Matematyka dla biologów — Zaj ˛ecia nr 2.
Dariusz Wrzosek
10 pa´zdziernik 2018
Od funkcji liniowej do funkcji logarytmicznej
Podstawowe własno´sci szczególnych funkcji okre´slonych na zbiorze liczb rzeczywistychprzyjmuj ˛acych warto´sci w. Powiemy o:
funkcji liniowej funkcji pot ˛egowej funkcji wykładniczej funkcji logarytmicznej
Funkcje te, obok funkcji trygonometrycznych, pełni ˛a bardzo istotn ˛a rol ˛e we wszelkich zastosowaniach matematyki.
Wykres funkcji
Poj ˛ecie funkcji zostało zdefiniowane jako przyporz ˛adkowanie elementom pewnego zbioru zwanego (dziedzin ˛a funkcji ) elementów zbioru warto´sci funkcji. W przypadku funkcji f :D 7→ , gdzie D ⊂ , wygodnie jest zdefiniowa´c poj ˛ecie wykresu funkcji jako podzbioru płaszczyzny× , po to aby ”widzie´c” przebieg funkcji.
Definicja
Wykresem funkcji f nazywamy zbiór
Wf = {(x,y) :x ∈D, y =f(x)}
zawarty w produkcie× .
Funkcja liniowa
y=f(x) =mx+b.
Zakładamy, ˙ze m,0, w przeciwnym przypadku f jest funkcj ˛a stał ˛a przyjmuj ˛ac ˛a jedynie warto´s´c b.
Parametr m nazywa si ˛e współczynnikiem kierunkowym prostej.
Wykresem funkcji liniowej jest linia prosta.
Cech ˛a charakterystyczn ˛a funkcji liniowej jest to, ˙ze przyrost warto´sci funkcji jest proporcjonalny do odpowiadaj ˛acego mu przyrostu warto´sci argumentów tzn. dla dow. x1,x2
f(x2) −f(x1)
x2−x1 = (mx2+b) − (mx1+b)
x2−x1 = m(x2−x1) x2−x1 =m. Przypomnijmy, ˙ze liczba m równa jest tak˙ze warto´sci tangensa k ˛ata, pod którym prosta przecina o´s poziom ˛a układu współrz ˛ednych (m=tgα).
Wykres funkcji liniowej
Monotoniczno´s´c funkcji
Przebieg funkcji liniowej okre´sla jej wykres, czyli prosta przecinaj ˛aca o´s x pod k ˛atem, którego tangens jest współczynnikiem kierunkowym prostej.
Je˙zeli m>0, to f jestfunkcj ˛a rosn ˛ac ˛a, czyli spełniony jest warunek Funkcja rosn ˛aca
(x2 >x1) ⇒ (f(x2) >f(x1)) .
Je´sli m <0, to f jestfunkcj ˛a malej ˛ac ˛a, czyli spełniony jest warunek Funkcja malej ˛aca
(x2 >x1) ⇒ (f(x2) <f(x1)).
Monotoniczno´s´c funkcji
Dla uzupełnienia terminologii:
Definicja
Funkcj ˛e nazywa si ˛efunkcj ˛a niemalej ˛ac ˛aje´sli (x2>x1) ⇒ (f(x2) f(x1)) Funkcj ˛e nazywa si ˛efunkcj ˛a nierosn ˛ac ˛aje´sli
(x2 >x1) ⇒ (f(x2) ¬f(x1)).
Czasami funkcj ˛e rosn ˛ac ˛a nazywa si ˛e ´sci´sle rosn ˛ac ˛a, a malej ˛ac ˛a —´sci´sle malej ˛ac ˛a.
Mimo ˙ze nie ma tu powszechnie przyj ˛etej terminologii, nazewnictwo nie prowadzi do dwuznaczno´sci.
Pot ˛egowanie
Znajomo´s´c funkcji liniowej nie wystarcza jednak do opisu procesów wzrostu wyst ˛epuj ˛acych w biologii.
W fizjologii mamy cz ˛esto do czynienia z funkcjami pot ˛egowymi, a przy opisie wzrostu populacji pojawiaj ˛a si ˛e funkcje wykładnicze.
Pot ˛eg ˛a liczby rzeczywistej a o wykładniku n∈ nazywamy iloczyn
an =
n
z }| { a·a. . .a.
Dla dowolnej liczby rzeczywistej a >0 i dowolnej liczby naturalnej n∈ istnieje liczba rzeczywista b zwanapierwiastkiem stopnia nz a, taka ˙ze bn =a. Zapisujemy to
b= √n
a =a1n.
Dla liczb naturalnych m,n∈ i liczby rzeczywistej dodatniej a amn = √n
am =a1nm .
W ten sposób okre´sla si ˛e pot ˛eg ˛e liczby o wykładniku q∈ +. Dla p ∈ −mamy ap = 1
a−p, gdzie teraz q = −p∈ +.
Dalej rozszerza si ˛e pot ˛egowanie na przypadek wykładników rzeczywistych korzystaj ˛ac zg ˛esto´sciliczb wymiernych w zbiorze liczb rzeczywistych, czyli z faktu, ˙ze dowolnie blisko ka˙zdej liczby rzeczywistej znajdziemy liczb ˛e wymiern ˛a.
G ˛esto´s´c liczb wymiernych w zbiorze liczb rzeczywistych
Wystarczy „obci ˛a´c” rozwini ˛ecie dziesi ˛etne liczby rzeczywistej dostatecznie daleko, by otrzyma´c liczb ˛e wymiern ˛a oddalon ˛a od danej liczby wymiernej o nie wi ˛ecej ni˙z chcemy.
Działania na pot ˛egach
Dla dowolnych liczb rzeczywistych dodatnich a,b ∈ +i dowolnych liczb rzeczywistych x i y zachodz ˛a nast ˛epuj ˛ace własno´sci pot ˛egowania, które mo˙zna wyprowadzi´c z definicji
axay =ax+y, a
x
ay =ax−y, (ax)y =axy, axbx = abx.
W oparciu o własno´sci pot ˛egowania definiuje si ˛efunkcj ˛e pot ˛egow ˛a, wykładnicz ˛a oraz logarytmiczn ˛a.
Karły i olbrzymy
Znajomo´s´c funkcji pot ˛egowych jest niezb ˛edna do tego, by zrozumie´c konsekwencje zró˙znicowania wielko´sci zwierz ˛at.
Problem
Rozwa˙zmy ró˙zne zwierz ˛eta stałocieplne ró˙zni ˛ace si ˛e wielko´sci ˛a, ale o zbli˙zonym planie budowy ciała.
Wiadomo, ˙ze im wi ˛eksza powierzchnia ciała zwierz ˛ecia, tym wi ˛eksza wymiana energii cieplnej z otoczeniem w stanie spoczynku.
Pojawiaj ˛a si ˛e pytania:
1 ile ´srednio energii w przeliczeniu na jednostk˛e masy ciała musi produkowa´c zwierz ˛e małe w stosunku do du˙zego, aby zrównowa˙zy´c strat ˛e energii cieplnej w stanie spoczynku?
2 czy prawd ˛a jest, ˙ze zwierz ˛e 5 razy ci ˛e˙zsze produkuje ´srednio 5 razy wi ˛ecej energii?
Karły i olbrzymy
By odpowiedzie´c na to pytanie znajdziemy zale˙zno´s´c pomi ˛edzy mas ˛a i powierzchni ˛a ciała zwierz ˛ecia.
Rozwa˙zmy ró˙zne gatunki zwierz ˛at o schemacie budowy ciała jak na rysunku.
Ocenimy szacunkow ˛a masy i powierzchni ˛e ciała: bierzemy pod uwag ˛e jedynie tułów zwierz ˛ecia (np. ssaka), który
reprezentowany jest jako walec o wysoko´sci L i promieniu podstawyαL .
L — rozmiar zwierz ˛ecia mierzony od ko´sci ogonowej do pierwszego kr ˛egu szyjnego.
α— proporcje ciała, tu: stosunek promienia podstawy walca do jego wysoko´sci.
Karły i olbrzymy
Obj ˛eto´s´c tułowia to w przybli˙zeniu obj ˛eto´s´c walca V =L· π(αL)2= α2πL3. Powierzchnia boczna wynosi
P =L·2παL=2παL2. Masa ciała M jest proporcjonalna do obj ˛eto´sci, czyli
M=mα2πL3,
gdzie m to ci ˛e˙zar wła´sciwy, czyli ci ˛e˙zar jednostki obj ˛eto´sci (np. w [g/cm3])
— zakładamy, ˙ze jest stały dla rozwa˙zanej grupy gatunków zwierz ˛at.
Z ostatniego równania:
L =C 3
√
M, C = √3 1 mα2π.
Karły i olbrzymy
Mo˙zemy wyrazi´c teraz powierzchni ˛e boczn ˛a poprzez mas ˛e P =C0M2/3, C0 =2
√3
√πα m3. T˛e zale˙zno´s´c nazywa si ˛e czasem reguł ˛a powierzchni.
Utrat ˛e ciepła okre´slamy jako
E(M) =E0C0M23,
gdzie stała E0 okre´sla strat ˛e ciepła na jednostk˛e powierzchni ciała.
Wniosek
Strata ciepła S(M)przypadaj ˛aca na jednostk˛e masy ciała wynosi S(M) = E(M)
M = E0C0M
2/3
M =E0C0M−1/3= E√30C0 M
S(M) wzrasta nieograniczenie, gdy M zbli˙za si ˛e do 0 i maleje do zera gdy M ro´snie nieograniczenie.
Karły i olbrzymy
Wniosek
Zwierz ˛eta o małej masie maj ˛a niekorzystny stosunek powierzchni do masy i dlatego tempo metabolizmu mierzonego jako ilo´s´c energii produkowana w jednostce czasu na jednostk˛e obj ˛eto´sci ciała musi by´c znacznie wi ˛eksza ni˙z u zwierz ˛at du˙zych, po to aby zrównowa˙zy´c strat ˛e ciepła.
Porównajmy strat ˛e ciepła u zwierz ˛at ró˙zni ˛acych si ˛e pi ˛eciokrotnie mas ˛a ciała
E(5M)
E(M) = E0C0(5M)2/3
E0C0M2/3 =52/3=√3
52≈2,92.
Przy przyj ˛etych zało˙zeniach, zwierz ˛e pi ˛eciokrotnie ci ˛e˙zsze traci jedynie ok.
trzykrotnie wi ˛ecej ciepła.
Z tych powodów małe zwierz ˛e musi je´s´c znacznie wi ˛ecej ni˙z du˙ze w stosunku do własnej masy ciała.
Karły i olbrzymy
Dla przykładu:
sikora modra wa˙z ˛aca 11g musi codziennie zje´s´c pokarm o masie 30%masy swojego ciała,
drozd ´spiewak wa˙z ˛acy 89g — 10%, myszołów za´s wa˙z ˛acy 900g — 4,5%.
Wynika st ˛ad, ˙ze ´srednio bior ˛ac, zwierz ˛eta małe s ˛a bezustannie zaj ˛ete poszukiwaniem pokarmu i zarazem bardzo wra˙zliwe na głód.
Dla przykładu ryjówka nie mo˙ze obej´s´c si ˛e bez pokarmu dłu˙zej ni˙z 3 godz.
Mo˙zna wi ˛ec stwierdzi´c, ˙ze istot inteligentnych, rozwijaj ˛acych kultur ˛e i osi ˛agaj ˛acych rozmiary ryjówki, w warunkach ziemskich by´c nie mo˙ze.
Warunkiem rozwoju kultury jest bowiem pewna doza czasu wolnego do dyspozycji.
Jest to zarazem silny argument przeciwko istnieniu krasnoludków.
Funkcja pot ˛egowa
Je´sli wykładnik p>0 jest ustalony, a podstawa jest zmienn ˛a (argumentem funkcji), oznaczamy j ˛a przez x, to tak ˛a funkcj ˛e nazywamyfunkcj ˛a
pot ˛egow ˛a, czyli
x 7→xp.
Je´sli p >0 i p ∈ , to funkcja pot ˛egowa jest zawsze dobrze okre´slona dla x >0.
Funkcj ˛e, która przyporz ˛adkowuje liczbie x>0 liczb ˛e f(x) = √n
x mo˙zna nazwa´c funkcj ˛a pierwiastkow ˛a, cho´c w istocie jest to funkcja pot ˛egowa f(x) =x1/n.
Zwró´cmy uwag ˛e, ˙zefunkcja pierwiastkowaf(x) = √n
x jest funkcj ˛a odwrotn ˛a do g(x) =xn, gdy˙z
f(g(x)) = n
√
xn = (xn)n1 =x dla x >0, czyli g−1(x) =f(x).
Funkcja pot ˛egowa
p>1
x y=xp
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
p<1
x y=xp
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
Funkcja wykładnicza
Je´sli podstawa a >0 jest ustalona, a zmienia si ˛e wykładnik, oznaczany przez x, to tak ˛a funkcj ˛e nazywamyfunkcj ˛a wykładnicz ˛a
x 7→ax.
Je˙zeli a >1, to im wi ˛ekszy argument funkcji wykładniczej, tym wi ˛eksza jej warto´s´c — w tym przypadku funkcja wykładnicza jest funkcj ˛a rosn ˛ac ˛a.
Je´sli a ∈ (0,1), to funkcja wykładnicza jest funkcj ˛a malej ˛ac ˛a. Dlatego, ˙ze dowoln ˛a liczb ˛e a∈ (0,1)mo˙zna przedstawi´c jako odwrotno´s´c liczby A =1/a>1.
Wtedy za´s ax = A1x i skoro mianownik w tym ilorazie jest funkcj ˛a rosn ˛ac ˛a, to funkcja x 7→ax jest funkcj ˛a malej ˛ac ˛a.
Funkcja wykładnicza jest okre´slona dla wszystkich x ∈ .
Funkcja wykładnicza w biologii
Je´sli nie wyst ˛epuj ˛a czynniki ograniczaj ˛ace wzrost populacji to jej liczebno´s´c w czasie wyra˙za si ˛e poprzez funkcj ˛e wykładnicz ˛a.
Wida´c to najłatwiej na przykładzie populacji komórek, powstałych w wyniku podziałów komórkowych jednej komórki.
Stan takiej populacji N(t)w kolejnych momentach t =0,1,2. . . podziałów komórkowych wynosi
N(0) =1,N(1) =2,N(2) =22,N(3) =23 . . . ,N(t) =2t.
Funkcja wykładnicza
a>1, (tutaj a =1,9)
x y=ax
−2 −1 1 2
1 2 3 4 5
a<1 (tutaj a =0,52)
x y =ax
−2 −1 1 2
1 2 3 4 5
Co to jest logarytm?
Logarytm
liczba y jest logarytmem z x >0 przy podstawie a (a >0,a,1), co oznaczamy y =logax w.t.w. gdy x=ay.
Inaczej: logarytm o podstawie a z x to pot ˛ega, do której trzeba podnie´s´c a aby otrzyma´c x.
y =logax ⇐⇒ ay =x. Przykłady
23=8 ⇐⇒ log28=3 104 =10000 ⇐⇒ log1010000=4
Co to jest logarytm ?
Zatem funkcja logarytmiczna jest funkcj ˛a odwrotn ˛a do funkcji wykładniczej, bo je´sli
y 7→x=f(y) =ay to funkcja logarytmiczna jest okre´slona jako:
x7→y =f−1(x) :=logax. Czyli
f(f−1(x)) =alogax =x.
Poniewa˙z funkcja logarytmiczna jest funkcj ˛a odwrotn ˛a do funkcji wykładniczej, to wykres funkcji y =f(x) =logax jest symetryczny do wykresu funkcji y =ax wzgl ˛edem prostej o równaniu y =x.
Wykres funkcji logax dla a >1 i log1 a
x.
W przypadkua>1funkcja y=f(x) =logax jest funkcj ˛a rosn ˛ac ˛a do+∞wraz ze wzrostem argumentu x oraz do−∞przy x d ˛a˙z ˛acym do 0.
Je´slia∈ (0,1), to funkcja y=f(x) =logax jest funkcj ˛a malej ˛ac ˛a do−∞przy
x→ +∞oraz d ˛a˙zy do+∞
gdy x zbiega do 0.
Własno´sci logarytmu
Własno´sci funkcji logarytm wynikaj ˛a wprost z własno´sci funkcji wykładniczej:
loga1=0 oraz logaa=1, loga(xy) =logax+logay loga(xy) =y logax
loga x
y =logax−logay logbx= (logba) (logax) log1
a
x= −logax
Przedostatnia równo´s´c nazywa si ˛e wzorem nazamian ˛e podstaw logarytmów, z którego wynika ostanie równanie.
Dla przykładu wyka˙zemy pierwsz ˛a równo´s´c:
loga(xy) =logax+logay.
Podziałajmy na obie strony równo´sci funkcj ˛a wykładnicz ˛a o podstawie a.
Dostajemy wtedykorzystaj ˛ac z własno´sci pot ˛egowania: az+w =azaw aloga(x y)=a(logax+logay)=alogaxalogay,
Z definicji logarytmu powy˙zsze równanie jest równowa˙zne x y =aloga(x y) =alogaxalogay =xy. Podobnie mo˙zna wykaza´c pozostałe własno´sci.
Dla przykładu wyka˙zemy pierwsz ˛a równo´s´c:
loga(xy) =logax+logay.
Podziałajmy na obie strony równo´sci funkcj ˛a wykładnicz ˛a o podstawie a.
Dostajemy wtedykorzystaj ˛ac z własno´sci pot ˛egowania: az+w =azaw aloga(x y)=a(logax+logay)=alogaxalogay,
Z definicji logarytmu powy˙zsze równanie jest równowa˙zne x y =aloga(x y) =alogaxalogay =xy. Podobnie mo˙zna wykaza´c pozostałe własno´sci.
Logarytm dziesi ˛etny
Ze wzgl ˛edu na to, ˙ze liczby zapisuje si ˛e przede wszystkim w systemie dziesi ˛etnym, logarytmy przy podstawie dziesi ˛etnej maj ˛a szczególne znaczenie. Oznaczaj ˛ac logarytm przy podstawie dziesi ˛etnej pisze si ˛e tylko log x, a nie log10x.
Przyjrzyjmy si ˛e własno´sciom logarytmu dziesi ˛etnego log 1=0, log 10=1,
log 100=log 102 =2, log 1000=log 103=3
Logarytm dziesi ˛etny danej liczby okre´sla jej rz ˛ad wielko´sci, np. liczba 520=5,2×102jest liczb ˛a rz ˛edu setek i jej logarytm jest liczb ˛a z przedziału(2,3), gdy˙z 102 <520<103 i log x jest funkcj ˛a rosn ˛ac ˛a.
Logarytm naturalny
U˙zywa si ˛e tak˙ze logarytmów przy podstawie naturalnej, tzn. podstaw ˛a jest wtedy pewna liczba zwana stał ˛a Eulera (na cze´s´c jednego
z najwybitniejszych matematyków, Leonarda Eulera, 1707 - 1783).
Liczb ˛e t ˛e oznacza si ˛e zawsze przeze. Jest to liczba niewymierna, w przybli˙zeniue =2,718. . ..
Liczba ta ma szereg ciekawych własno´sci i tak jak liczby 1,0,iπpojawia si ˛e w ró˙znych działach matematyki.
Logarytm naturalny oznaczamy logex :=ln x. Ze wzoru na zamian ˛e podstaw logarytmów dostajemy
ln x=ln 10 log x≈2,303 log x.
Skala kwasowo´sci pH
Logarytm dziesi ˛etny danej liczby okre´sla jej rz ˛ad wielko´sci w systemie dziesi ˛etnym⇒logarytmy słu˙z ˛a do skalowania ró˙znych wielko´sci fizycznych mog ˛acych przyjmowa´c bardzo du˙ze i bardzo małe warto´sci.
Przykładem jestskala kwasowo´sci pH, która okre´sla stopie ´n kwasowo´sci lub zasadowo´sci roztworu na podstawie st ˛e˙zenia jonów hydroniowych H3O+
pH= −log[H3O+],
[H3O+]— st ˛e˙zenie jonów hydroniowych wyra˙zonych w molach na decymetr sze´scienny.
Skala kwasowo´sci pH
St ˛e˙zenie jonów H3O+w wodzie destylowanej w temperaturze 20◦C wynosi dokładnie 10−7 mol/l. Zatem pH wody destylowanej wynosi 7 i zarazem pH=7 stanowi dokładnie ´srodek skali pH odpowiadaj ˛acy roztworowi neutralnemu.
Poni˙zejpH =7 mamy roztwory kwasowe, a powy˙zej zasadowe.
Jednomolowy roztwór kwasu solnego ma pH równe 0.
Jednomolowy roztwór wodorotlenku sodu ma pH równe 14.
Skala Richtera
Skala Richteraokre´sla sił ˛e trz ˛esienia ziemi na podstawie logarytmu amplitudy drga ´n wstrz ˛asów sejsmicznych.
Skala logarytmiczna jest skal ˛a nieliniow ˛a:
trz ˛esienie Ziemi o sile w skali Richtera 5 oznacza skutki w postaci powszechnie odczuwalnych drga ´n Ziemi bez uszkodze ´n budynków — takich trz ˛esie ´n Ziemi zdarza si ˛e ponad 1000 rocznie.
Trz ˛esienie o sile 10 w skali Richtera, czyli dwukrotnie wi ˛ekszej, oznacza kataklizm.
Takie trz ˛esienia Ziemi zdarzaj ˛a si ˛e raz na 5–10 lat.
W tym przypadku amplituda drga ´n sejsmicznych jest 105=100 000 razy wi ˛eksza!
Współrz ˛edne log − log
Logarytmy w biologii s ˛a stosowane bardzo cz ˛esto do graficznego przedstawienia wyników eksperymentów je´sli spodziewamy si ˛e, ˙ze zale˙zno´s´c mi ˛edzy warto´sciami wybranych cech jest funkcj ˛a pot ˛egow ˛a lub wykładnicz ˛a.
Zale˙zno´s´c pot ˛egow ˛a spotykamy najcz ˛e´sciej w fizjologii, a wykładnicz ˛a w biologii populacyjnej.
Zamiast zwykłych współrz ˛ednych liniowych (kartezja ´nskich) zmienia si ˛e je po to, aby w nowych współrz ˛ednych zale˙zno´s´c mi ˛edzy cechami była funkcj ˛a liniow ˛a (czyli najprostsz ˛a !), której poszukiwane parametry znacznie łatwiej znale´z´c na podstawie danych empirycznych (np. metod ˛a najmniejszych kwadratów).
Załó˙zmy najpierw, ˙ze warto´sci cechy C1oznaczane przez x s ˛a zwi ˛azane za pomoc ˛a funkcji pot ˛egowej z warto´sciami y cechy C2.
Współrz ˛edne log − log
Przyjmijmy zatem, ˙ze
y=bxa,
a liczby b ∈ , a∈ , a>0 to pewne współczynniki.
Po zlogarytmowaniu obu stron równania dostajemy log y =log(bxa) =a log x+log b.
Oznaczaj ˛ac Y =log y, X =log x oraz B=log b otrzymujemy zale˙zno´s´c Y =aX+B,
czyli zale˙zno´s´c liniow ˛a w nowych współrz ˛ednych, tzw. współrz ˛ednych podwójnie logarytmicznych(w skrócielog−log).
Nazwa bierze si ˛e st ˛ad, ˙ze zarówno na osi pionowej jak i na poziomej odznacza si ˛e warto´sci logarytmów odpowiednio y i x.
Współrz ˛edne pół-log
Mamy
y=bax,
Po zlogarytmowaniu obu stron równania dostajemy log y =log(bax) =x log a+log b.
Oznaczaj ˛ac A =log a, B =log b oraz Y =log y otrzymujemy zale˙zno´s´c Y =Ax+B,
czyli zale˙zno´s´c liniow ˛a w nowych współrz ˛ednych, tzw. współrz ˛ednych pół-logarytmicznych(w skróciepół-log).
Nazwa bierze si ˛e st ˛ad, ˙ze jedynie na osi pionowej odznacza si ˛e warto´sci logarytmów y, a o´s x-ów pozostaje bez zmian.
Zadania–Zbiór zada ´n Bodnara, rozdz. 5.