Matematika Universitas — Tahun 1 · Bachelor Year 1
4Fungsi Baku
Analisis hanya seberguna persediaan fungsi yang kita kuasai. Pada koleksi warisan sekolah menengah — pangkat, eksponensial, logaritma, fungsi trigonometri — bab ini menambahkan fungsi inversnya (, , ) dan keluarga hiperbolik. Turunan dipakai dengan bebas pada taraf sekolah menengah; teori di balik fungsi invers dituntaskan pada Bab 13 dan 14.
4.1 Eksponensial, logaritma, pangkat
Proposisi 4.1 (Ringkasan dan pencirian)
dan adalah dua bijeksi yang saling invers, naik tegas, dengan
Lebih lanjut, adalah satu-satunya fungsi yang dapat diturunkan dengan dan .
Bukti. Ringkasannya adalah bahan sekolah menengah. Untuk ketunggalannya, misalkan , , lalu tulis . Maka , jadi konstan dan sama dengan : . ∎
Definisi 4.2 (Pangkat umum)
Untuk dan : . Untuk , , logaritma dengan bilangan pokok adalah , yaitu invers .
Contoh 4.3 (Menyelesaikan persamaan eksponensial)
Selesaikan di . Kedua ruasnya positif, jadi ambil logaritmanya — langkah yang dapat dibalik:
Berikutnya, selesaikan untuk : pangkatkan dengan (yakni terapkan bijeksi inversnya): . Inti gagasannya: setiap persamaan yang mencampur pangkat terurai lewat dan , karena definisi menyusutkan semua manipulasi pangkat menjadi aritmetika eksponen — tetapi hanya pada daerah yang di situlah definisi itu hidup.
Contoh 4.4 (Waktu penggandaan)
Sebuah besaran tumbuh per langkah: setelah langkah ia terkali . Kapan ia berlipat dua? Selesaikan :
jadi penggandaan pertama terjadi pada langkah . (“Aturan ” para pemodal, yang menaksir waktu penggandaan sebagai dibagi lajunya dalam persen, adalah perhitungan ini dengan hampiran , yang dikuantifikasi pada Bab 16.) Proses eksponensial paling baik dinalar lewat logaritmanya: pada skala itu, pertumbuhannya linear dan pertanyaannya menjadi pembagian.
Contoh 4.5 (Sepanjang apa ?)
Banyaknya angka desimal sebuah bilangan bulat adalah (memang mempunyai angka tepat ketika , yakni ). Untuk :
jadi mempunyai angka. Bagian pecahannya membawa bonus: , jadi bilangan itu diawali . Satu perkalian menjawab pertanyaan tentang bilangan yang tak seorang pun akan pernah menuliskannya — logaritma memampatkan ukuran perkalian menjadi ukuran penjumlahan, dan itulah seluruh maknanya secara historis (Contoh 7.12 membuat kalimat itu menjadi tepat).
Proposisi 4.6 (Kaidah pangkat dan perbandingan pertumbuhan)
Untuk dan :
Skala pertumbuhan ketika , untuk setiap dan :
Bukti. Kesamaan itu menyalin kesamaan dan lewat definisinya. Secara rinci untuk yang kedua (yang paling tak kasatmata): dan (terapkan pada definisinya), sehingga
yang pertama dan ketiga adalah penguraian dua baris yang sama lewat dan . Turunannya adalah aturan rantai: .
Perbandingannya: dari (yang dibuktikan pada jilid sekolah menengah), substitusikan : , lalu pangkatkan dengan . Untuk yang kedua, substitusikan pada yang pertama. ∎
Contoh 4.7 (Dua limit yang harus dikuasai setiap pembaca)
Berapa dan ? Kedua pangkat itu terdefinisi lewat eksponensial, jadi selesaikan dulu eksponennya:
dan ketika , langsung menurut perbandingan pertumbuhan. Inti gagasannya: pangkat tak tentu (yang berbentuk atau ) selalu ditangani dengan menuliskannya ulang lalu menganalisis hasil kali — jangan pernah dengan menerka dari bilangan pokok dan eksponennya secara terpisah. Fungsi yang memutuskan kedua limit itu dipelajari tuntas pada soal akhir pekan bab ini.
Catatan 4.8 (Jebakan yang lazim dengan pangkat dan logaritma)
- Daerahnya. untuk yang irasional menuntut ; sebaiknya dihindari dan diganti dengan “akar pangkat tiga real dari ”, karena kaidah gugur diam-diam pada bilangan negatif: .
- , bukan : melupakan nilai mutlaknya adalah sumber klasik hilangnya penyelesaian yang negatif.
- menuntut . Untuk argumen yang negatif, bisa saja terdefinisi sedangkan ruas kanannya tidak.
- Fungsi mana yang tumbuh? Pada yang berubah adalah bilangan pokoknya; pada yang berubah adalah eksponennya. Pertumbuhan keduanya jauh berbeda (Proposisi 4.6), dan ungkapan campuran seperti atau harus ditulis ulang sebagai sebelum dinalar — seperti pada Contoh 4.7.
4.2 Fungsi invers trigonometri
Definisi 4.9 (, , )
Pembatasan
adalah bijeksi yang monoton tegas. Pemetaan inversnya ditulis , dan . Jadi, misalnya, () adalah satu-satunya sudut di yang sinusnya .
Proposisi 4.10 (Turunannya)
Pada bagian dalam daerah asalnya:
Bukti. Dengan mendahului aturan fungsi invers yang dibuktikan pada Bab 14: jika bijeksi yang dapat diturunkan dan , maka . Untuk : dengan ,
dengan karena memaksa . Demikian pula dengan pada , dan dengan memakai . ∎
Proposisi 4.12 (Kesamaan baku)
- Untuk : .
- Untuk : (dan untuk ).
- ; untuk .
Bukti. (1) Turunan bernilai nol pada (Proposisi 4.10), jadi fungsinya konstan di sana dan sama dengan nilainya di ; nilai di titik ujung diperiksa langsung ( dan ).
(2) Metode yang sama pada : turunannya adalah , dan di jumlahnya . Untuk , pakai keganjilan .
(3) Dengan : , jadi ; demikian pula untuk , dan rumus tangennya adalah hasil baginya. ∎
Catatan 4.13
berlaku hanya untuk : misalnya . Komposisi ke arah sebaliknya, , sah pada seluruh .
Contoh 4.14 (Melipat kembali ke selang utamanya)
Hitunglah
Resepnya: gantilah sudut itu dengan satu-satunya sudut di yang tangennya sama, yakni kurangkan kelipatan yang tepat (yaitu periode ). Pertama: , jadi jawabannya . Kedua: , jadi jawabannya . Perhitungan itu sesungguhnya pembagian Euclid sudut itu oleh yang menyamar — dan resep analognya untuk (cerminkan ke dalam , dengan periode ) dan (cerminkan ke dalam ) menggerakkan Latihan 4.1 dan jawaban sepotong-sepotong pada Latihan 4.10.
Contoh 4.15 (Menjumlahkan arkus tangen dengan aman)
Mari kita buktikan
Dua bahannya: rumus penjumlahan tangen, dan — langkah yang dilupakan pemula — pelokalan jumlahnya. Pertama, dengan , memberikan
Kedua, masing-masing dari ketiga sudut itu terletak di (karena argumennya kurang dari ), jadi jumlahnya terletak di ; satu-satunya sudut di sana yang bertangen adalah . Tanpa pelokalan itu kesimpulannya hanya akan berbunyi “ sampai kelipatan ” — yaitu setengah bukti. Disiplin dua langkah yang sama menggerakkan Latihan 4.8 dan Latihan 4.12.
Contoh 4.16 (Sebuah persamaan arkus tangen)
Selesaikan . Lokalkan lebih dulu: ruas kirinya bertanda sama dengan (kedua sukunya begitu), jadi setiap penyelesaian memenuhi , dan lalu jumlahnya terletak di . Ambil tangennya (yang tak injektif pada selang mana pun yang panjangnya , tetapi digabung dengan pelokalan tadi ini sudah cukup): rumus penjumlahannya memberikan
Akar yang negatif dibuang oleh pelokalannya; untuk calon yang positif , jumlahnya terletak di dengan tangen , dan satu-satunya sudut semacam itu adalah (pada tangennya negatif): jadi satu-satunya penyelesaian. Perhatikan bentuk argumennya: mengambil tangen dapat melahirkan penyelesaian, tetapi tak pernah menghilangkannya, jadi selesaikan dulu persamaan polinomialnya lalu saring lewat pelokalan — disiplin periksa-maju yang sama seperti pada pengkuadratan sebuah persamaan.
4.3 Fungsi hiperbolik
Definisi 4.17 (, , )
Untuk :
(kosinus, sinus, tangen hiperbolik). Di sini genap, sedangkan dan ganjil.
Proposisi 4.18 (Sifat dasar)
Untuk setiap :
- ;
- , , ;
- dan ;
- adalah bijeksi naik tegas dari pada ; yang dibatasi pada adalah bijeksi naik tegas pada ; dan adalah bijeksi naik tegas dari pada .
Bukti. (1) .
(2) Turunkan rumus pendefinisinya; untuk , aturan hasil bagi memberikan , yang sekaligus dan menurut (1).
(3) Jabarkan ruas kanannya memakai definisinya. Secara rinci untuk rumus yang pertama:
dari kedelapan hasil kalinya, keempat yang “campuran” (, ) saling hapus berpasangan, sedangkan dan masing-masing muncul dua kali: totalnya . Rumus sinusnya identik, hanya saja suku campurannya yang bertahan sedangkan yang lain hapus.
(4) , jadi naik tegas, dengan limit (karena suku dominannya ); pernyataan bijeksinya lalu menyusul dari teorema nilai antara (yang dipakai pada taraf sekolah menengah; perlakuan sistematisnya pada Bab 13). Pada , dan hanya lenyap di : jadi naik tegas dari ke . Dan dengan limit di : secara rinci,
setelah membagi pembilang dan penyebutnya dengan , sedangkan keganjilannya memberikan limit di ; jadi fungsi yang naik tegas itu memetakan pada . ∎
Catatan 4.19 (Mengapa “hiperbolik”?)
Titik menyusuri cabang pada hiperbola (menurut Proposisi 4.18 (1)), persis seperti menyusuri lingkaran . Setiap kesamaan lingkaran punya saudara hiperboliknya, dengan perubahan tanda yang diatur oleh .
Contoh 4.20 (Rumus penjumlahan untuk )
Dengan membagi kedua rumus penjumlahan pada Proposisi 4.18 (3) dengan :
yakni saudara hiperbolik dari rumus penjumlahan tangen — dengan yang di trigonometri berupa . Sebuah dividen: karena , ruas kanannya adalah kaidah “penjumlahan kecepatan” yang tak pernah keluar dari : jika maka juga (tulis , , yang mungkin karena kebijektifannya, lalu baca rumusnya terbalik). Memeriksa hal itu secara aljabar, tanpa fungsi hiperbolik, adalah latihan yang agak menyakitkan; memparameterkannya dengan membuatnya satu baris — strategi yang sama seperti yang diberikan fungsi lingkaran bagi lingkaran satuan.
Proposisi 4.21 (Fungsi invers hiperbolik)
Invers yang dijamin oleh Proposisi 4.18 (4) mempunyai bentuk tertutup:
dengan turunan berturut-turut , () dan .
Bukti. Untuk : selesaikan . Dengan menulis : , jadi (karena akar negatif), dan . Dua yang lain adalah perhitungan yang identik ( untuk , dengan mempertahankan akar yang ; dan penataan ulang dua baris untuk ). Turunannya: turunkan ungkapan logaritmanya, misalnya
∎
Contoh 4.22 (Bentuk tertutup dalam praktik)
Penyelesaian dengan adalah, menurut bentuk tertutupnya, ; penyelesaian yang lain adalah , karena kegenapannya — dan memang : kedua akar persamaan kuadrat saling berkebalikan, sebagaimana dituntut hasil kalinya (menurut Vieta). Perhitungan kecil ini memperlihatkan pola umumnya: persamaan hiperbolik berubah menjadi persamaan kuadrat dalam , dan simetri muncul sebagai simetri persamaan kuadrat itu — layak diingat ketika menyelesaikan Latihan 4.7.
Metode 4.23 (Memilih bentuk antiturunan yang tepat)
Ketiga pola turunan yang perlu dihafalkan untuk pengintegralan (Bab 15):
dan untuk kuadrat yang umum, susutkan ke bentuk itu dengan melengkapkan kuadratnya lalu menskalakannya.
Catatan 4.24 (Di mana bab ini dipakai)
Bab ini adalah kosakata kerja bagi seluruh analisis yang akan datang. Skala pertumbuhan pada Proposisi 4.6 memutuskan pertanyaan kekonvergenan di sepanjang Bab 11 dan 17; rumus turunan pada Proposisi 4.10 dan Proposisi 4.21 adalah antiturunan yang paling sering diperlukan pada Bab 15, lewat Metode 4.23; fungsi hiperbolik memparameterkan penyelesaian persamaan pada Bab 5 persis seperti fungsi lingkaran memparameterkan penyelesaian . Pencirian lewat , (Proposisi 4.1) adalah benih berdimensi satu bagi teori persamaan diferensial linear, dan kurva rantai kembali di antara kurva bidang pada Bab 24.
Catatan 4.25 (Selingan: program fungsi invers)
Bab ini menjalankan satu program sebanyak empat kali: batasi sebuah fungsi sampai ia menjadi bijeksi yang monoton tegas, namai inversnya, lalu angkut setiap rumus melewatinya. Apa yang dipakai pada masing-masing langkah — bahwa fungsi kontinu yang monoton tegas pada sebuah selang merupakan bijeksi pada sebuah selang, dan bahwa inversnya kontinu, lalu dapat diturunkan di luar titik kritisnya — dipinjam atas kredit sekolah menengah. Utang itu dilunasi di dalam jilid ini: Bab 13 membuktikan pernyataan bijeksinya (teorema invers monoton, yang bersandar pada teorema nilai antara), dan Bab 14 membuktikan aturan turunan yang diam-diam menghasilkan setiap rumus pada Proposisi 4.10 dan Proposisi 4.21. Membaca bab-bab itu dengan dan di kepala — sebagai contoh terkerjakan yang untuknyalah teorinya dibangun — adalah cara yang dimaksudkan untuk mengatasi kemelingkaran yang tampak itu.
4.4 Latihan
Latihan 4.1 ★
Hitung tanpa kalkulator: ; ; ; ; .
Solusi
Solusi Latihan 4.1.
; ; .
: di sini , dan sudut di yang sinusnya adalah (bukan ).
: di sini , dan sudut di yang kosinusnya demikian adalah .
Latihan 4.2 ★
Berikan daerah definisi lalu hitung di tempat ia terdefinisi. Pertanyaan yang sama untuk .
Solusi
Solusi Latihan 4.2.
menuntut , yakni . Pada , aturan rantai dan Proposisi 4.10 memberikan
terdefinisi untuk , dan untuk :
Latihan 4.3 ★
Buktikan bahwa untuk setiap : dan untuk setiap (yakni rumus de Moivre yang hiperbolik).
Solusi
Solusi Latihan 4.3.
. Jadi untuk :
Latihan 4.4 ★
Sederhanakan dan menjadi ungkapan aljabar dalam .
Solusi
Solusi Latihan 4.4.
Dengan : , jadi .
Dengan : , jadi .
Latihan 4.5 ★
Urutkan, untuk yang besar, fungsi , , , , , dari yang pertumbuhannya paling lambat ke paling cepat, dengan alasan yang berdasar pada Proposisi 4.6.
Solusi
Solusi Latihan 4.5.
Dari yang paling lambat ke yang paling cepat:
Alasannya: menurut Proposisi 4.6 (logaritma kalah oleh pangkat). Lalu dan : karena , yang kedua menang. Lalu karena (logaritma kalah oleh pangkat , yang dikuadratkan). Akhirnya , jadi .
Latihan 4.6 ★★
Pelajari fungsi pada daerah asalnya: hitung , bandingkan dengan , lalu nyatakan dengan pada masing-masing dari ketiga selang daerah asalnya.
Solusi
Solusi Latihan 4.6.
Daerah asalnya: , yakni tiga selang. Pada masing-masingnya,
Jadi konstan pada setiap selang. Nilainya: di berlaku , jadi konstantanya pada . Ketika , sehingga , sedangkan : jadi konstantanya pada . Menurut keganjilannya, konstanta itu pada . Ringkasnya: pada , untuk , dan untuk . (Inilah rumus sudut ganda bagi tangen, yang dibaca lewat .)
Latihan 4.7 ★★
Selesaikan di : ; lalu (nyatakan penyelesaiannya dengan logaritma). Petunjuk untuk yang kedua: tuliskan semuanya dengan .
Solusi
Solusi Latihan 4.7.
: dengan , , jadi , : sehingga atau (kedua penyelesaiannya berlawanan, karena genap; keduanya sah). Setara dengan itu, .
: dengan mensubstitusikan definisi eksponensialnya, , yakni , yakni : jadi , dengan satu penyelesaian .
Latihan 4.8 ★★
Buktikan kesamaan , lalu rumus Machin
Petunjuk: hitung tangen kedua ruasnya memakai rumus penjumlahan, lalu kendalikan di selang mana masing-masing ruas terletak.
Solusi
Solusi Latihan 4.8.
Misalkan . Rumus penjumlahan:
Kedua arkus tangen itu terletak di (karena argumennya di ), jadi ; dan satu-satunya sudut di sana yang bertangen adalah .
Untuk Machin: misalkan . Sudut ganda dua kali:
Lalu
Letaknya: dan sesungguhnya dekat dengan dengan (karena , sebab ); jadi , yang di sana membalikkan : , dan itulah rumus Machin.
Latihan 4.9 ★★
Buktikan bahwa untuk setiap : (pelajari turunan berturutan dari selisihnya), lalu simpulkan bahwa masuk akal — limitnya sendiri ditegakkan pada Bab 16.
Solusi
Solusi Latihan 4.9.
Misalkan : dan , jadi pada : sehingga .
Misalkan : , , , pada . Jadi naik dengan , sehingga , sehingga naik dengan : jadi , yakni pada .
Akibatnya untuk : rasionya terperangkap pada skala , dan Bab 16 menunjukkan limitnya tepat .
Latihan 4.10 ★★★
Untuk , tulis . Orang mungkin mengharapkan dari kesamaan — tetapi tidak identik nol. Hitung pada selang terbuka yang di situ ia ada, hitung nilai pada titik yang dipilih baik, lalu berikan uraian lengkap sebagai fungsi konstan sepotong-sepotong pada .
Solusi
Solusi Latihan 4.10.
Tulis , sehingga dan .
Untuk : , jadi dan .
Untuk : , dan sudut di yang sinusnya adalah : jadi . (Periksa lewat turunannya: di sana , yaitu turunan ; dan di , .)
Untuk , menurut keganjilan : .
Latihan 4.11 ★★★
(Fungsi Gudermann) Misalkan untuk . Buktikan bahwa adalah bijeksi ganjil yang naik tegas dari pada , bahwa , dan bahwa , , : jadi fungsi merangkai trigonometri lingkaran dan hiperbolik tanpa bilangan kompleks.
Solusi
Solusi Latihan 4.11.
adalah komposisi fungsi ganjil yang naik tegas, jadi ia ganjil dan naik tegas; ketika , sehingga , dan adalah bijeksi pada (dari kekontinuannya beserta teorema nilai antara). Aturan rantai bersama Proposisi 4.18 (1):
Menurut konstruksinya, . Lalu, karena berkosinus positif,
Latihan 4.12 ★★
Buktikan bahwa
Petunjuk: hitung lebih dulu, dengan melokalkan jumlahnya seperti pada Contoh 4.15; awas, penyebut rumus penjumlahannya bernilai negatif di sini.
Solusi
Solusi Latihan 4.12.
Tulis dan ; keduanya terletak di (karena argumennya melebihi ), jadi . Rumus penjumlahan memberikan
dan satu-satunya sudut di yang bertangen adalah : jadi . (Menerapkan secara membabi buta pada tangennya akan memberikan , meleset sejauh — pelokalanlah yang menyelamatkan perhitungan itu, dan penyebut yang negatif justru menjadi isyarat bahwa jumlahnya sudah meninggalkan .) Dengan menambahkan :
4.5 Soal: Persamaan
Soal 4.1
Pasangan bilangan positif mana yang memenuhi ? Semua orang tahu satu contoh yang tampak kebetulan, ; soal ini menunjukkan bahwa tak ada yang kebetulan di situ. Seluruh persamaannya dikendalikan oleh variasi satu fungsi tunggal
yang penelaahannya menghasilkan: himpunan penyelesaian lengkapnya (sebuah diagonal ditambah satu cabang melengkung yang melewati ), sebuah parameterisasi rasional cabang itu, kenyataan bahwa adalah satu-satunya titik bulatnya dan penggolongan semua titik rasionalnya — ditambah, sebagai dividen, perbandingan dengan dan kekonvergenan monoton ke .
Bagian I — Fungsi .
- Berikan alasan bahwa dapat diturunkan pada , hitung , lalu susun tabel variasinya: naik tegas pada , turun tegas pada , dengan maksimum .
- Tentukan limit di dan di (Proposisi 4.6), tanda (negatif pada , nol di , positif setelah itu), lalu sketsakan grafiknya.
- Periksa lewat perhitungan langsung bahwa . (Simpanlah kesamaan ini di kepala: seluruh soal ini tumbuh darinya.)
- Misalkan . Bahaslah, menurut nilai , banyaknya penyelesaian : tepat satu untuk ; tepat dua (satu di , satu di ) untuk ; tepat satu untuk ; dan tak ada untuk .
- Simpulkan bahwa untuk setiap dengan , lalu khususnya tentukan mana yang lebih besar di antara dan .
Bagian II — Persamaan itu dan kurvanya. Pada bagian ini .
- Tunjukkan bahwa .
- Simpulkan struktur himpunan penyelesaiannya: semua pasangan diagonal ; dan pasangan yang tak sepele (), yang memenuhi: kedua koordinatnya , dan satu di antaranya terletak di sedangkan yang lain terletak di .
Parameterkan pasangan yang tak sepele itu: dengan menulis dengan , , tunjukkan bahwa memaksa
dan bahwa sebaliknya setiap pasangan semacam itu merupakan penyelesaian.
- Periksa bahwa memberikan , lalu buktikan simetri , : membalikkan parameternya menukarkan kedua koordinatnya.
- Tentukan limit dan ketika (keduanya menuju ), ketika (, ) dan ketika (, ). Gambarkan cabang yang dihasilkannya: sebuah kurva yang asimtotik ke garis dan , yang memotong diagonalnya di .
- Tunjukkan bahwa turun tegas pada . (Pelajari , yang tandanya mengendalikan turunan .)
- Simpulkan bahwa penyelesaian yang tak sepele mendefinisikan bijeksi turun tegas dengan , dan bahwa merupakan involusi pada cabang itu: di mana pun kedua ruasnya terdefinisi.
Bagian III — Titik bulat dan titik rasional.
- Buktikan bahwa dan adalah satu-satunya penyelesaian bulat yang tak sepele bagi .
Untuk , terapkan parameterisasinya dengan lalu tunjukkan bahwa
merupakan penyelesaian rasional yang tak sepele untuk setiap , dengan .
- Sebaliknya, misalkan penyelesaian rasional yang tak sepele dengan , lalu tulis dalam bentuk paling sederhana (). Dengan memakai dan menerima ketunggalan pemfaktoran prima (yang dikenal dari sekolah; dibuktikan pada Bab 6), tunjukkan bahwa yang rasional memaksa maupun menjadi pangkat ke- sebuah bilangan bulat.
- Tunjukkan dengan teorema binomial bahwa tak mempunyai penyelesaian bulat ketika , lalu simpulkan: penyelesaian rasional persis pasangan pada pertanyaan 14 (beserta tukarannya).
- Periksa kasus secara numerik: hitung dan sampai empat angka desimal lalu periksa bahwa keduanya cocok.
Bagian IV — Dividennya.
- Pakai pertanyaan 7 dan 11 untuk membuktikan, tanpa perhitungan tambahan, bahwa barisan naik tegas dengan , bahwa turun tegas dengan , dan bahwa keduanya konvergen ke . (Parameternya turun ke .)
- Tegakkan kaidah perbandingan umum untuk : jika maka ; jika maka ; lalu tunjukkan lewat dua contoh dan bahwa pada kasus campuran kedua hasil itu sungguh-sungguh terjadi.
- Andaikan involusi pada pertanyaan 12 dapat diturunkan di (memang begitu). Turunkan kesamaan di lalu simpulkan : jadi cabang itu memotong diagonalnya secara tegak lurus.
- Carilah satu-satunya pasangan penyelesaian dengan , dalam bentuk tertutup, lalu periksa secara numerik sampai empat angka desimal lewat .
- Di antara bilangan , , , , tentukan yang terbesar lalu kenali dua di antaranya yang sama. (Bandingkan .)
Bagian V — Sintesis.
- Gambarkan himpunan penyelesaian lengkap pada seperempat bidang — diagonal ditambah cabangnya, titik potongnya , asimtotnya, titik bulat , titik rasional yang menumpuk di — dalam bentuk yang dapat Anda sketsakan dari ingatan.
- Di mana persisnya soal ini memakai: (i) perbandingan pertumbuhan pada Proposisi 4.6; (ii) teorema nilai antara (lewat pernyataan bijeksinya); (iii) ketunggalan pemfaktoran prima yang diterima tanpa bukti? Satu kalimat untuk masing-masing.
- Moralnya, dalam satu paragraf pendek: satu tabel variasi menyelesaikan sebuah persamaan dengan dua variabel, menggolongkan titik rasionalnya, dan membuktikan kekonvergenan monoton — berilah komentar atas penghematan ini, lalu sebutkan tempat masing-masing benangnya diindustrialisasi di bagian akhir jilid ini (Bab 11 untuk barisannya, Bab 14 untuk tabel variasinya, Bab 16 untuk ketelitian yang tak dimiliki tabel itu).
Solusi
Solusi Soal 4.1.
1. Di sini adalah hasil bagi fungsi yang dapat diturunkan dengan penyebut yang tak lenyap pada , dan
yang positif untuk , nol di , dan negatif untuk : jadi naik tegas pada , turun tegas pada , dengan maksimum .
2. Ketika : dan , jadi . Ketika : menurut perbandingan pertumbuhan pada Proposisi 4.6 (dengan ). Tandanya: sama dengan tanda , jadi pada , , dan pada . Grafiknya memanjat dari , memotong nol di , memuncak di , lalu meluruh ke .
3. .
4. Menurut tabel variasinya dan teorema nilai antara (yang dipakai pada taraf sekolah menengah; diformalkan pada Bab 13). Untuk : penyelesaian hanya ada di tempat , yakni di yang di sana merupakan bijeksi naik tegas pada : jadi tepat satu. Untuk : hanya . Untuk : pada , naik dari ke , jadi satu penyelesaian; pada , turun dari ke , jadi satu lagi; totalnya dua. Untuk : hanya titik maksimumnya . Untuk : tak ada.
5. Untuk , kemaksimalan tegasnya memberikan , yakni , yakni , yakni : jadi . Dengan : (secara numerik ).
6. Untuk , kedua ruasnya positif, sehingga
setelah dibagi .
7. Misalkan dengan . Jika atau , pertanyaan 4 mengatakan persamaan hanya punya satu penyelesaian: mustahil. Jadi , dan sekali lagi menurut pertanyaan 4 kedua penyelesaiannya adalah satu titik di dan satu titik di : jadi kedua koordinatnya melebihi dan keduanya mengapit .
8. Dengan mensubstitusikan pada :
jadi dan . Sebaliknya, untuk nilai itu, dan , sehingga : jadi sebuah penyelesaian. Setiap penyelesaian tak sepele punya rasio , jadi parameterisasinya lengkap.
9. Untuk : , . Lalu
lalu : jadi pergantian parameter menukarkan koordinatnya, sebagaimana dituntut simetri persamaannya.
10. Ketika : (karena ia hasil bagi selisih di ), jadi dan . Ketika : jadi , sedangkan jadi . Ketika : jadi , sedangkan jadi (dengan memakai , Contoh 4.7). Jadi cabang itu berjalan dari asimtot (jauh di kanan), naik melewati pada diagonalnya, lalu pergi menyusuri asimtot (jauh di atas) — dan simetris terhadap diagonalnya menurut pertanyaan 9.
11. , dan
dan untuk : jadi pada , sehingga dan turun tegas di sana (dari ke , menurut pertanyaan 10).
12. Menurut pertanyaan 11, adalah bijeksi turun tegas dari pada ; tulis untuk inversnya (yang juga turun tegas) lalu tulis . Perhatikan juga pada (di sana dan ), jadi turun pada juga; sehingga (pertanyaan 9) bersifat naik dalam pada , dari ke . Dengan mengomposisikannya: turun tegas dari pada , dan menurut pertanyaan 8. Akhirnya, untuk sebuah nilai bersama , pasangan adalah satu-satunya himpunan penyelesaian yang beranggota dua (pertanyaan 4); dengan memperluas ke sebagai pemetaan inversnya, kembali ke unsur yang lain, yakni unsur asalnya: jadi .
13. Jika penyelesaian bulat yang tak sepele dengan , pertanyaan 7 menempatkan : dan satu-satunya bilangan bulat di sana adalah . Maka dengan ; menurut pertanyaan 4 persamaan mempunyai tepat satu penyelesaian di luar , dan pertanyaan 3 menunjukkannya: . Jadi , beserta tukarannya, adalah satu-satunya.
14. memberikan dan , jadi
yang jelas rasional, berbeda (karena ), dan memberikan , .
15. Di sini rasional dan ; tulis dalam bentuk paling sederhana, jadi dengan . Pertanyaan 8 memberikan , sehingga
yaitu pecahan dalam bentuk paling sederhana (tak ada prima yang membagi maupun ). Dengan menulis dalam bentuk paling sederhana, juga dalam bentuk paling sederhana, dan menurut ketunggalan penyajian tersederhana itu: dan . Bandingkan eksponen sebarang prima pada : , jadi membagi ; karena , maka membagi untuk setiap prima (menurut ketunggalan pemfaktoran, yang diterima tanpa bukti; dibuktikan pada Bab 6), sehingga untuk suatu bilangan bulat . Argumen yang sama pada memberikan .
16. Andaikan dengan bilangan bulat dan . Maka , jadi menurut teorema binomial
yang merupakan kontradiksi. Dari pertanyaan 15, memaksa : jadi , dan penyelesaiannya adalah pada pertanyaan 14. Bersama pasangan yang tertukar, penggolongannya pun lengkap.
17. dan (sampai empat angka desimal): sama, sebagaimana dijanjikan konstruksinya — jadi .
18. Parameternya turun tegas ke . Karena turun tegas pada (pertanyaan 11), maka naik tegas; dan karena naik tegas di sana (pertanyaan 12), maka turun tegas. Menurut pertanyaan 7, dan : jadi untuk setiap . Akhirnya dan pertanyaan 10 memberikan dan . Jadi kekonvergenan monoton yang klasik dari jatuh begitu saja dari geometri cabang itu, tanpa ketaksamaan baru.
19. Jika : karena turun tegas pada maka , yakni , yakni . Jika : karena naik tegas maka , sehingga . Kasus campurannya: dan ; tetapi dan : jadi kedua hasilnya terjadi, dan yang memutuskan adalah di sisi mana cabang itu titik jatuh.
20. Cabang itu bertemu diagonalnya di dan diperluas secara kontinu di sana dengan . Menurunkan di dengan aturan rantai: , jadi ; dan karena turun, maka . Jadi cabang itu memotong diagonalnya dengan kemiringan : yakni tegak lurus.
21. adalah kasus : dan . Periksa: dan : sama sampai empat angka desimal, jadi .
22. , dan naik, jadi urutannya sama dengan urutan : mengungguli (pertanyaan 3) dan . Jadi yang terbesar adalah , dan pasangan yang sama adalah — yakni pasangan bulat dalam samaran yang lain lagi.
23. Himpunan penyelesaiannya adalah gabungan diagonal dan satu cabang tunggal, yang simetris terhadap diagonalnya, turun tegas dari asimtot (ketika ) ke asimtot (ketika ), dan memotong diagonalnya tepat sekali, di , dengan kemiringan di sana. Pada cabang itu duduk titik bulat dan — satu-satunya — beserta titik rasional , yang berbaris secara monoton di sepanjang cabang menuju tanpa pernah mencapainya (karena irasional; titik rasional cabang itu menumpuk pada sebuah sudut yang irasional).
24. (i) Perbandingan pertumbuhan memberikan limit di (pertanyaan 2) dan (pertanyaan 10), yang membentuk tabel variasinya sekaligus asimtotnya. (ii) Teorema nilai antara, lewat pernyataan bijeksinya, mengubah tabel variasi itu menjadi cacahan penyelesaian yang eksak (pertanyaan 4) dan menjadi keberadaan pemetaan invers (pertanyaan 12). (iii) Ketunggalan pemfaktoran menggerakkan kedua penyamaan bentuk tersederhana pada pertanyaan 15, yang menjadi jantung aritmetika bagi penggolongan titik rasionalnya.
25. Satu perhitungan turunan — yaitu tanda — melahirkan segalanya: cacahan penyelesaian untuk setiap aras , bentuk dan asimtot cabangnya, ketaksamaan ekstremal , penggolongan penyelesaian bulat dan rasional, serta kekonvergenan monoton . Inilah penghematan berpikir dengan tabel variasi: telaah berdimensi satu menyelesaikan persamaan dengan dua variabel karena persamaannya melewati satu fungsi tunggal. Nanti Bab 11 akan mengulang kekonvergenan dengan teori umum barisan monoton; Bab 14 melandasi tabel variasi secara ketat di atas teorema nilai rata-rata; dan Bab 16 memasok apa yang tak dapat diberikan tabel itu — yaitu laju kekonvergenan (yang berorde ).