1`; `y_"наим"=-100`.
Одним из разделов школьной математики является изучение функциональных зависимостей или функций.
Напомним, что функцией математики называют зависимость величины от одной или нескольких других величин. При этом независимые переменные величины принято называть аргументами, а зависимые – функциями. При этом важно не забывать, что каждому значению аргумента (или аргументов) ставится в соответствие единственное значение зависимой переменной (функции). Наглядно функции изображают с помощью графика – специального набора точек на плоскости. Пусть имеется функция $$ y=f\left(x\right)$$ одной переменной $$ x$$. На плоскости введём декартову систему координат $$ xOy$$ и рассмотрим множество точек $$ G$$ с координатами $$ (x,f(x\left)\right)$$, где $$ x$$ принадлежит некоторому множеству $$ M$$, которое называется областью определения функции. А множество $$ G$$ называется графиком функции $$ y=f\left(x\right)$$ (рис. 1).
В школьном курсе математики вы изучали такие типы функций:
График линейной функции можно построить по двум точкам, поскольку это прямая линия. Однако стоит заметить, что не всякая прямая будет графиком линейной функции. Если взять вертикальную прямую $$ x=a$$, то такая линия не может быть графиком никакой функции (рис. 2).
Действительно, здесь одному значению переменной $$ x$$ ставится в соответствие несколько значений переменной $$ y$$. Итак,
прямая на плоскости $$ xOy$$ – график некоторой линейной функции тогда и только тогда, когда она не вертикальна.
Напомним геометрический смысл коэффициентов $$ k$$ и $$ b$$ в уравнении прямой $$ y=kx+b:$$ $$ k=\mathrm{tg} \alpha $$ – тангенс угла наклона прямой к оси $$ Ox$$, $$ b$$ – ордината точки пересечения прямой с осью $$ Oy$$. Поэтому две невертикальные прямые $$ y={k}_{1}x+{b}_{1}$$ и $$ y={k}_{2}x+{b}_{2}$$:
Условие перпендикулярности прямых несложно пояснить. Рассмотрим пару прямых, параллельных данным и проходящих через начало координат (см. рис. 3).
Из перпендикулярности этих прямых следует, что $$ \alpha =\phi $$. Поэтому если точка $$ A({a}_{0};{b}_{0})$$ лежит на первой прямой, то точка $$ B(-{b}_{0};{a}_{0})$$ лежит на второй. Ясно, что можно подобрать $$ {a}_{0}\ne 0$$ и $$ {b}_{0}\ne 0$$, откуда $$ {k}_{1}{k}_{2}={\displaystyle \frac{{b}_{0}}{{a}_{0}}}·{\displaystyle \frac{{a}_{0}}{-{b}_{0}}}=-1$$.
Теперь напомним основные сведения о функциях вида $$ f\left(x\right)=a{x}^{2}+bx+c$$.
Сразу отметим, что такая функция квадратична только при $$ a\ne 0$$. В случае же $$ a=0$$ эта функция квадратичной уже не будет. Если в задаче возможна такая ситуация, то случай $$ a=0$$ обязательно нуждается в отдельном рассмотрении. Нужно всегда обращать на это внимание!
Будем считать, что $$ a\ne 0$$. Тогда графиком функции $$ y=f\left(x\right)$$ будет парабола. Такие графики принято строить схематично, учитывая следующее:
Теперь поговорим о графиках степенной функции. Легко убедиться, что график функции
$$ f\left(x\right)={x}^{n}$$ ($$ n\in N$$) при $$ x\ge 0$$
выглядит так, как показано на рис. 4. Для чётных $$ n$$, очевидно, верно $$ f(-x)=f\left(x\right)$$, а для нечетных $$ n$$ верно $$ f(-x)=-f\left(x\right)$$ для всякого $$ x$$. Поэтому в зависимости от чётности $$ n$$ графики функции $$ f\left(x\right)={x}^{n}$$ имеют такой вид (рис. 5 и 6).
Напомним, что функция, область допустимых значений которой симметрична относительно начала координат, называется чётной, если справедливо равенство $$ f(-x)=f\left(x\right)$$ и нечётной, если $$ f(-x)=-f\left(x\right)$$. Наример, нетрудно проверить, что функция
$$ f\left(x\right)=|x-2|+|x+2|$$ – чётная,
а функция
$$ g\left(x\right)=|x-2|-|x+2|$$ – нечётная.
В случае нечётного $$ n$$ график симметричен относительно начала координат. Такие функции называют нечётными (рис. 5). Если же $$ n$$ четно, то график симметричен относительно оси ординат. Такие функции называют чётными (рис. 6).
Для построения графика $$ f\left(x\right)=\sqrt[n]{x}$$ нужно записать уравнение $$ y=\sqrt[n]{x}$$ или $$ x={y}^{n}$$. Это означает, что график имеет вид линии $$ y={x}^{n}$$, но при этом $$ x$$ и $$ y$$ меняются местами. Для чётных $$ n$$ при этом еще нужно учесть ОДЗ $$ x\ge 0$$. Поэтому график функции $$ f\left(x\right)=\sqrt[n]{x}$$ имеет следующий вид в зависимости от чётности натурального числа $$ n$$ (рис. 7, 8):
Рассмотрим теперь функции вида $$ f\left(x\right)=\frac{k}{x}$$.
Поскольку функция $$ f$$ нечётна, то график должен быть симметричным относительно начала координат. Схематический вид графика этой функции показан на рисунке 9.
Если $$ k<0$$, то график функции $$ y={\displaystyle \frac{k}{x}}$$ имеет примерно такой же вид, и его можно получить симметрией относительно оси $$ Oy$$ из графика функции $$ y={\displaystyle \frac{\left|k\right|}{x}}$$ (рис. 10).
Покажем, как меняется график функции $$ f\left(x\right)={\displaystyle \frac{k}{x}}$$ при изменении параметра $$ k$$. Если $$ \left|{k}_{2}\right|>\left|{k}_{1}\right|$$, то линия $$ f\left(x\right)={\displaystyle \frac{{k}_{2}}{x}}$$ более удалена от осей координат, чем $$ f\left(x\right)={\displaystyle \frac{{k}_{1}}{x}}$$. Схематично это изображено на рис. 11, 12.
Во многих случаях характер зависимости одной переменной от другой может существенно меняться в зависимости от области, которой принадлежит значение аргумента. Функции, которые по-разному задаются на различных интервалах числовой прямой, будем называть кусочно-заданными. Рассмотрим примеры, показывающие, как строить графики таких функций.
Построим график . Ясно, что
Получаем при луч , а при луч (рис. 13).
Рассмотрим ещё несколько примеров построения графиков кусочно-заданных функций.
Построим график функции , где
(см. рис. 14).
Рассмотрим пример графика, содержащего часть гиперболы.
Построим график функции
График первой функции – гипербола `y =−2/x`. По условию берём только ту часть гиперболы, где .
График второй функции – прямая и мы учитываем только ту её часть, где . Получаем искомый график (см. рис. 15).
Рассмотрим интересный вид кусочно-заданных функций.
 |
Целой частью числа называется наибольшее целое число, не превосходящее .
Например, , , а . Функцию легко можно задать на промежутках между парами соседних целых чисел:
`[x] = n` при `n<=x<n+1` для всякого фиксированного целого числа `n`.
Поэтому график этой функции имеет следующий вид (рис. 16).
Рассмотрим более трудный пример.
Построить график функции .
Ясно, что . Далее,
из определения целой части числа следует такое представление:
для всякого целого (рис. 17).
Рассмотрим ещё такой пример.
Изобразим на координатной плоскости множество точек , для которых .
Ясно, что означает, что для некоторого целого `n` верны неравенства и . Набор всех таких точек будет объединением квадратиков так, как показано на рисунке. Жирные участки границ входят в график, а пунктирные и выколотые точки – нет (рис. 18).
С целой частью числа тесно связана такая кусочно-линейная функция.
Дробной частью числа называется число .
К примеру, , , а .
Построим график функции . Ясно, что
при (рис. 19).
Часто возникают задачи, в которых требуется по графику функции построить график некоторой похожей функции. Такого типа задачи называют задачами на преобразование графиков функций. Наиболее известны два типа преобразований графиков – линейные преобразования графиков, а также преобразования графиков, связанные с модулями. Начнём со второго типа преобразований. Будем полагать, что нам задан график функции .
Как построить график функции ? По определению модуля:
Поэтому график функции состоит из двух частей:
– в правой полуплоскости, – в левой полуплоскости. Это означает, что можно сформулировать такое правило:
для построения графика нужно сохранить часть графика при (т. е. на оси ординат и справа от неё), а также симметрично отразить эту часть относительно оси `Оy`; часть графика при (т. е. слева от оси ординат) при этом нужно стереть.
Как построить график функции ? По определению модуля:
Поэтому можно сформулировать такое правило:
для построения графика функции нужно сохранить часть графика , лежащую выше оси `Ox`, а часть графика, лежащую ниже оси `Ox`, симметрично отразить относительно этой оси.
Отметим, что для построения графика функции нужно последовательно провести преобразования ПР1 и ПР2 (в любом порядке).
Рассмотрим ещё один тип преобразований графиков с модулями.
Как построить множество точек `(x, y)` таких, что ?
Сразу видно, что на новом графике не должно быть точек, для которых . Поэтому нужно стереть часть графика функции , лежащую ниже оси абсцисс. Если же , то и на новом графике каждому такому значению должно соответствовать две точки, симметричные относительно оси (если , то точка одна).
Это означает, что часть графика функции , лежащую выше оси абсцисс, нужно сохранить и симметрично отразить относительно оси .
Теперь перейдём к описанию так называемых линейных преобразований графиков. Выделяют, как правило, следующие три типа таких преобразований.
Переход от графика к графику , где .
Если – положительное число, то имеем два возможных случая:
а) . В данном случае рассматриваемый переход является растяжением графика от оси абсцисс в `a` раз. Покажем на примере линейной функции (рис. 20). Положим и получим график функции посредством растяжения имеющегося графика в два раза от оси абсцисс (рис. 21).
б) . В данном случае рассматриваемый переход является сжатием графика к оси ординат в раз. Пусть имеется линейная функция . Если , то получим график функции посредством сжатия имеющегося графика в раза к оси абсцисс (рис. 22).
Заметим, что при нужно сначала построить график функции , а потом симметрично его отобразить относительно оси абсцисс.
В частности, при исходный график отражается относительно `Ox`.
Переход от графика к графику , где – некоторое число. Рассматриваемый переход является параллельным переносом графика вдоль оси ординат на единиц. Направление сдвига определяется знаком : если , то график сдвигается вверх, а если , то вниз.
Переход от графика к графику , где – некоторое число. В этом случае исходный график сдвигается вдоль оси абсцисс на величину . Но направление сдвига противоположно знаку числа `c:` если , то график сдвигается влево, а если , то вправо.
Рассмотрим несколько примеров построения графиков с использованием упомянутого выше набора преобразований.
Для этого нужно выполнить цепочку таких действий (рис 23).
а) Строим график функции .
б) Выполняем ПР2: часть полученного графика, лежащая над осью сохраняется; а его часть, лежащая под осью отображается симметрично относительно оси .
с) Затем сдвигаем график вдоль оси на `2` единицы вниз (ПР5).
д) Выполняем ПР2 снова: часть полученного в предыдущем пункте графика, лежащая выше оси , сохраняется, а часть этого графика, которая лежит ниже оси , отображается симметрично относительно неё.
Построим график функции .
ОДЗ: , , , .
Воспользуемся известным тождеством
. Имеем:
.
Выполняем построения (рис. 24):
а) Строим график функции .
б) График сдвигаем вдоль оси на `3` единицы вверх (ПР5).
в) Исключаем из графика точки , .
При решении задачи мы учли ОДЗ функции, исключив некоторые точки из графика. Такие точки изображаются, например, в виде выколотых точек (пустых не закрашенных кружков).
Рассмотрим специальный класс функций, графиками которых будут гиперболы.
Дробно-линейной называют всякую функцию вида
,
где и одновременно не равны `0`. Поскольку случай тривиален, то будем считать .
Выполним преобразования:
`f(x)=a/c*(cx+(bc)/a)/(cx+d)=a/c*(cx+d+(bc)/a-d)/(cx+d)=`
`=a/c*((cx+d)/(cx+d)+1/a*(bc-ad)/(cx+d))=a/c+((bc-ad)/c)/(cx+d)`,
то есть
`f(x)=a/c+((bc-ad)/c)/(cx+d)=a/c+((bc-ad)/c^2)/(x+d/c)`.
Будем считать, что (иначе коэффициенты в числителе и знаменателе пропорциональны, дробь можно сократить и функция есть постоянная величина на области определения). Это означает, что график дробно-линейной функции можно получить из графика функции `f_0(x) =1/x`, выполнив цепочку преобразований:
1. ПР6: `f_1(x)=1/(x+d/c)`;
2. ПР4: `f_2(x)=((bc-ad)/c^2)/(x+d/c)`;
3. ПР5: `f_3(x)=a/c+((bc-ad)/c^2)/(x+d/c)`.
На первом шаге нужно сдвинуть график на `−d/c` вдоль оси ,
на втором – сжать его или растянуть и, возможно, отразить в зависимости от коэффициента `(bc-ad)/c^2`, а
на третьем – сдвинуть вдоль оси .
Покажем на примере, как это нужно делать.
Построим график функции . Приведём данную функцию к такому виду:
.
Построим график функции `y=-2/x` (ветви гиперболы лежат во 2-ой и 4-ой четвертях) (рис. 25).
Далее, необходимо, воспользовавшись преобразованием ПР6, сдвинуть график `y=-2/x` на две единицы влево вдоль оси абсцисс (рис. 26). Получим график `y=-2/(x+2)`. Теперь используем преобразование ПР5 и поднимаем график на рис. 26 на единицу вверх. Получим необходимый график функции
(рис. 27).
Постройте график функции
.
Будем выполнять построения в таком порядке:
1) Преобразуем данную функцию:
`y=(3x+4)/(5x+6)=(3x+4)/(5x+6)-3/5+3/5=3/5+(2//25)/(x+6//5)`.
2) Построим график функции
`y=1/(x+6//5)` (ПР6, см. рис. 28).
Далее, построим график `y=(2//25)/(x+6//5)`, сжав график относительно оси абсцисс в `2//25` раз (ПР4, см. рис. 29).
3) Осталось сдвинуть график на `3//5` единиц вверх и получим окончательный график (ПР6, см. рис. 30)
`y=3/5+(2//25)/(x+6//5)`.
Построим график функции
.
Будем решать данный пример в таком порядке:
1. Построим гиперболу `y=2/x` (рис. 31).
2. Воспользовавшись преобразованием ПР6, сдвинем эту гиперболу на единицу вправо (вдоль оси абсцисс) и получим график функции `y=2/(x-1)` (рис. 32).
3. Теперь воспользуемся преобразованием ПР1 для построенного в п. 2. графика. Получим график функции `y=2/(|x|-1)` (рис. 33).
4. Воспользуемся преобразованием ПР2 и получим график искомой функции `y=|2/(|x|-1)|` (рис. 34).
