Moment Viktiga exempel Övningsuppgifter I Extrauppgifter 1.2.1, 1.2.2, 1.2.4, 1.2.5 1.3, 1.4, 1.8 1.7, 1.8, 1.9 1, 2, 3, 4 Den teori och de exempel, som kommer att presenteras här, är normalt vad jag kommer att gå igenom under föreläsningen. Något av innehållet kan ses som komplement till boken. Talmängder Naturliga tal kallas de tal som tillhör mängden N = {0, 1, 2, 3, . . .} Heltal kallas de tal som tillhör mängden Z = {. . . , −2, −1, 0, 1, 2, . . .} Rationella tal kallas de tal som tillhör mängden a Q= : a, b ∈ Z b Reella tal kallas de tal som kan uttryckas med hjälp av ändligt eller oändligt många decimaler! Mängden av reella tal betecknas med R Irrationella tal kallas de tal som är reella men ej rationella. Komplexa tal kallas de tal som tillhör mängden C = {a + bi : a, b ∈ R} Påståenden: • N ⊂ Z, mängden N är en delmängd av mängden Z. Z innehåller ju förutom alla positiva heltal också de negativa heltalen som inte finns i N. • Z ⊂ Q. Eftersom bland annat 71 och −12 3 är rationella tal förstår vi att heltal kan skrivas som rationella sätt. √ • Q ⊂ R. Till exempel talet 2 kan inte skrivas som ett rationellt tal och alla tal i Q är reella. • R ⊂ C. Så fort man väljer b = 0 har man ett reellt tal! De komplexa talen behöver vi inte bry oss om i denna kurs. Håkan Strömberg 1 KTH Syd Intervall {x : a ≤ x ≤ b, x ∈ R} Uttrycket ovan betecknar en mängd, som kan ses som ett intervall på tallinjen. Så här uttalar man det: Mängden av reella tal x, sådana att x är större än eller lika med a och samtidigt mindre än eller lika med b Tecknen { och } vittnar om att det gäller en mängd. Kolon : kan med fördel uttalas som sådana att. [4, 10] = {x : 4 ≤ x ≤ 10, x ∈ R} Detta är ett slutet intervall. Slutet därför att gränserna ingår i mängden. (−2, 4) = {x : −2 < x < 10, x ∈ R} Detta är ett öppet intervall, därför att gränserna inte ingår i mängden M ovan. 10 6∈ M, men 9.9999999 . . . ∈ M [3, 15) = {x : 3 ≤ x < 15, x ∈ R} Detta är ett halvöppet (eller halvslutet ). Det är en bra idé att använda runda parenteser då gränsen inte tillhör intervallet och hakparenteser då gränsen ingår i intervallet. [10, 19) = {x : 10 ≤ x < 19, x ∈ N} Mängden består av talen 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, alltså ett heltalsintervall. Denna typ av intervall eller mängder är mindre vanliga i denna kurs. Likheter och olikheter Andragradsekvationen Den här formeln känner du förstås redan till, där vi har för avsikt att lösa polynomekvationen av andra graden x2 + px + q = 0 r p 2 p −q x1,2 = − ± 2 2 Diskriminanten kallas uttrycket rottecknet p 2 2 −q≡ p2 − 4q 4 Dess värde avgör vilken typ av rötter vi får Diskriminanten >0 =0 <0 Håkan Strömberg Rötterna Två reella rötter Två lika reella rötter Komplexa rötter 2 KTH Syd Eftersom komplexa tal inte ingår i kursen behöver du inte kunna gå vidare då diskriminanten< 0. Det finns alternativa formler. Om man till exempel ska lösa en ekvation av utseendet ax2 + bx + c = 0, där a 6= 1 kan det vara bra att direkt använda denna √ b ± b2 − 4ac x1,2 = − 2a Dessutom kan man använda kvadratkomplettering, men den metoden tar vi inte upp här. Exempel 1. Lös ekvationen 4x2 − x − 1 4 x 1 x2 − − 4 16 4x2 − x − 1 =0 4 = 0 = 0 s 1 1 2 1 + ± x = 8 8 16 r 1+4 1 ± x = 8 √ 64 1 5 x = ± 8 8 √ √ 1+ 5 1− 5 x1 = x2 = 8 8 Olikheter Olikheter behandlas på i princip samma sätt som likheter (ekvationer), med det tillägget att multiplikation/division med negativt tal vänder olikheten! Exempel 2. Lös olikheten 5 − 3x > 2, det vill säga för vilka x är olikheten sann?. 5 − 3x −3x (−1) · (−3x) 3x x > > > < < 2 −3 (−1) · 3 3 1 Svar: Olikheten är sann så länge x < 1 Lite värre blir det om man har en rationell olikhet Exempel 3. Lös olikheten x ≥2 2x − 1 Innan vi försöker lösa problemet ska vi titta på grafen till funktionen f(x) = Håkan Strömberg x 2x − 1 3 KTH Syd 4 2 -0.4 -0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -2 -4 Grafen har två delar. Dessutom är linjen y = 2 inritad. I x = 12 finns en vertikal asymtot. När x → 12 från vänster går y → ∞. Vi kan avläsa i kurvan att olikheten är sann i det ungefärliga intervallet 0.5 < x < 0.7 Men hur löser man nu detta exakt? Starta med att samla allt på ena sidan och på ett bråkstreck x 2x − 1 ≥ 2 x −2 ≥ 0 2x − 1 2(2x − 1) x − 2x − 1 2x − 1 ≥ 0 x − (4x − 2) 2x − 1 ≥ 0 2 − 3x 2x − 1 ≥ 0 Olikheten gäller nu istället ≥ 0. Vi tar reda på för vilka värden täljare respektive nämnare är = 0 och gör sedan ett så kallat teckenstudium av olika intervall på x-axeln. 1 2 x 2 3 2 − 3x + + + 2x − 1 − 0 + + + 2−3x 2x−1 − odef + Från tabellen ser vi att uttrycket är ≥ 0 då 1 2 0 0 − − < x ≤ 23 Exempel 4. Lös olikheten x2 − x − 6 < 0 Lösning: Plan: 1 Faktorisera polynomet 2 Ställ upp tabell för teckenstudium 3 Utläs svaret ur tabellen Håkan Strömberg 4 KTH Syd Genomförande: 1 Andragradsekvationen har rötterna x1 = 3 och x2 = −2 vilket leder fram till faktoriseringen (x − 3)(x + 2) < 0. 2 x < −2 x = −2 −2 < x < 3 x = 3 x > 3 x−3 x+2 − − − 0 − + 0 + + + (x − 3)(x + 2) + 0 − 0 + Svar: −2 < x < 3 Exempel 5. Lös olikheten 4−x ≥0 x+2 Lösning: Plan: 1 Ställ upp tabell för teckenstudium 2 Utläs svaret ur tabellen Genomförande: 1 x < −2 x = −2 −2 < x < 4 x = 4 x > 4 4−x x+2 + − + 0 + + 0 + − + 4−x x+2 − odef + 0 − Svar: −2 < x ≤ 4 Exempel 6. Lös olikheten x2 + 2x + 1 <0 x−1 Lösning: Plan: 1 Faktorisera täljaren 2 Ställ upp tabell för teckenstudium 3 Utläs svaret ur tabellen Genomförande: 1 Vi ser att täljaren kan skrivas om som (x + 1)2 (första kvadreringsregeln). Håkan Strömberg 5 KTH Syd 2 x < −1 x = −1 −1 < x < 1 x = 1 x > 1 x+1 x+1 x−1 − − − 0 0 − + + − + + 0 + + + (x+1)2 x−1 − 0 − odef + Svar: x < −1 eller −1 < x < 1 Exempel 7. Lös olikheten x2 − 2x − 3 >0 x2 + 2x − 8 Lösning: Plan: 1 Faktorisera täljaren 2 Faktorisera nämnaren 3 Sortera nollställena i stigande ordning och ställ upp tabell för teckenstudium. 4 Utläs svaret ur tabellen Genomförande: 1 Täljarens motsvarande andragradsekvation har rötterna x1 = −1 och x2 = 3 vilket leder fram till faktoriseringen (x + 1)(x − 3). 2 Nämnarens motsvarande andragradsekvation har rötterna x1 = 2 och x2 = −4 vilket leder fram till faktoriseringen (x − 2)(x + 4). Vi kan nu skriva om olikheten (x + 1)(x − 3) ≥0 (x − 2)(x + 4) 3 x+4 x+1 x−2 x−3 (x+1)(x−3) (x−2)(x+4) x < −4 − − − − + x = −4 0 − − − odef −4 < x < −1 + − − − − x = −1 + 0 − − 0 −1 < x < 2 + + − − + x=2 + + 0 − odef 2<x<3 + + + − − x=3 + + + 0 0 x>3 + + + + + Svar: x < −4 eller −1 ≤ x < 2 eller x ≥ 3 (se grafen nedan) 10 8 6 4 2 -4 Håkan Strömberg -2 -2 -4 -6 -8 -10 6 2 4 KTH Syd Exempel 8. Lös olikheten x+1 ≥3 x−3 Lösning: Plan: 1 Se till att högerledet blir 0 och att det vänstra ledet endast innehåller ett rationellt uttryck (bråk). 2 Ställ upp tabell för teckenstudium 3 Utläs svaret ur tabellen Genomförande: 1 x+1 ≥ 3; x−3 x+1 − 3 ≥ 0; x−3 x + 1 3(x − 3) − ≥ 0; x−3 x−3 10 − 2x ≥0 x−3 2 x<3 x=3 3<x<5 x=5 x>5 10 − 2x x−3 + − + 0 + + 0 + − + 10−2x x−3 − odef + 0 − Svar: 3 < x ≤ 5 Absolutbelopp Följande definition har ni sett tidigare: a |a| = −a om a ≥ 0 om a < 0 Tolkning: |a − b| är avståndet mellan punkterna a och b på tallinjen. Exempel 9. Lös olikheten |x − 3| < 7 Först en grafisk lösning Avståndet mellan 3 och x ska vara < 7. Vi kan direkt från figuren utläsa svaret −4 < x < 10 Vi kan även lösa uppgiften rent algebraiskt |x − 3| < 7 −7 < x − 3 < 7 −4 < x < 10 Håkan Strömberg 7 KTH Syd Ekvationer med absolutbelopp Exempel 10. Lös ekvationen |x + 3| = 5 Lösning: Plan: 1 Ta reda på x1 , där termen med absolutbeloppet är = 0. 2 Dela upp ekvationen i två ekvationer. En då x < x1 och en då x > x1 . Ersätt tecknet för absolutbelopp med en parentes. Sätt −-tecken framför parentesen om så skall vara! 3 Lös de båda ekvationerna var för sig. Kontrollera att erhållen rot ligger i aktuellt intervall. Genomförande: 1 Då x = −3 är |x + 3| = 0. 2,3 Vi får två ekvationer Då Ekvation Rot OK x < −3 −(x + 3) = 5 x = −8 Ja x ≥ −3 x + 3 = 5 x=2 Ja Svar: x1 = −8 och x2 = 2 Exempel 11. Lös ekvationen |x − 6| − x = 4 Lösning: Plan: 1 Ta reda på x1 , för vilket |x − 6| = 0 2 Betrakta två intervall. Ett där x < x1 och ett där x > x1 . Lös upp termen med absolutbelopp och bilda samtidigt två ekvationer. 3 Lös ekvationerna och kontrollera att roten ligger i intervallet. Genomförande: 1 Då x = 6 är |x − 6| = 0 2 De två ekvationerna med gällande intervall Då Ekvation Rot OK x < 6 −(x − 6) − x = 4 x = 1 Ja x ≥ 6 (x − 6) − x = 4 ingen rot Nej Svar: x = 1 Håkan Strömberg 8 KTH Syd Exempel 12. Lös ekvationen |x + 1| − 2|4 − x| + |2x − 3| = 0 Lösning: Plan: 1 Ta reda på de xi för vilka var och en av de tre termerna = 0. 2 Sortera de tre ’brytpunkterna’ och skapa fyra intervall, man kan finna utefter x-axeln. 3 Lös upp absolutbeloppen inom varje intervall och bilda på så sätt fyra ekvationer. 4 Lös ekvationerna och kontrollera att roten ligger i aktuellt intervall. Genomförande: 1,2 De tre eftersökta x-värdena är x1 = −1, x2 = 3 2 och x3 = 4 3 Vi har nu att studera följande fyra intervall x < −1 −1 ≤ x < 23 3 2 ≤x<4 x≥4 4 Detta ger oss följande ekvationer Då Ekvation Rot OK x < −1 −1 ≤ x < 32 3 2 ≤x<4 x≥4 −(x + 1) − 2(4 − x) − (2x − 3) = 0 (x + 1) − 2(4 − x) − (2x − 3) = 0 (x + 1) − 2(4 − x) + (2x − 3) = 0 (x + 1) + 2(4 − x) + (2x − 3) = 0 x = −6 x=4 x=2 x = −6 Ja Nej Ja Nej Svar: x1 = −6 och x2 = 2 (se grafen nedan) 15 10 5 -10 -5 5 10 -5 Exempel 13. Givet ett intervall x1 < x < x2 , som vi vill uttrycka på formen |x + a| < b. uttryck a och b med hjälp av x1 och x2 . Lösning: Vi börjar bakifrån och översätter |x + a| < b till −b < x + a < b, som i sin tur leder till −b − a < a < b − a. Alltså är x1 = −b − a och x2 = b − a. Håkan Strömberg 9 KTH Syd Vi har nu ett ekvationssystem där vi ska lösa ut x1 och x2 x1 = −b − a x2 = b − a Ur den andra ekvationen får vi a = b − x2 . Vi substituerar a med detta uttryck i första ekvationen och får x1 = −b − (b − x2 ). När vi löser ut b får vi b= x2 − x1 2 Detta insatt i den andra ekvationen ger a a=− x2 + x1 2 Använder vi ’formlerna’ på till exempel intervallet (8, 16) får vi |x − 12| < 4. Olikheter med absolutbelopp Exempel 14. Lös olikheten |x − 2| + |x − 4| < 8 Lösning: Plan: 1 Ta reda på x1 , för vilket |x − 2| = 0 och det x2 för vilket |x − 4| = 0 2 Betrakta tre intervall. Ett där x < x1 , ett då x1 ≤ x ≤ x2 och ett då x > x2 . Lös upp absolutbeloppen och bilda olikheter utan absolutbelopp, ett för varje intervall. 3 Lös olikheterna och kontrollera inom vilken del av intervallet som olikheten gäller. Genomförande: 1 x1 = 2 och x2 = 4 2 Intervallen är x < 2, 2 ≤ x ≤ 4 och x > 4. 3 Då Olikhet Lösning Intervall x<2 −(x − 2) − (x − 4) < 8 x > −1 2 ≤ x < 4 (x − 2) − (x − 4) < 8 Alltid x>4 (x − 2) + (x − 4) < 8 x<7 −1 < x < 2 2≤x<4 4≤x<7 För en del av första intervallet gäller olikheten, för hela andra intervallet och åter för en del av tredje. Sammantaget fås Svar: −1 < x < 7 Håkan Strömberg 10 KTH Syd Exempel 15. Lös olikheten |2x − 4| + |x| < |5 − x| Lösning: Plan: 1 Ta reda på de xi , för vilka termerna är = 0 2 Ställ upp fyra intervall inom vilka olikheten ska lösas. Lös upp absolutbeloppen och bilda olikheter utan absolutbelopp, ett för varje intervall. 3 Lös olikheterna och kontrollera att roten ligger i intervallet. Genomförande: 1 x1 = 0, x2 = 2 och x3 = 5 2 De fyra intervallen är x<0 0≤x<2 2≤x<5 x≥5 3 Svar: − Då Olikhet Lösning Intervall x<0 0≤x<2 2≤x<5 x≥5 −(2x − 4) − x < (5 − x) −(2x − 4) + x < (5 − x) (2x − 4) + x < (5 − x) (2x − 4) + x < −(5 − x) x > − 12 Alltid x < 49 x < − 21 − 21 < x < 0 0≤x<2 2 ≤ x < 49 Inget x 1 9 <x< 2 4 Här några extrauppgifter att lösa Extra 1. Lös ekvationen |x − 2| − 6 = 0. Svar: x1 = 8, x2 = −4 Extra 2. Lös ekvationen 3x − |x − 1| + 2|x + 1| = 11. Svar: x = 2 Extra 3. Lös olikheten 3|x − 2| < 4 − |x + 3|. Svar: Saknar lösning Extra 4. Lös olikheten x + |x − 2| < |x + 1|. Svar: x < −3, 1 < x < 3 Håkan Strömberg 11 KTH Syd Huvudräkning 1. Vet du med säkerhet hur dessa fyra relationsoperatorer uttalas och står för > ≤ ≥ < Huvudräkning 2. Vilka av dessa två uttryck är oftast minst? a) |x| + |y| b) |x + y| Huvudräkning 3. Vilket gradtal har denna ekvation och vilka är rötterna? (x − 2)(x + 3) = 0 Huvudräkning 4. Lös olikheten |x| < 0 Huvudräkning 5. Vilket värde ska a ha för att ekvationen ska ha en dubbelrot? x2 + ax + 1 = 0 Läxa 1. 1.7 a) Från {x : |x − 4| ≤ 6} har vi att lösa |x − 4| ≤ 6. |x − 4| ≤ 6 −6 ≤ x − 4 ≤ 6 −2 ≤ x ≤ 10 Svar: [−2, 10] Läxa 2. 1.7 b) Från {x : |x + 3| < 2} har vi att lösa |x + 3| < 2. |x + 3| < 2 −2 < x + 3 < 2 −5 < x < −1 Svar: (−5, −1) Läxa 3. 1.7 c) Från {x : |2x − 1| ≤ 7} har vi att lösa |2x − 1| ≤ 7. |2x − 1| ≤ 7 −7 ≤ 2x − 1 ≤ 7 −6 ≤ 2x ≤ 8 −3 ≤ x ≤ 4 Svar: [−3, 4] Läxa 4. 1.7 d) Från {x : | x4 + 3| < 3} har vi att lösa | x4 + 3| < 3. | x4 + 3| < 3 −3 < x4 + 3 < 3 −6 < x4 < 0 −24 < x < 0 Svar: (−24, 0) Håkan Strömberg 12 KTH Syd Läxa 5. 1.8 a) Använder vi formlerna från exempel 13 får vi direkt genom b= b= x2 − x1 2 a=− 7−1 =3 2 a=− x2 + x1 2 7+1 = −4 2 Svar: |x − 4| ≤ 3 Läxa 6. 1.8 b) På samma sätt b= (−2) − (−4) =1 2 a=− (−2) + (−4) =3 2 Svar: |x + 3| ≤ 1 Läxa 7. 1.8 c) 9 17 + 26 43 26 − 17 = a=− =− 2 2 2 2 Vi multiplicerar alla led med 2 för att slippa nämnaren 2. Svar: |2x − 43| < 9 b= Läxa 8. 1.8 d) b= 3 4 − − 21 5 = 2 8 + − 21 1 a=− =− 2 8 3 4 Vi multiplicerar alla led med 8 för att slippa nämnaren och får Svar: |8x − 1| ≤ 5 Läxa 9. 1.9 a) Anta att a = 0, b = 1, c = 2 och d = 10. Då gäller a < b och c < d men a − c < b − d ger 0 − 2 6< 1 − 10. Det räcker att hitta ett motexempel för att påvisa att påståendet är falskt. Läxa 10. 1.9 b) a < b ger 0 < b − a och c < d ger 0 < d − c. Från a − d < b − c får vi 0 < b − a + d − c. Eftersom b − a > 0 och d − c > 0, så måste summan av dessa alltid vara > 0. Påståendet är sant. Läxa 11. 1.9 c) Om vi startar med med a < b och multiplicerar vänstra ledet med c, högra med d och givet c < d, så kan man tycka att olikheten förstärks. Eller om d > 0 så får vi a·c c d < 1 detta ger d < a < b. Detta är dock inget fullständigt bevis! Om a = −2 och b = −1 så gäller att a < b. Om c = −5 och d = −3 så gäller c < d. Men ac 6< bd eftersom 10 6< 4 och påståendet är alltså falskt. Läxa 12. 1.9 d) Så länge a, b > 0 kan vi multiplicera båda leden med ab och enkelt få a < b, vilket var givet. Men vad händer om till exempel a = −1 och b = 1? Också detta påstående är falskt. Håkan Strömberg 13 KTH Syd I boken hänvisar man ofta till Maple och MatLab. Att använda datorer för att lösa matematiska problem är ett nytt synsätt som inte slagit igenom på de flesta högskolor. Personligen anser jag det självklart att en blivande högskoleingenjör ges möjlighet att stifta bekantskap med dessa kraftfulla verktyg och kommer därför under kursen att tipsa om hur många problem kan lösas med Maple. Observera dock att verktyget inte kommer att kunna användas vid examinationen. Du lär dig att hantera Maple därför att du är en ’nyfiken’, blivande ingenjör. Alla studenter vid KTH kan gratis ladda ned Maple via programdistribution, progdist.ug.kth.se/public/, vilket jag rekommenderar att ni gör. Dessutom finns Maple installerat i vårt datasystem och kan nås från skolans samtliga arbetsplatser. Vi ska nu lösa andragradsekvationen från exempel 1. solve(4x^2-x-1/4=0); Kommandot (eller funktionen) solve talar om för datorn att en ekvation ska lösas. Det är viktigt att raden avslutas med semikolon, men det är vi ju vana vid från C-kursen. Ekvationen skrivs sedan in på ett naturligt sätt. Exponent får man genom ˆ-tecknet. Använd högerpil för att kliva ned från exponenten. När man väl har lärt sig dessa tre små regler kan man lösa minst fyra andragradsekvationer i minuten och det blir alltid rätt ! Datorn skriver ut 1 1√ 5, + 8 8 1 1√ 5 − 8 8 Snyggt och prydligt. Har man glömt bort formeln för hur man löser andragradsekvationer är det bara att skriva solve(x^2+p*x+q=0,x); Vi bestämmer alltså inte koefficienterna i förväg. Vi måste skriva p*x i stället för px, som programmet upplever som en enda variabel. Dessutom måste vi ange med avseende på vilken variabel ekvationen ska lösas, alltså x. Vi får lika vackert denna gång − 12 p + 1 2 p p2 − 4q), − 21 p − 1 2 p p2 − 4q) som egentligen är en mer användbar omskrivning av formeln vi gav ovan. Kan man då lösa olikheter med Maple? De två exemplen ovan fixar vi enkelt med solve(x/(2x-1)>=2); som ger samma svar som i exempel 3. RealRange ska tolkas som ett intervall. Open betyder att den undre gränsen är öppen. Exempel 9 löses lika enkelt endast med det tillägget att absolutbeloppet skrivs abs solve(abs(x-3)<7); Håkan Strömberg 14 KTH Syd Lös olikheten 6 + x − x2 < 24 − 14x − x2 + x3 solve(6+x-x^2<24-14x-x^2+x^3); ger svaret, något omskrivet √ √ 33 − 3 −( 33 + 3) <x< 2 2 eller då x>3 Förvissa dig om att du kan tolka utskriften från Maple. För att plotta grafen från exempel 12 skriver man plot(abs(x+1)-2*abs(4-x)+abs(2*x-3),x=-7..5); 15 10 5 -10 -5 5 10 -5 Med dessa enkla kommandon kan du kontrollera de flesta av de uppgifter som finns på dagens läxa. På hemsidan finns en manual Under denna rubrik kommer till varje föreläsning att presenteras ett problem som bygger på logiskt tänkande och mer problemlösning än många av de matematiska problem vi kommer att lösa. Dela bröd och pengar Två luffare, A med 3 bröd och B med 5 bröd, hade just satt sig vid vägkanten för att äta, då en tredje luffare, C, kom förbi. C hade ingen egen mat, utan betalade sin andel med 8 kr. Hur skulle detta belopp fördelas rättvist mellan A och B, om maten delats lika mellan de tre luffarna? Håkan Strömberg 15 KTH Syd Svar huvudräkning 1. > ≤ ≥ < större än mindre än eller lika med större än eller lika med mindre än Svar huvudräkning 2. |x + y| kan aldrig vara större än |x| + |y| Svar huvudräkning 3. Det är förstås en andragradsekvation med rötterna x1 = 2 och x2 = −3 Svar huvudräkning 4. Den har ingen lösning, |x| kan aldrig vara mindre än 0. Svar huvudräkning 5. a = 2 ger x2 + 2x + 1 = 0 som i sin tur kan skrivas (x + 1)2 = 0. Ekvationens två rötter är x1,2 = −1 Håkan Strömberg 16 KTH Syd