• Nie Znaleziono Wyników

Najważniejsze własności funkcji różniczkowalnych

W dokumencie dla MIM UW (prof. Strzelecki). (Stron 122-127)

W tym podrozdziale zajmiemy się opisem własności funkcji różniczkowalnych i związ-kiem pochodnej z monotonicznością oraz ekstremami. Będziemy zajmować się funkcjami określonymi na przedziałach prostej rzeczywistej. Termin funkcja różniczkowalna będzie oznaczał funkcję, która jest różniczkowalna w każdym punkcie swojej dziedziny.

Definicja 6.34 (ekstremum lokalne). Niech f : I → R, gdzie I jest przedziałem w R.

Mówimy, że funkcja f ma w punkcie a ∈ I maksimum lokalne (odpowiednio: minimum lokalne), jeśli istnieje taka liczba δ > 0, że dla wszystkich x ∈ I, |x − a| < δ, zachodzi nierówność f (a) ≥ f (x) (odpowiednio: f (a) ≤ f (x)).

Jeśli dla wszystkich x ∈ I, 0 < |x − a| < δ, nierówności są ostre, to mówimy wtedy, że f ma w punkcie a maksimum (lub minimum) właściwe.

Słowo ekstremum jest wspólną nazwą minimum i maksimum: w zależności od kontek-stu i potrzeby może oznaczać jedno lub drugie. Z definicji wynika, że funkcja może mieć ekstremum lokalne także w końcu przedziału. Czytelnik powinien pamiętać, że wartość funkcji w punkcie ekstremum lokalnego nie musi być najmniejszą ani największą warto-ścią funkcji na danym przedziale. Ekstremów może być wiele, a ponadto jeśli przedział jest otwarty, to funkcja w ogóle nie musi przyjmować swoich kresów.

Funkcja f : (a, b) → R, która ma dużo ekstremów lokalnych wewnątrz (a, b), jednak w żadnym z nich nie jest osiągany kres dolny ani górny zbioru f (a, b).

Lemat 6.35 (lemat Fermata). Jeśli I jest odcinkiem otwartym, a ∈ I, f : I → R jest

różniczkowalna w punkcie a i f ma w a ekstremum lokalne, to f0(a) = 0.

Geometryczna interpretacja lematu Fermata jest prosta: styczna do wykresu funkcji różniczkowalnej w punkcie ekstremum lokalnego jest pozioma.

Dowód. Dla ustalenia uwagi załóżmy, że f ma w a maksimum lokalne (w drugim przy-padku dowód jest taki sam; można także rozważyć funkcję −f , która ma maksima tam, gdzie f ma minima). Wybierzmy δ > 0 tak, aby przedział J := (a − δ, a + δ) był zawarty w I i aby f (x) ≤ f (a) dla wszystkich x ∈ J.

Dla 0 < |h| < δ mamy wtedy f (a + h) − f (a) ≤ 0. Dlatego iloraz różnicowy (f (a + h) − f (a))/h jest nieujemny dla −δ < h < 0 i niedodatni dla 0 < h < δ. Nierówności nieostre

zachowują się w granicy, a pochodna f0(a) istnieje, więc 0 ≤ lim h→0− f (a + h) − f (a) h = f 0 (a) = lim h→0+ f (a + h) − f (a) h ≤ 0 .

Stąd już wynika, że f0(a) = 0. 

Uwaga 6.36. Podkreślmy bardzo ważny fakt: lematu Fermata nie można odwrócić: z

faktu, że funkcja różniczkowalna f ma w pewnym punkcie pochodną równą zero, nie

wy-nika, że f ma w tym punkcie ekstremum lokalne. Najprostszym przykładem jest f(x) =

x3, różniczkowalna na całej prostej R. Mamy f0(x) = 3x2, a więc f0(0) = 0, jednak f jest rosnąca i nie ma ekstremum w zerze. Pochodna funkcji ciągłej, rosnącej, może znikać na zbiorze nieskończonym, a nawet na zbiorze gęstym.2

Twierdzenie 6.37 (Rolle’a). Załóżmy, że a < b, zaś funkcja f : [a, b] → R jest ciągła na

[a, b]i różniczkowalna w każdym punkcie x ∈ (a, b). Jeśli f (a) = f (b), to istnieje taki punkt

x0∈ (a, b), że f0(x0) = 0.

Dowód. Jeśli f jest funkcją stałą, to f0 znika w każdym punkcie x ∈ (a, b) i nie ma czego dowodzić. Załóżmy więc, że f nie jest funkcją stałą. Połóżmy

m := inf

[a,b]f , M := sup

[a,b]

f .

Ponieważ f nie jest stała i f (a) = f (b), to musi być m < f (a) = f (b) lub M > f (a) = f (b). Z twierdzenia Weierstrassa (patrz Tw.5.36w rozdziale 5) wiemy, że m i M są wartościami f , zatem przynajmniej jedna z tych wartości jest przyjmowana w punkcie wewnętrznym x0, należącym do przedziału otwartego (a, b). Funkcja f ma oczywiście w tym punkcie ekstremum lokalne. Z lematu Fermata wynika, że f0(x0) = 0. 

Twierdzenie 6.38 (Cauchy’ego). Niech a < b i niech f, g : [a, b] → R będą funkcjami

cią-głymi na [a, b], różniczkowalnymi w każdym punkcie przedziału (a, b). Załóżmy ponadto, że g0(x) 6= 0dla x ∈ (a, b). Wówczas istnieje taki punkt ξ ∈ (a, b), że

f0(ξ) g0(ξ) =

f (b) − f (a) g(b) − g(a).

Dowód. Zauważmy najpierw, że g(a) 6= g(b), gdyż w przeciwnym przypadku na mocy twierdzenia Rolle’a istniałby punkt, w którym g0 znika, a zakładamy, że g0 6= 0 na (a, b). Dlatego prawa strona wzoru z tezy twierdzenia ma sens.

Rozpatrzmy teraz funkcję pomocniczą

h(x) = f (x) −f (b) − f (a) g(b) − g(a) 

g(x) − g(a).

Z założeń o f i g wynika, że h jest funkcją ciągłą na [a, b] i różniczkowalną wewnątrz tego przedziału. Ponadto, h(b) = f (b) − (f (b) − f (a)) = f (a) = h(a) . Zatem, h spełnia

2

Samodzielna konstrukcja odpowiednich przykładów może być ciekawym zadaniem dla ambitnych Czy-telników.

wszystkie założenia twierdzenia Rolle’a. Istnieje więc punkt ξ ∈ (a, b) taki, że h0(ξ) = 0. Mamy jednak

h0(x) = f0(x) − f (b) − f (a) g(b) − g(a)g

0(x) .

Dlatego równość h0(ξ) = 0 jest równoważna tezie twierdzenia.  Odnotujmy bardzo ważny wniosek z twierdzenia Cauchy’ego.

Wniosek 6.39 (twierdzenie Lagrange’a o wartości średniej). Załóżmy, że a < b, zaś

funkcja f : [a, b] → R jest ciągła na [a, b] i różniczkowalna w każdym punkcie x ∈ (a, b). Wówczas istnieje taki punkt ξ ∈ (a, b), że

f0(ξ) = f (b) − f (a) b − a .

Dowód. Stosujemy twierdzenie Cauchy’ego do f i do funkcji g(x) = x, x ∈ [a, b]. 

Zadanie 6.40. Podać przykład, świadczący o tym, że jeśli f jest ciągła na [a, b], ale f0 nie istnieje choćby w jednym punkcie, to teza twierdzenia Lagrange’a nie musi zachodzić.

Przykład 6.41. Twierdzenie Lagrange’a o wartości średniej nie zachodzi (w powyższej

postaci) dla funkcji o wartościach wektorowych, np. zespolonych. Oto banalny przykład: niech f (t) = exp(2πit) dla t ∈ [0, 1]. Wtedy, dla każdego c ∈ (0, 1), mamy 0 = f (1) − f (0) 6= f0(c) = 2πi · exp(2πic).

Twierdzenie Lagrange’a ma bardzo prostą interpretację geometryczną: w przedziale (a, b) istnieje taki punkt, w którym styczna do wykresu f jest równoległa do siecznej, poprowadzonej przez dwa końce łuku wykresu.

Interpretacja geometryczna twierdzenia Lagrange’a: Istnieje co najmniej jeden punkt, w którym styczna do wykresu funkcji jest równoległa do siecznej. (Może się zdarzyć, że takich punktów jest więcej).

Wniosek 6.42. Załóżmy, że A ⊂ R, [c, d] ⊂ A, c < d, a funkcja f : A → R jest ciągła na

[c, d]i różniczkowalna w (c, d). Zachodzą wówczas następujące implikacje:

(ii) Jeśli f0(x) > 0dla każdego x ∈ (c, d), to f jest rosnąca na [c, d]. (iii) Jeśli f0(x) < 0dla każdego x ∈ (c, d), to f jest malejąca na [c, d].

(iv) Jeśli f0(x) ≤ 0dla każdego x ∈ (c, d), to f jest nierosnąca na [c, d].

Dowód. Wystarczy zapisać tezę twierdzenia Lagrange’a w postaci

f (b) = f (a) + f0(ξ)(b − a) dla pewnego ξ ∈ (a, b),

a następnie podstawiać za a i b dowolne pary punktów przedziału [c, d]. 

Wniosek 6.43. Jeśli funkcja f : [a, b] → R spełnia warunek: f0(ξ) = 0 dla każdego ξ ∈

(a, b), to f jest funkcją stałą.

Dowód. Stosując twierdzenie Lagrange’a dla f na dowolnym przedziału [a, x] ⊂ [a, b], stwierdzamy, że f (a) = f (x) dla każdego x ∈ [a, b]. 

Twierdzenie 6.44. Załóżmy, że c < d, zaś funkcja f : [c, d] → R jest ciągła na [c, d] i

różniczkowalna w każdym punkcie x ∈ (c, d). Następujące warunki są równoważne: (i) Funkcja f spełnia warunek Lipschitza ze stałą M ;

(ii) Dla każdego x ∈ (c, d) zachodzi nierówność |f0(x)| ≤ M

Dowód. Jeśli f spełnia warunek Lipschitza ze stałą M , to dla dowolnych y, x ∈ (c, d), y 6= x zachodzi nierówność

|f (y) − f (x)| |y − x| ≤ M.

Wykonując przejście graniczne y → x, otrzymujemy |f0(x)| ≤ M .

Na odwrót, jeśli f spełnia warunek (ii), to dla dowolnych a, b ∈ [c, d], a 6= b, dobierając do a i b punkt ξ ∈ (a, b) tak, jak w tezie twierdzenia Lagrange’a, możemy napisać

|f (b) − f (a)| = |f0(ξ)| · |b − a| (ii)≤ M |b − a| .

Funkcja f spełnia więc warunek Lipschitza ze stałą M . 

Uwaga 6.45. Funkcja ciągła na odcinku [a, b] (a więc jednostajnie ciągła na tym odcinku)

i różniczkowalna w (a, b) może mieć nieograniczoną pochodną. Przykład: f (x) = √

x dla x ∈ [0, 1]; wtedy f0(x) = 1/2x dla x ∈ (0, 1] i f0 nie jest ograniczona w żadnym otoczeniu zera.

Na zakończenie tego podrozdziału spróbujemy udzielić częściowych odpowiedzi na dwa pytania: jakie funkcje mogą być pochodnymi, i czy pochodna funkcji różniczkowalnej musi być funkcją ciągłą. Odpowiedź na drugie pytanie jest prosta: pochodna nie musi być funkcją ciągłą.

Funkcja z Przykładu6.46w otoczeniu zera (dla nieco większej czytelności rysunku, oś y została liniowo rozciągnięta). Wykres oscyluje między dwiema parabolami, y = x2 i y = 3x2. Pochodna istnieje w każdym punkcie, jednak nie jest ciągła w zerze i zmienia znak nieskończenie wiele razy w każdym przedziale wokół zera. Przykład 6.46. Niech f (x) =  x2 2 + sin(1/x) , x 6= 0 , 0, x = 0 .

Dla x 6= 0 otrzymujemy, stosując wzory na pochodną iloczynu i pochodną złożenia,

f0(x) = 2x ·  2 + sin1 x  + x2· cos1 x · (−x −2) = 2x  2 + sin 1 x  − cos1 x. (6.3)

Zatem na R \ {0} pochodna f istnieje i jest tam funkcją ciągłą.

Ponieważ sinus na R przyjmuje tylko wartości z przedziału [−1, 1], więc |f (x)| ≤ 3x2 dla wszystkich x ∈ R. Dlatego

0 ≤ f (h) − f (0) h = f (h) h ≤ 3|h| → 0 dla h → 0.

Z twierdzenia o trzech funkcjach wynika zatem, że f0(0) = 0. Jednak f0 nie jest ciągła w zerze. To wynika stąd, że pierwszy składnik po prawej stronie (6.3) dąży do zera dla x → 0 (moduł tego składnika nie przekracza 6|x|), jednak drugi składnik, − cos 1/x, nie ma granicy dla x → 0 (patrz Przykład5.12). Dlatego granica f0 w zerze nie istnieje.

Nietrudno zauważyć jeszcze jedno: f (x) = 0 tylko dla x = 0, a dla x 6= 0 jest f (x) ≥ x2 > 0. Zatem f ma w zerze minimum lokalne właściwe (a nawet osiąga w zerze swój kres dolny). Jednak dla dowolnej liczby δ > 0 funkcja f0 zmienia znak nieskończenie wiele razy w przedziale (0, δ). Podobnie jest w przedziale (−δ, 0): tam też f0zmienia znak nieskończenie wiele razy.3 Zatem prawdziwy jest następujący fakt, dla kogoś być może lekko zaskakujący i przeczący naiwnej intuicji.

Może się zdarzyć, że f jest ciągła na R i ma w punkcie x0∈ R ekstremum lokalne

właściwe, jednak nie jest monotoniczna na żadnym przedziale (x0, x0+ δ), ani na żadnym przedziale (x0− δ, x0), gdzie δ > 0. 

3

Twierdzenie 6.47 (własność Darboux dla pochodnej). Załóżmy, że a < b, zaś funkcja

f : [a, b] → R jest ciągła i różniczkowalna na [a, b]. Dla każdej liczby c ∈ [f0(a), f0(b)]istnieje punkt x ∈ [a, b] taki, że f0(x) = c.

Uwaga: nie zakładamy, że f0(a) < f0(b). Napis [f0(a), f0(b)] oznacza przedział o końcach f0(a) i f0(b), być może zdegenerowany do jednego punktu. Podkreślmy też wyraźnie: nie zakładamy tu ciągłości f0.

Dowód. Bez zmniejszenia ogólności przyjmijmy f0(a) < f0(b). Rozpatrzmy funkcję pomoc-niczą4φ(x) = f (x) − cx. Spełnia ona warunki:

φ0(a) = f0(a) − c ≤ 0, φ0(b) = f0(b) − c ≥ 0 .

Jeśli φ0(a) = 0 lub φ0(b) = 0, to teza twierdzenia zachodzi (można wziąć x = a lub x = b). Załóżmy więc odtąd, że φ0(a) < 0 < φ0(b).

Funkcja φ jest ciągła na [a, b], zatem, z Twierdzenia 5.36 wynika, że istnieje punkt x ∈ [a, b] taki, że

φ(x) = inf

[a,b]φ .

Zauważmy, że gdyby x = a, to mielibyśmy dla małych h > 0 φ(a + h) − φ(a)

h ≥ 0, a zatem φ

0(a) ≥ 0 .

Ponieważ jednak φ0(a) < 0, więc x 6= a. Tak samo pokazujemy, że x 6= b. Z lematu Fermata otrzymujemy teraz φ0(x) = f0(x) − c = 0. 

Odpowiedź na inne naturalne pytanie: czy każda funkcja ciągła jest pochodną pewnej

funkcji? jest też twierdząca, ale na jej uzasadnienie Czytelnik będzie musiał poczekać.

W dokumencie dla MIM UW (prof. Strzelecki). (Stron 122-127)

Powiązane dokumenty