VYTVOŘUJÍCÍ FUNKCE THE GENERATING FUNCTIONS
|
|
- Bohumila Machová
- před 8 lety
- Počet zobrazení:
Transkript
1 Technická univerzita v Liberci Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická Katedra: matematiky a didaktiky matematiky Studijní program: 2. stupeň Kombinace: matematika-informatika VYTVOŘUJÍCÍ FUNKCE THE GENERATING FUNCTIONS Diplomová práce: 09 FP KMD 02 Autor: Václav HENDRYCH Podpis: Adresa: Stružnice Česká Lípa Vedoucí práce: RNDr. Jaroslava Justová Konzultant: Počet stran slov obrázků tabulek pramenů příloh V Liberci dne:
2 Zadání DP
3 Prohlášení Byl(a) jsem seznámen(a) s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 2/2000 Sb. o právu autorském, zejména 60 školní dílo. Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL. Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše. Diplomovou práci jsem vypracoval(a) samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem. V Liberci dne: Václav Hendrych
4 PODĚKOVÁNÍ Děkuji RNDr. Jaroslavě Justové za podnětné konzultace, rady, korekce a v neposlední řadě za trpělivost, kterou se mnou měla při přípravě diplomové práce. Děkuji též ing. Petru Pospíšilovi za čas, který mi věnoval při občasných konzultacích.
5 VYTVOŘUJÍCÍ FUNKCE Souhrn Diplomová práce se zabývá vytvořujícími funkcemi, jejich vlastnostmi a především jejich aplikacemi. Text je rozdělen na tři základní celky. V první části bude čtenář seznámen se základními pojmy a zavede se vlastní pojem obyčejné vytvořující funkce. V další části následují aplikace, kde je na ilustrativních příkladech z oblasti kombinatoriky, řešení diferenčních rovnic či vztahů mezi posloupnostmi názorně ukázán přínos použití této početní techniky. V závěrečné části jsou pak na podobném principu uvedeny též exponenciální vytvořující funkce. Klíčová slova: Posloupnost, mocninná řada, obyčejná vytvořující funkce, exponenciální vytvořující funkce, diferenční rovnice, kombinace, variace. THE GENERATING FUNCTIONS Summary This diploma thesis deals with the ordinary generating functions, with their properties and mostly with their applications. The text structure is divided into three basic parts. In introduction, the reader is become acquainted of basic concepts and the actual definition of the generating function is presented. In further parts, the benefit of the using this technique is shown by presenting illustrative simple examples from combinatorics, difference equations solving and sequence relations. In the final part, the analogical concept of the exponential generating function is presented. Keywords: Sequence, power series, ordinary generating function, exponential generating function, difference equation, combination, variation. DIE ERZEUGENDEN FUNKTIONEN Zusammenfassung Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit den gewöhnlichen erzeugenden Funktionen, mit denen Eigenschaften und vor allem mit den Applikationen. Der Text ist in drei Grundteile gegliedert. In dem ersten Teil werden die Grundbegriffe bekannt und es wird der eigentliche Begriff die erzeugende Funktion erklärt. In dem nächsten Teil folgen die Applikationen, hier wird anschaulich der Beitrag der Anwendung dieser rechnerischen Technik gezeigt, und zwar mit Hilfe von demonstrativen kombinatorischen Beispielen, von Lösungen der Differenzgleichungen oder von Verhältnissen zwischen den Folgen. Im Schluss werden dann auf Grund eines ähnlichen Prinzips auch exponentielle erzeugende Funktionen eingeführt. Die Schlüsselwörter: Die Sequenz, die Potenzreihe, die gewöhnliche Funktion, die exponentielle Funktion, die Differenzgleichung, die Kombination, die Variation
6 Obsah. Úvod Obyčejné vytvořující funkce Základní pojmy Zavedení obyčejné vytvořující funkce Aplikace vytvořujících funkcí Úlohy o posloupnostech Rekurentní vztahy Fibonacciho čísla Součtové vzorce Řešení lineárních diferenčních rovnic Základní pojmy Homogenní diferenční rovnice Nehomogenní dif. rovnice se speciální pravou stranou Homogenní dif. rovnice s nekonstantními koeficienty Nehomogenní dif. rovnice s nespeciální pravou stranou Kombinatorické úlohy Základní kombinatorické úlohy Celočíselné řešení rovnice Vlastnosti kombinačních čísel Aplikace v teorii pravděpodobnosti Exponenciální vytvořující funkce Zavedení exponenciálních vytvořujících funkcí Aplikace exponenciálních vytvořujících funkcí Stirlingova čísla Bellova čísla Závěr Seznam použité literatury... 74
7 . Úvod Vytvořující funkce jsou jakýmsi přemostěním mezi diskrétní matematikou a částí matematické analýzy. Jedná se o početní techniku, jejíž základní myšlenkou je přiřazení určité spojité funkce (tzv. vytvořující funkce) ke studované posloupnosti. Nijak se tím neztrácí původní posloupnost, protože informace o ní daná funkce v sobě obsahuje. Výhodou pak je, že úlohy o posloupnostech lze takto řešit využitím operací s funkcemi, což je mnohdy pohodlnější. Předkládaná diplomová práce se zabývá dvěma důležitými typy těchto funkcí, a to obyčejnými a exponenciálními vytvořujícími funkcemi. V první části práce je ukázán přechod od posloupností k vytvořujícím funkcím. Budou zde také uvedeny (a dokázány) jejich vlastnosti. Následovat pak budou aplikace, tedy ukázky použití při výpočtech, na které je tato práce především zaměřena. Na různých typech příkladů je předvedeno řešení úloh o posloupnostech, odvození některých součtových vzorců a také řešení diferenčních rovnic, vše samozřejmě za použití této početní techniky, která je v této oblasti poměrně nestandardní. Oblíbenou oblastí jsou také kombinatorické úlohy a teorie pravděpodobnosti, což je další látka, ve které vytvořující funkce naleznou své uplatnění. Ve 2. a 3. kapitole se práce zabývá obyčejnými vytvořujícími funkcemi, v další části se pak věnuje vytvořujícím funkcím exponenciálním. I ty naleznou uplatnění při různých výpočtech, o čemž se znovu na praktických příkladech přesvědčíme. V textu budou k nalezení též některé zajímavé posloupnosti. Bude se jednat o Fibonacciho posloupnost, Stirlingova a Bellova čísla. 7
8 2. Obyčejné vytvořující funkce 2.. Základní pojmy Ještě než zavedeme vlastní pojem obyčejné vytvořující funkce, připomeneme v této kapitole některé důležité definice a věty o posloupnostech, číselných a mocninných řadách, z nichž budeme pak v dalším textu vycházet. Definice 2... (posloupnost): Přiřadíme-li každému přirozenému číslu n číslo a n a čísla a n seřadíme podle rostoucích indexů, říkáme, že jsme utvořili posloupnost. Značíme ji ( ), (a, a 2, a 3,..., a n ) nebo také (a n ). Zpravidla používáme dva způsoby pro předpis posloupnosti: a) vzorcem vyjadřujícím n-tý člen posloupnosti (a n ) pomocí n, např. pro posloupnost všech přirozených lichých čísel je a n 2n,. b) vzorcem udávajícím rekurentní vztah pro ( +)-ní člen posloupnosti pomocí předcházejících k členů, přičemž jsou zadány počáteční členy a,..., a k. Například pro posloupnost lichých čísel je +2,. Definice (limita posloupnosti): Říkáme, že posloupnost ( ) má (konečnou, vlastní) limitu a (konverguje k číslu a), jestliže k libovolnému číslu ε > 0 existuje takové přirozené číslo n 0 (v obecném případě závislé na volbě čísla ε), že pro všechna > je < ε. Značíme lim. Definice Má-li posloupnost (konečnou) limitu, nazývá se konvergentní. V opačném případě je divergentní. Definice (nekonečná číselná řada): Budiž dána posloupnost ( ). Symbol + + 8
9 nazýváme řadou příslušnou dané posloupnosti. Součet nazýváme n-tým částečným součtem této řady a posloupnost ( ) označujeme jako posloupnost částečných součtů uvedené řady. Definice (konvergence řady): Je-li posloupnost částečných součtů ( ) řady konvergentní a má-li (konečnou) limitu s, tj. lim, říkáme, že řada je konvergentní a má součet s. Je-li posloupnost ( ) divergentní, pak také o řadě příslušné dané posloupnosti říkáme, že je divergentní. Např. pro geometrickou řadu + q + q je Je-li < q, pak ( ). lim a řada je konvergentní. Pro q je s n n, posloupnost částečných součtů tedy diverguje k +. Pro q - je s, s 2 0, s 3, s 4 0, posloupnost s n nemá limitu a řada je tudíž divergentní. Divergentní je samozřejmě též pro >. Pro zjištění konvergence řady se užívají různá kritéria. Uveďme zde alespoň jedno: Věta 2... (limitní podílové kritérium): Mějme řadu s kladnými členy a dále mějme lim. Pak pro L < je daná řada konvergentní, pro L > je konvergentní a pro L může být buď konvergentní nebo divergentní. Definice (absolutní konvergence číselné řady): Konverguje-li řada, () 9
10 potom konverguje také řada, (2) přičemž říkáme, že řada (2) konverguje absolutně (je absolutně konvergentní). Poznámka:. Obráceně to však neplatí, tj. konverguje-li řada (2), řada () nutně konvergentní být nemusí. Pokud tedy řada (2) konverguje a řada () diverguje, pak říkáme, že řada (2) konverguje neabsolutně. 2. Pro absolutně konvergentní řady platí asociativní, komutativní a distributivní zákony. Věta (součin řad): Pro absolutně konvergentní řady, platí. Definice (mocninná řada): Mocninnou řadou (se středem v bodě 0) budeme rozumět nekonečnou řadu tvaru + + +, kde ( ) je posloupnost reálných čísel a x je proměnná nabývající reálných hodnot. Uvedenou mocninnou řadu budeme zpravidla označovat a(x). Pro mocninné řady určujeme množinu M všech x, pro které je daná řada konvergentní. Pokud mocninná řada konverguje v bodě 0, pak konverguje absolutně pro všechna (, ). 0
11 Definice (poloměr konvergence): Největší vzdálenost bodu od počátku, pro které mocninná řada ještě konverguje, označujeme jako poloměr konvergence R a platí 0. V závislosti na poloměru konvergence R mohou nastat následující případy: a) R 0. Pak řada konverguje pouze v bodě 0. b) R > 0, reálné. Pak řada konverguje v (-R, R), přičemž konvergenci v krajních bodech je třeba vyřešit samostatně pomocí vhodného kritéria pro číselné řady. c) R +. Věta (určení poloměru konvergence): Nechť existuje (konečná, nekonečná) limita lim. Potom pro poloměr konvergence je, přičemž pro + klademe 0 a pro 0 je +. Věta (derivace mocninné řady): Mocninnou řadu derivujeme podobně jako mnohočlen, tedy člen po členu následujícím způsobem: ( ) ( ). přičemž takto nově vzniklá řada má stejný poloměr konvergence R jako řada původní. Věta (integrace mocninné řady): Mocninnou řadu integrujeme podobně jako mnohočlen, tedy člen po členu následujícím způsobem:
12 ( ) ( ) Věta (binomická věta): platí: ( + ) , kde číslům říkáme binomické koeficienty a počítáme přičemž 0 ( ), V textu budeme také značit (, ). Binomickou větu lze zobecnit také pro Zavedení obyčejné vytvořující funkce V této kapitole zavedeme tzv. obyčejné vytvořující funkce a budeme se zabývat jejich základními vlastnostmi, které se nám budou hodit pro budoucí výpočty. Na několika posloupnostech ukážeme způsob vytvoření jí odpovídající vytvořující funkce (popřípadě též obrácený postup), na závěr pak uvedeme jejich přehled. Poznámka: Na rozdíl od definice, uvedené v kapitole 2, budeme všude uvažovat, tj. symbolem ( ) budeme nyní označovat posloupnost (,,, ). Definice (obyčejná vytvořující funkce): Nechť ( ) je posloupnost reálných čísel. Vytvořující řadou této posloupnosti rozumíme mocninnou řadu
13 Je-li tato řada konvergentní pro nějaké 0, nazveme tuto řadu obyčejnou vytvořující funkcí této posloupnosti a budeme ji značit ( ). Má-li posloupnost ( ) jen konečně mnoho nenulových členů, její obyčejná vytvořující funkce je mnohočlen. Poznámka:. Dále v kapitolách 2. a 3. budeme obyčejné vytvořující funkce označovat jen jako vytvořující funkce. 2. Budeme-li chtít z vytvořující funkce zpětně určit posloupnost, kterou určuje, vyjdeme z Taylorova rozvoje dané funkce v bodě 0. Platí ( ) (0), ( kde ) (0) je označení pro n-tou derivaci v bodě Z konstrukce vytvořující funkce a z bodu 2 vyplývá, že vytvořující funkce k dané posloupnosti je určena jednoznačně. 4. Definiční obor vytvořující funkce je stejný jako obor konvergence příslušné řady. 5. Řady s poloměrem 0 do vytvořujících funkcí nezahrnujeme. 6. Zápisem ( ) ( ) budeme označovat vzájemně si odpovídající posloupnost a její vytvořující funkci. Příklad Jaká je vytvořující funkce posloupnosti (a n ), a n? Vytvořující řadou této posloupnosti je geometrická řada ( ) s kvocientem q x, která pro (,) má součet, vytvořující funkcí dané posloupnosti je tedy ( ). Základní vlastnosti vytvořujících funkcí: Nejprve označme (,,, ) a (,,, ) posloupnosti a a(x), b(x) k nim příslušné vytvořující funkce, tedy ( ) ( ), ( ) ( ). 3
14 . Sčítáme-li posloupnosti, odpovídá tomu též sčítání k nim příslušných vytvořujících funkcí. Tedy posloupnost (a 0 + b 0, a + b, a 2 + b 2,...) má vytvořující funkci a(x) + b(x). Důkaz: Utvořme posloupnost c n (a n + b n ). Její vytvořující funkci označme ( ). Pak ( ) ( + ) + ( )+ ( ). 2. Násobíme-li posloupnost reálným číslem α, odpovídá tomu též násobení k ní příslušné vytvořující funkce číslem α. Tedy posloupnost (αa 0, αa, αa 2,...) má vytvořující funkci αa(x). Důkaz: Vytvořující funkce dané posloupnosti je ( ). 3. Je-li n nějaké přirozené číslo, vytvořující funkce ( ) odpovídá posloupnosti (0, 0,..., 0, a 0, a, a 2,...), kde se číslo 0 vyskytuje právě n-krát (to je velmi užitečné pro posunutí posloupnosti doprava o potřebný počet míst). Důkaz: (0, 0,..., 0, a 0, a,...) + + ( + + ) ( ), kde n je počet nul na začátku posloupnosti. 4. Naopak, chceme-li posloupnost posunout doleva o potřebný počet míst, neboli získat vytvořující funkci pro posloupnost (,,, ), odečteme prvních k členů a následně budeme dělit danou vytvořující funkci. Tedy vytvořující funkcí takové posloupnosti je ( ). Důkaz: Vytvořující funkcí posl. (,,, ) je ( ). 5. Je-li a(x) (a n ), pak vytvořující funkcí pro posloupnost (a 0, αa, α 2 a 2,...) je a(αx). Důkaz: Daná posloupnost má vytvořující funkci 4
15 + + + ( ). 6. Je-li a(x) vytvořující funkcí posloupnosti (a n ), pak vytvořující funkcí pro posloupnost, v níž nk-tý člen bude roven k-tému členu původní posloupnosti a všechny ostatní členy budou nulové, je funkce ( ). Důkaz: ( ) (,0,0,,,0,0,,,0,0, ), kde se nuly mezi členy v dané posloupnosti vyskytují právě (n-)-krát. 7. Vytvořující funkcí pro posloupnost(( +) ) je funkce ( ). Důkaz: Daná posloupnost má vytvořující funkci ( +) ( ) ( ). 8. Vytvořující funkcí pro posloupnost částečných součtů, tj. (s 0, s, s 2,...) je ( ). Důkaz: Hledáme tedy vytvořující funkci pro posl. (, +, + +, ). Vytvořující řada bude tedy + ( + ) + ( + + ) +. Vytkneme a dostaneme (+ + + )+ (+ + + )+ (+ + + ) neboť ( )(+ + + ) ( ),, ( ). 5
16 9. Pro posloupnost (a n ), a n na n je vytvořující funkce ( ). Důkaz: Vychází z vlastností (3) a (7). 0. Násobení řad: ( ) ( ) vytváří posloupnost ( ), kde. Důkaz: Vychází ze součinu řad. Uveďme nyní několik příkladů, ke kterým nalezneme jim odpovídající vytvořující funkce. Při tomto výpočtu budeme vycházet ze vzorce pro součet geometrické řady a především z výše uvedených vlastností. Poznámka:. U všech zadaných posloupností je. 2. U nalezených funkcí se prozatím nebudeme zabývat jejich definičními obory, ty uvedeme až v závěrečném přehledu posloupností a jejich vytvořujících funkcí. Postup pro jejich určení pomocí poloměru konvergence byl uveden v kapitole 2.. Příklad Najděme vytvořující funkci k posloupnosti (a n ), a n (-) n Vytvořující řadou této posloupnosti je řada ( ) + + +( ) + Podle (5) je pak tedy vytvořující funkcí této posloupnosti ( ) +. Příklad Najděme vytvořující funkci k posloupnosti (a n ), a n n. Odvoďme nejprve vytvořující funkci pro posloupnost ( ), posloupnost přirozených čísel. Vytvořující řadou této posloupnosti je řada ( ) , což je Na první pohled je tedy vidět, že potřebného výsledku dosáhneme derivací vytvořující funkce posloupnosti (a n ), a n. Dostaneme tak ( ) ( ). 6
17 Tuto vytvořující funkci upravíme dle vlastnosti (3) a dostaneme požadovaný výsledek: ( ) ( ). Příklad Najděme vytvořující funkci k posloupnosti ( ), pro, 0. Vytvořující řadou této posloupnosti je řada ( ) ln( x) +, (,). Hodnotu konstanty C pak určíme z počáteční podmínky, takže 0. Příklad Najděme vytvořující funkci k posloupnosti (a n ), a n 2n +. Vytvořující řadou této posloupnosti je řada Tuto řadu můžeme upravit na ( ) (2 +) + ( ) +(+2) +(+4) + (+2 ) + Vidíme, že můžeme vyjít z vytvořující funkce samých jedniček a k ní přičítat násobky dvojek. Utvoříme si tak funkci ( ) ( ) + ( ), kde a dostaneme ( ) , ( ) ( ) ( ) + 2 ( ) + ( ). Příklad Najděme vytvořující funkci k posloupnosti ( ), a n je aritmetická posloupnost s předpisem +,. Vyjděme z předchozího příkladu, kde vlastně bylo,. Utvoříme si znovu funkci ( ) ( ) + ( ), kde 7
18 ( ) , ( ) ( ). a dostaneme ( ) + ( ). Příklad Najděme vytvořující funkci k posloupnosti ( ), a n je geometrická posloupnost s předpisem,. Podle (5) pro posloupnost ( ), je vytvořující řada ( ) a její vytvořující funkce ( ). Pak podle (2) pro hledanou posloupnost je vytvořující řada ( ) a její vytvořující funkce je tedy ( ). Příklad Najděme vytvořující funkci k posloupnosti ( ),, k 0,,..., n, pro >, je pevně dané číslo. Vytvořující řadou této posloupnosti je řada , kde po dosazení a, b x do binomické věty dostáváme danou vytvořující funkci, která tak je ( ) ( + ). 8
19 Příklad Najděme vytvořující funkci k posloupnosti ( ),. Odvoďme nejprve vytvořující funkci pro posloupnosti ( ), ( + ). Vytvořující řadou této posloupnosti je řada ( ) ( +) + ( +). Pro zjištění této vytvořující funkce posloupnosti druhých mocnin přirozených čísel opět začneme s posloupností jedniček, pro niž již vytvořující funkci známe, je to. Z předchozího víme, že první derivace dává posloupnost přirozených čísel, neboť Druhá derivace je ( ) ( ) a dává posloupnost (2., 3. 2, 4. 3,...). Člen s indexem k je (k + 2)(k + ) (k + ) 2 + k +. My ale potřebujeme ( +), takže ještě odečteme vytvořující funkci pro posloupnost (, 2, 3,...) a dostaneme vytvořující funkci pro posloupnost druhých mocnin přirozených čísel: ( ) kde ( +), k 0,, 2, 3,... Abychom dosáhli posloupnosti násobit x, a tedy 2 ( ) ( ),, musíme podle (3) ještě funkci b(x) ( ) 2 ( ) ( ). Příklad Najděme vytvořující funkci k posloupnosti ( ),. Opět nejprve odvoďme vytvořující funkci pro posloupnost třetích mocnin přirozených čísel, tedy ( ), ( +). Znovu vyjdeme z posloupnosti samých jedniček a její vytvořující funkce. První derivace této funkce dává ( ), což, jak již víme, je vytvořující funkcí posloupnosti přirozených čísel. 9
20 Druhá derivace je ( ) a dává posloupnost (2., 3. 2, 4. 3,...). Třetí derivace je ( ) a ta dává posloupnost (3. 2., , ,...). Člen s indexem n je (n + 3)(n + 2)(n + ) n 3 + 6n 2 + n + 6 (n + ) 3 + 3(n + ) 2 + 2(n + ). My ale potřebujeme ( +), takže odečteme ještě vytvořující funkce pro posloupnost 3(, 4, 9,...) a 2(, 2, 3,...). Dostaneme tak výslednou posloupnost ( ) 6 ( ) 3 2 ( ) ( ) 2 ( ) 6 ( ) 6 ( ) + ( ). Abychom dostali posloupnost a n n 3, musíme podle (3) ještě celou posloupnost posunout o jednu pozici doprava a tedy násobit x. Dostaneme pak požadovanou vytvořující funkci: ( ) 6 ( ) 6 ( ) + ( ). Poznámka: Vytvořující funkce předchozích dvou posloupností lze spočítat také jiným způsobem, budeme-li vycházet z prostého faktu, že.,.. Z předchozího textu víme, že ( ) ( ) ( ),. Pak podle (9) je ( ) ( ) (( ) +2 ( )) ( ) ( ),. (( )+2 ( ) (+ ) ( ) Podobně podle (9) je také ( ) ( ) (( ) (+2 )+3 ( + )( ) ) ( ) (( )(+2 )+3 +3 ) ( ) ( ),. ( +4 +) ( ) Po úpravě lze ověřit, že tyto výsledky jsou s předchozími shodné. Mohlo by se zdát, že druhá metoda je jednodušší, nicméně tvar funkce získaný prvním 20
21 postupem pro nás bude výhodný v kapitole 3.2., kde budeme odvozovat součtové vzorce těchto řad. Vytvořující funkce některých zajímavých posloupností můžeme získat též z Taylorova rozvoje známých funkcí. Definice V případě existence derivací všech řádů funkce ( ) v bodě lze Taylorovu řadu zapsat jako ( ) ( ) + ( ) ( ) + ( ) ( ) + 2 ( ) ( ) ( ) + 3 ( ) ( ) ( ). Příklad Taylorův rozvoj funkce ( ) v bodě 0. ( ) pro ( ),. Příklad Taylorův rozvoj funkce ( ) sin v bodě 0. ( ) ( ) (2 +), ( ) 0,,0, 3,0, 5,0, 7,. Příklad Taylorův rozvoj funkce ( ) cos v bodě 0. ( ) ( ) (2 ), ( ),0, 2,0, 4,0, 6,. 2
22 Příklad Taylorův rozvoj funkce ( ) ln(+ ). ( ) ( ), (,> ( ), ( ),, 0. Protože v následující kapitole budeme mnohé ze zde spočítaných vytvořujících funkcí využívat v příkladech, uveďme si na závěr této kapitoly, ještě jejich přehled vč. definičních oborů. Poznámka: V přehledu je u všech předpisů pro posloupnosti. 22
23 Přehled posloupností a jejich vytvořujících funkcí Posloupnost Vytv. funkce Definiční obor ( ), ( ) (-, ) ( ),, ( ) (-, ) ( ), ( ) ( ) (-, ) ( ),, ( ), ( ), ( ) ( ) (-, ) ( ),,, 0 ( ) ln ( ) (-, ) ( ), 2 + ( ) ( ) (-, ) ( ), ( ) ( ) ( ) (-, ) ( ), ( ) ( ) ( ) (-, ) ( ), ( ) R ( ) (0,,0,,0, ( ) (,0,,0, ( ), ( ),, ) ( )sin R, ) ( )cos R, 0 ( )ln(+ ) (, ( ),, 0,,,, 0 pro >, pevné ( ) ( + ) R 23
24 3. Aplikace vytvořujících funkcí Tato kapitola bude tvořit nejrozsáhlejší část naší práce. Předchozí teorii jsme samozřejmě nerozvíjeli nadarmo, výsledky, jichž jsme dosáhli, zde výhodně využijeme. 3.. Úlohy o posloupnostech Na tomto místě nás čeká řešení rekurentních vztahů. Znalosti, které nabydeme, se nám budou hodit ve druhé části, kde se setkáme se známou posloupností Fibonacciho čísel. To vše samozřejmě za použití vytvořujících funkcí Rekurentní vztahy Jak jsme již zmínili v úvodu, posloupnost může být zadána buď explicitním vzorcem nebo rekurentně, kdy udáváme vztah pro daný člen pomocí členů předcházejících za určitých, tzv. počátečních podmínek. Druhá varianta však skýtá nevýhodu v pracnosti výpočtu jednotlivých členů dané posloupnosti, kdy bychom museli postupovat po jednotlivých členech. V této kapitolce si tedy na příkladech různých typů ukážeme, jak za pomoci vytvořujících funkcí převést rekurentní vyjádření posloupnosti na její explicitní tvar. Příklad 3... Mějme posloupnost (zadanou rekurentně) 3 4 s počáteční podmínkou. Spočítejme pomocí vytvořujících funkcí explicitní vzorec pro n-tý člen této posloupnosti. Nejprve si všechny členy vynásobíme a sečteme : 3 4. Podle vlastnosti (4) určíme vytvořující funkce pro každý člen této rovnice, následně pak vyjádříme vytvořující funkci ( ) pro zadanou posloupnost ( ): 24
25 ( ( ) ) 3 ( ) 4 ( ) 3 ( ) 4 + ( ) 4 ( )( 3 ) + 3. První zlomek rozložíme na parciální zlomky, do druhého doplníme počáteční podmínku: kde A 2, B -2. Dostáváme tak 4 ( )( 3 ) + 3, ( ) Z předchozího víme, že ( ) ( ), 2, ( ) 3 ( ), 3. Dostáváme tak vyjádření n-tého členu zadané posloupnosti: 2 3,. Příklad Najděme explicitní vyjádření n-tého členu posloupnosti ( ) zadané vztahem 5 6 s počátečními podmínkami 2, 3. Vytvořující funkce pro jednotlivé členy budou 5 6. Podle vlastnosti (4) je ( ( ) ) 5 ( ( ) ) 6 ( ) ( ) Odsud je tedy hledaný vzorec ( ) 5 ( ) +6 ( )
26 Příklad Najděme explicitní vzorec pro n-tý člen posloupnosti ( ) zadané vztahem 2 +3 za poč.podmínky 0. Vynásobíme a sečteme pro všechna n: 2 +3 ( ( ) ) 2 ( )+3( ) ( ) Což dává hledaný vzorec 3 ( ) ( 2 ) ( ) ( +) Fibonacciho čísla Na této známé posloupnosti si předvedeme i jiný možný způsob nalezení vytvořující funkce. Dále ukážeme, že pomocí vytvořujících funkcí můžeme dokazovat i některé vlastnosti posloupností. Fibonacciho čísla jsou tvořeny rekurentním vztahem + pro n 2 a počátečními podmínkami F 0 0, F. Formální vytvořující řada Fibonacciho čísel je tedy ( ). Tedy f(x) F 0 x 0 + F x + F 2 x F i x i +... /.x xf(x) F 0 x + F x F i- x i +... /.x 26
27 x 2 f(x) F 0 x F i-2 x i +... (x+x 2 )f(x) F 0 x + (F 0 +F )x (F i- +F i -2)x i +... F 2 x F i x i +... Dostáváme tak f(x) xf(x) + x 2 f(x) + F 0 x 0 + F x xf(x) + x 2 f(x) + x (neboť F 0 0, viz def.). Odtud ( ). Lze dokázat, že ( ) lze napsat ve tvaru kde ( ) 5, Podle vlastnosti (5) tak máme, ± ( ), a tak dostáváme explicitní vzorec pro n-tý člen Fibonacciho posloupnosti 5 ( ). Fibonacciho čísla mají některé zajímavé vlastnosti, z nichž některé si na následujících řádcích pomocí vytvořujících funkcí dokážeme: Příklad Dokažme, že platí Označme si jako součet prvních n Fibonacciho čísel. Pak tedy podle vlastnosti (8) je 27
28 ( ) ( ) ( )( ). Pro pravou stranu našeho vztahu máme dle vlastnosti (4): což si nyní upravíme: ( ), + ( ) ( ) ( )( ) ( )( ), čímž jsme daný vztah dokázali. Příklad Dokažte, že platí Utvořme si nejprve vytvořující funkce pro obě strany rovnice:. K nalezení vytvořující funkce pro tento součet si nejprve odvoďme vztahy mezi lichými členy Fibonacciho čísel a následně jejich vytvořující funkci: ( + ) + 3( ) + 3, což dává rekurentní vztah 3,tj. 3 s poč. podmínkami, 2. Jako obvykle tedy vynásobíme všechny členy rovnice a sečteme: 3 ( ( ) ) 3 ( ( ) ) ( ) ( )( 3 + ) ( )
29 a podle vlastnosti (8) je tak ( ) 3 +. Abychom získali vytvořující funkci pro pravou stranu, zaveďme si nejprve posloupnost. Zde potřebujeme nejprve odvodit vztahy mezi sudými členy Fibonacciho posloupnosti, což nám opět dá rekurentní vztah, ze kterého získáme vytvořující funkci pro danou posloupnost: což dává rekurentní vztah 3,resp. 3 s počátečními podmínkami 0,. Pak tedy 3 ( ( ) ) 3 ( ( ) ) ( ) ( )( 3 + ) ( ) 3 +. Pro získání vytvořující funkce posloupnosti musíme podle vlastnosti (4) ještě učinit jednoduchou úpravu: ( ( ) ) 3 +, což dává stejný výsledek, jako na levé straně a tím je rovnost ověřena. Příklad Dokažte, že platí Označme si. 29
30 a vytvořující funkci této posloupnosti Dále si označme ( ) ( ). 3 + ( 3 + )( ). a její vytvořující funkci Pak na pravé straně dostáváme ( ) ( ) ( 3 + ), ( 3 + )( ) ( 3 + )( ) čímž je daná rovnost ověřena. Poznámka: Všechny uvedené vztahy lze samozřejmě dokázat i jinými způsoby, například přímo z rekurentních vztahů nebo matematickou indukcí Součtové vzorce Použití vytvořujících funkcí je jedna z metod, jak získat explicitní vyjádření některých součtových vzorců, což si ukážeme v této kapitole. K tomu bude potřeba odvodit následující vztah, jak je uvedeno v [9]: Nejprve ozn.: [ ], jako koeficient u k-té mocniny x, tedy. Vyjdeme z posloupnosti ( ), ( + ) (, (+ ),(+ ),(+ ), ). Zaveďme navíc jednu proměnnou, např. y. Podle (5) platí Zavedením proměnné y a substitucí dostaneme +(+ ) +( + ) +( + ) + Hledejme koeficient u x k : ( ( + ). [ ] ( ). [ ].( ) ( ). Koeficient (+ ) si můžeme nahradit podle binomické věty a dostaneme 30
31 (+ ) (, ), odkud [ ] (+ ) (, ). Odtud dostáváme následující vztah: (, ) ( ), který si samozřejmě pro potřeby pozdějšího užití můžeme přepsat na (, ) ( ). () Příklad Odvoďme vzorec pro. Vytvořující funkce pro posloupnost (a n ), a n n je ( ), z čehož podle (8) vyplývá, že vytvořující funkce pro posloupnost částečných součtů s n, (n 0,, 2,...) je ( ). Hledáme koeficient u n-té mocniny. Položme k 2 do vztahu () a dostaneme ( ) (,2) ( +,2). Hledaný koeficient tedy bude ( +,2) ( +) 2. 3
32 Vzorec, který jsme hledali, je tak ( +) 2. Příklad Odvoďme vzorec pro. Vytvořující funkce pro posloupnost (a n ), a n n 2 je 2 ( ) ( ). Vytvořující funkce pro posloupnost součtů posloupnosti ( ), tedy posloupnost (0,, 5, 4,...) je tak podle (8) 2 ( ) ( ). Do vztahu () dosadíme postupně k 3, k 2: 2 ( ) ( ) 2 (,3) (,2). Dostáváme tedy 2 ( ) ( ) 2 (,3) (,2) 2 ( +2,3) ( +,2) koeficient u x n je pak Po jednoduchém výpočtu dostaneme Výsledný vzorec je tedy 2 ( +2,3) ( +,2). ( +2)( +) 2 6 ( +)
33 Příklad Odvoďme vzorec pro. Vytvořující funkce pro posloupnost ( ), je 6 ( ) 6 ( ) + ( ). Vytvořující funkce pro posloupnost součtů posloupnosti ( ) je tedy podle vlastnosti (8) zřejmě 6 ( ) 6 ( ) + ( ). Do vztahu () dosadíme postupně k 4, k 3, k 2: 6 ( ) 6 ( ) + ( ) 6 (,4) 6 (,3) + (,2). Dostaneme tak 6 ( ) 6 ( ) + ( ) 6 (,4) 6 (,3) + (,2) 6 ( +3,4) 6 ( +2,3) + ( +,2). Zjistíme koeficient u x n, tedy ( +3)( +2)( +) ( +2 +). 4 6( +2)( +) ( +) 2. 33
34 Hledaný vzorec je tedy ( +2 +). 4 Pozn.: Podobným způsobem lze samozřejmě počítat součty dalších mocnin přirozených čísel. Příklad Najděme vzorec pro n-tý člen součtu ( ). Utvoříme si nejprve vytvořující funkce pro posloupnosti ( ),, ( ), ( ). Z předchozího textu víme, že ( ) ( ) 2 ( ) ( ) (+ ) ( ),( ) ( ) +. Využijeme toho, že ( ) Dále podle vlastnosti (0) je ( ) ( ) (+ ) ( ). + ( ). ( ) ( ) ( ) ( ) Dosadíme do vzorce () a dostaneme ( ) (,2) ( +,2) Hledaný vzorec tedy bude ( +,2) ( +) 2. ( ) ( ) ( +) 2. 34
35 Pozn.: Obdobně bychom postupovali při počítání explicitního vzorce ( ). V této kapitole jsme tedy ukázali, že odvození některých součtových vzorců pomocí vytvořujících funkcí je poměrně snadná, v podstatě jen technická záležitost. Zjevnou nevýhodou této metody ovšem je, že nemusí být vždycky snadné najít potřebný (n-k)-tý člen posloupnosti, která se v součtu objeví Řešení lineárních diferenčních rovnic Diferenční (někdy též rekurzivní) rovnice jsou takové rovnice, kde hledáme vzorec pro n-tý člen posloupnosti čísel splňující jistý daný vztah. Najdeme-li takový vzorec, říkáme, že jsme vyřešili danou diferenční rovnici. Cílem této kapitoly bude ukázat, jak takový vzorec najít pomocí vytvořujících funkcí Základní pojmy Definice (diference posloupnosti): Mějme posloupnost ( ). Číslo se nazývá diference posloupnosti ( ) v bodě. Definice (lineární diferenční rovnice): Rovnice () pro 0 se nazývá lineární diferenční rovnice k-tého řádu s konstantními koeficienty. Jejím řešením je každá posloupnost ( ), která vyhovuje této rovnici (tato rovnice se nazývá lineární, protože v rovnici se vyskytuje pouze lineární kombinace členů hledané posloupnosti). Posloupnosti ( ) říkáme pravá strana diferenční rovnice. Rovnicí () ovšem není jednoznačně dáno její řešení. K tomu, aby existovala jediná posloupnost splňující danou rovnici, musíme ještě zadat tzv. počáteční podmínky, tj. hodnoty prvních k členů hledané posloupnosti. 35
36 Homogenní diferenční rovnice Definice V případě, že v rovnici () je posloupnost ( ) nulová, tj. platí 0, nazývá se tato rovnice homogenní lineární diferenční rovnice (někdy též rovnice bez pravé strany). Tyto rovnice se obvykle řeší pomocí metod diferenčního počtu, které využívají následující definici a větu: Definice (charakteristická rovnice): Rovnice se nazývá charakteristická rovnice homogenní diferenční rovnice. Věta Jestliže číslo λ je r-násobný reálný kořen charakteristické rovnice, pak posloupnosti ( ), ( ),..., ( ) jsou lineárně nezávislá řešení dané homogenní diferenční rovnice. Každé řešení homogenní lineární diferenční rovnice je pak lineární kombinací všech lineárně nezávislých řešení. My však na tomto místě ukážeme jiný postup, jak lze danou diferenční rovnici řešit. Stanovíme si vytvořující funkce pro každý člen dané rovnice, vyjádříme si pak na levé straně y(x) a daný výsledek převedeme zpět na posloupnost. Příklad Najděme řešení diferenční rovnice pro poč. podmínky, 0. Celou rovnici vynásobíme a sečteme pro všechna n, což nám dá vytvořující funkce pro jednotlivé členy dané rovnice: což podle vlastnosti (4) dává ( ( ) ) 3 ( ( ) ) +2 ( )0. zbývá vyjádřit funkci ( ): ( ) 3 ( ( ) ) +2 ( )0, 36
37 ( ) Po rozkladu na parciální zlomky dostaneme 3 (2 )( ). ( ) Podle známých vytvořujících funkcí tak již můžeme dostat hledaný vzorec, Nehomogenní dif. rovnice se speciální pravou stranou Jedná se zde tedy o rovnice, jejichž pravá strana je nenulová, nicméně je pro výpočet přijatelná. Tento typ rovnic se standardně řeší přes diferenční počet, jehož teorie je velmi obsáhlá. My si zde pro srovnání tento výpočet také předvedeme a následně ukážeme, jak stejný příklad řešit pomocí vytvořujících funkcí. Definice Je-li v rovnici () posloupnost ( ) nenulová, nazývá se tato rovnice nehomogenní lineární diferenční rovnice. Jestliže v této rovnici vynulujeme její pravou stranu, získáme k ní přidruženou homogenní diferenční rovnici. Věta Je-li pravá strana nehomogenní lineární diferenční rovnice ve tvaru ( ), kde P je polynom, pak jedno konkrétní řešení dané rovnice odhadujeme ve tvaru:. ( ), jestliže λ není kořen charakteristické rovnice. 2. ( ), jestliže λ je k-násobný kořen charakteristické rovnice. V obou těchto případech je Q polynom stejného stupně jako P, ale s obecnými koeficienty. Věta Výsledné řešení nehomogenní lineární diferenční rovnice je ve tvaru +. 37
38 Příklad Najděme řešení diferenční rovnice 4 2 pro počáteční podmínky 0, 0. Srovnejme si tedy nyní dva možné způsoby výpočtu této diferenční rovnice, začněme tradiční metodou: a) Řešení dle teorie diferenčního počtu: Nejprve vyřešme přidruženou homogenní diferenční rovnici 4 0. K jejímu vyřešení budeme potřebovat vyřešit tzv. charakteristickou rovnici. 40 a její kořeny, ±2, což nám dává řešení naší přidružené homogenní dif. rovnice 2 + ( 2). Nyní metodou odhadu pro pravou stranu potřebujeme získat jedno řešení dané nehomogenní rovnice. V našem případě je z věty zřejmě, 2, tedy je -násobný kořen charakteristické rovnice. Proto..2. Dosazením tohoto řešení spolu s počátečními podmínkami do zadané rovnice vznikne rovnice o třech neznámých,,, kterou vyřešíme a dostaneme tak hledané řešení:.2 + ( 2) 0,.2+ ( 2) +2 0, ( +2) Ze třetí rovnice je rovnou, což po doplnění do prvních dvou rovnic dává,. Naším řešením je tak dle věty ( 2) ( )
39 I tyto rovnice však lze samozřejmě řešit pomocí vytvořujících funkcí, a to podobným postupem jako rovnice homogenní: b) Najděme řešení stejné diferenční rovnice pomocí vytvořujících funkcí, tedy znovu 4 2 pro počáteční podmínky 0, 0. Vynásobíme a sečteme : 4 2. Spočítáme vytvořující funkce pro jednotlivé členy rovnice a dostaneme ( ( ) ) 4 ( ) 2. Po dosazení počátečních podmínek a jednoduchých úpravách máme ( ) ( 2 ) (+2 ) ( 2 ) Zbývá určit posloupnosti, které nám jednotlivé členy určují. Pro první a třetí člen je již známe, druhý člen musíme spočítat, otázka tedy zní, jakou posloupnost vytváří funkce Zde vyjdeme z posl. ( ), Derivace je ( ) kde ( ), ( +)2. 8 ( 2 ). 2 a tedy ( ) 2 2 ( ). 2 ( 2 ) ( +)2 ( ), 39
40 Hledaná posloupnost je tedy ( ) ( +) ( ) ( ) +2 6 což je samozřejmě stejné řešení jako v předchozím případě., Povšimněme si několika rozdílů mezi oběma metodami řešení této diferenční rovnice. Zatímco v prvním případě jsme nejprve museli vyřešit homogenní rovnici, abychom se posunuli dále, při řešení přes vytvořující funkce počítáme rovnou také s pravou stranou. Též počáteční podmínky při řešení pomocí vytvořujících funkcí vstupují do hry prakticky hned od začátku, kdežto v prvním případě až později. Při řešení diferenční rovnice klasickou metodou se dostaneme též k řešení rovnic o několika neznámých, kdežto u vytvořujících funkcí se obvykle dostaneme k rozkladu na parciální zlomky. Drobnou nevýhodou řešení přes vytvořující funkce je to, že musíme umět zpětně nalézt posloupnost k výsledné vytvořující funkci, což obecně nemusí být vůbec snadná záležitost. Pracnost obou přístupů je zde víceméně stejná Homogenní dif. rovnice s nekonstantními koeficienty Samozřejmě, že koeficienty u posloupností v diferenčních rovnicích nemusí být nutně konstantní. V takovém případě bychom s řešením pomocí charakteristické rovnice neuspěli. Přesto máme po ruce velmi kvalitní nástroj, jak někdy takové rovnice, které konstantní koeficienty neobsahují, spočítat. Tímto nástrojem jsou samozřejmě vytvořující funkce. Na příkladu ukážeme zajímavý postup, jak se k řešení diferenční rovnice dostáváme pomocí jednoduché rovnice diferenciální. Příklad Najděme řešení diferenční rovnice pro počáteční podmínku y
41 Pro druhý člen naší rovnice bychom hledali vytvořující funkci poměrně složitě, proto se nejdříve zbavíme zlomku: 3( +) 2 0. Pak tedy podle vlastnosti (7) máme 3 ( ) 2 ( ) 0 s počáteční hodnotou vytvořující funkce y(0), což je klasická diferenciální rovnice, kterou snadno vyřešíme metodou separace proměnných: 3 2, 3 2, Úpravou získáme obecné řešení rovnice 2 3, 0, 2 3 +,., 0. Přidáním singulárního řešení 0 dostáváme všechna řešení rovnice ve tvaru,. Dosazením počáteční podmínky dostaneme K a tedy máme. Taylorův rozvoj této funkce je , což dává hledanou posloupnost 2 3. Protože jsme pro řešení této diferenční rovnice použili dosti netypický postup, ověříme si ještě správnost řešení zkouškou: 4
42 L 2 2 ( +) ( +) P. Výsledná posloupnost vyhovuje i zadané počáteční podmínce Nehomogenní dif. rovnice s nespeciální pravou stranou V kapitole jsme si ukázali výpočet diferenčních rovnic, které měly na své pravé straně pro daný výpočet přijatelně vypadající posloupnost. Nyní na tomto místě předvedeme, že vytvořující funkce nám umožňují spočítat i takové diferenční rovnice, které na své pravé straně mají posloupnost, která na první pohled nemusí nutně být hezky vypadající, což je další případ diferenčních rovnic, které nelze řešit pomocí charakteristické rovnice. Při tomto postupu potřebujeme často najít vhodné vyjádření vytvořující funkce k součinu mocninných řad, a proto může vyjít výsledné řešení ve tvaru součtu n, popřípadě (n + ) členů. Příklad Najděme řešení diferenční rovnice pro počáteční podmínku 0: Rovnici vynásobíme a sečteme : , což dává vytvořující funkce pro jednotlivé členy rovnice: ( ( ) ) 2 ( ) +2. Po roznásobení a dosazení poč. podmínky dostáváme vytvořující funkci pro námi hledanou posloupnost: ( ) 2 ( ) +2, 42
43 ( )( 2 ) +2, ( ) Pro první činitel je , čímž dostáváme , což dává námi hledanou posloupnost Příklad Najděme řešení diferenční rovnice pro počáteční podmínku 0. 3 Jako obvykle vynásobíme a sečteme : 3. Pro každý člen posloupnosti uděláme vytvořující funkci: ( ( ) ) 3 ( ), kde po roznásobení a dosazení poč. podmínky dostaneme vyjádření vytvořující funkce pro hledanou posloupnost: ( ) 3 3. Tento výsledek si můžeme vhodně rozepsat jako součin dvou mocninných řad 43
44 3, kde si ještě prvního činitele musíme upravit: ( +) ( +) a dostaneme tak což dává výsledek hledané posloupnosti: 3. Postup řešení jsme zde ukázali na dvou jednodušších příkladech, ale z uvedených výpočtů je zřejmé, že tuto metodu by bylo možno použít i na rovnice, které mají na pravých stranách výrazy složitější. Na závěr této kapitoly uveďme ještě malé srovnání řešení diferenčních rovnic pomocí vytvořujících funkcí a klasického řešení podle teorie diferenčního počtu. Jak jsme již uvedli u nehomogenních rovnic, rozdíl je především při práci s pravou stranou a s počátečními podmínkami. Je také vidět, že při různém způsobu řešení se dostáváme k různých typům výpočtů (např. rozklad na parciální zlomky vs. řešení rovnic o více neznámých). Jak si můžeme povšimnout u dalších příkladů, řešení některých rovnic klasickou metodou by bylo na rozdíl od řešení pomocí vytvořujících funkcí velmi obtížné nebo by dokonce vůbec nebylo možné (především tedy řešení diferenčních rovnic s jinou než speciální pravou stranou). Řešení pomocí vytvořujících funkcí se tedy jeví jako univerzálnější Kombinatorické úlohy Pomocí vytvořujících funkcí můžeme také poměrně snadno řešit různé kombinatorické úlohy, jak si ukážeme v této kapitole. 44
45 3.4.. Základní kombinatorické úlohy Kombinatorika je poměrně oblíbenou součástí matematiky. V této kapitole si ukážeme trochu netradiční přístup při výpočtu tohoto typu úloh. Bude to samozřejmě za použití vytvořujících funkcí. Častým typem příkladů je násobení polynomů, což si zde na úvod předvedeme. Příklad Určete koeficient u ve výraze ( ). Zde nás tedy nezajímá přímo výsledek tohoto násobení, ale pouze příslušný koeficient. Ten však samozřejmě nebudeme hledat roznásobováním, máme totiž snadnější způsob řešení, a to přes vytvořující funkce. Nejprve si tedy určeme vytvořující funkci pro daný výraz, což je ( ). ( ) Nyní hledejme obecně koeficient u n-té mocniny, což vede na již známý vzorec () z kapitoly 3.2. Dosaďme si do tohoto vzorce k 3 a dostaneme (,3) ( ). Po úpravě na náš příklad tedy máme ( ) (,3) ( 5,3). Obecně tedy koeficient u n-té mocniny v našem výrazu je [ ] 5 3 V našem případě je n 5 a tedy výsledek [ ] Důležitým typem kombinačních úloh je také určování počtu kombinací. Připomeňme nejprve příslušné definice: 45
46 Definice (kombinace bez opakování): Označme M množinu obsahující m různých prvků. Kombinací k-té třídy z m prvků nazýváme každou k-tici navzájem různých prvků z množiny M. Poznámka: Úlohy vedoucí na tento typ příkladů zde nebudeme uvádět, neboť jsou snadno řešitelné pomocí kombinačních čísel. Definice (kombinace s opakováním): Mějme k dispozici m různých druhů prvků (obecně v neomezeném množství ). Kombinací k-té třídy z m prvků s opakováním nazveme libovolnou k-tici sestavenou z prvků uvedených m druhů, přičemž na jejich pořadí nezáleží. Poznámka: I pro tyto typy úloh samozřejmě existují vzorce s kombinačními čísly, nicméně právě zde můžeme poměrně výhodně využít vytvořující funkce. Nastiňme si zde tedy obecný postup při takovém řešení. Obecně při něm využíváme toho, že každou kombinaci k-té třídy s opakováním lze reprezentovat součinem, kde a čísla udávají počet výskytů i-tého prvku v dané kombinaci. Pak počet všech kombinací k-té třídy z m prvků odpovídá počtu možností, jak získat člen roznásobením m závorek (+ + + ), a to je právě koeficient u v roznásobeném součinu. V příkladech tedy zvolíme vhodné mnohočleny, jejich součin vyjádříme ve tvaru vytvořující funkce a pomocí ní hledaný koeficient snadno určíme. Příklad Mějme množinu prvků A, dále množinu prvků B a dále množinu prvků C. Kolik existuje možností pro výběr pěti prvků z těchto množin? Pozn.: V tomto případě jde tedy o počet kombinací 5-té třídy ze tří prvků s opakováním. Každou množinu budeme tedy charakterizovat mocninnou řadou. Protože zde nemáme žádné omezení, bude každá mocninná řada začínat jedničkou. Hledejme tedy koeficient u v součinu (+ + + )( )( ). 46
47 Tento výraz samozřejmě nebudeme roznásobovat, raději přepíšeme všechny činitele do zkráceného tvaru, který se bude posléze násobit snadněji: ( ) ( ). Zde vyjdeme z druhé derivace výrazu ( ) 2 a dostaneme jednoduše ( +2)( +), a protože hledáme koeficient u, dosadíme 5 a výsledkem bude [ ] Příklad Mějme nyní 7 prvků v množině A, 6 prvků v množině B a 4 prvky v množině C. Kolik existuje možností pro výběr pěti prvků z těchto množin, přičemž z každé množiny musíme vybrat alespoň prvek? Výsledkem bude opět koeficient u, tentokráte ovšem musí ve výběru být alespoň jeden prvek z každé skupiny, proto všechny mnohočleny musí začínat členem, neboť stupeň mocniny musí odpovídat počtu prvků ve skupinách: ( )( )( ). Tento součin upravíme na.. ( ). 2 ( +2)( +), kde po dosazení 2 dostaneme výsledek, kterým je Vytvořující funkce lze velmi dobře aplikovat na klasické kombinatorické úlohy (ať už s různými omezeními pro počty prvků z jednotlivých skupin nebo bez nich), což si v následujícím textu předvedeme: 47
48 Příklad Ve školní jídelně je na výběr mezi čtyřmi různými obědy. Kolik různých kombinací obědů mohou kuchařky uvařit pro 50 žáků? Obědů mohou kuchařky uvařit nekonečně mnoho, proto naší vytvořující funkcí bude nekonečný mnohočlen. Výsledkem bude, podobně jako u předcházejících příkladů, koeficient u 50-té mocniny v součinu (+ + + ), který si lze přepsat na ( ), což můžeme spočítat podle známého vzorce a nebo trojím derivováním výrazu : dává Znovu zderivujeme a dostaneme ( ) ( +). ( ) 2 Třetí derivace dává ( +) 2 ( +2)( +). ( ) 6 ( +3)( +2)( +). Jelikož hledáme koeficient u 50-té mocniny, výsledkem bude Kombinatorické příklady samozřejmě často obsahují různá omezení na počty prvků z dané skupiny, kdy můžeme omezovat jejich maximální i minimální počet. Následující dva příklady ukazují kombinaci těchto omezení. 48
49 Příklad Vedoucí dětského tábora se vydal koupit tatranky pro 30 dětí. Na výběr měl arašídové, čokoládové a ořechové. Chtěl koupit od každého druhu alespoň 5 kusů a zároveň maximálně 0 kusů ořechových. Kolik měl pro svůj nákup možností? Řešením bude zřejmě koeficient u v součinu ( )( )( ). Všechny mnohočleny si vyjádříme ve tvaru zkráceného zlomku, dostaneme tak.. ( ) ( ). 2 ( +2)( +). Hledáme koeficient u výsledek, po dosazení příslušných n dostaneme požadovaný Příklad Městský dopravní podnik vlastní 7 patrových autobusů, 0 mikrobusů a harmonik. Ve 3 hodiny odpoledne má vyjet 7 autobusů. Spočítejme, kolik je možných kombinací pro zajištění dopravní obsluhy, jestliže víme, že harmonikou může jezdit pouze 5 řidičů a 2 trasy mohou být obslouženy pouze mikrobusem. Jako obvykle hledáme koeficient u příslušné mocniny, v tomto případě tedy u v součinu ( )( + + )( ). Jednotlivé činitele opět převedeme na zkrácený tvar kvůli snadnějšímu násobení a dostaneme tak.. ( ) ( ). V prvním činiteli nás samozřejmě členy s vyšší, než 7-tou mocninou nezajímají (vzhledem k hledanému řešení), druhý činitel upravíme podle druhé derivace výrazu, dostaneme tak ( ) 2 ( +2)( +), 49
50 kde postupným dosazováním za n dojdeme k hledanému řešení ( )2. 2 Na závěr této kapitoly ještě ukažme příklad, kdy neomezujeme pouze maximální a minimální počet prvků z dané množiny, ale také máme požadavek, kolikačlenné skupiny prvků se mohou ve výsledné kombinaci vyskytovat. Příklad V hotelu je k mání 4 jednolůžkových pokojů. kategorie, 9 dvoulůžkových pokojů 2. kategorie a 6 dvoulůžkových pokojů 3. kategorie. Spočítejme, kolika možnými způsoby lze obsadit hotel třiceti turisty, jestliže víme, že již dopředu je objednáno 6 pokojů. kategorie. Hledáme tak koeficient u v součinu ( )( )( ), který si přepíšeme na tvar součinu zlomků ( ) ( ). ( ). Vzhledem k hledané mocnině nás samozřejmě další členy v prvním činiteli již nemusí zajímat. Druhý činitel si podobně jako v předchozím příkladě upravíme za pomoci dvojí derivace výrazu a dostaneme tak ( ). 2 ( ). Postupně dosadíme 4, 9, 7, 2 a dostaneme [ ] , což je právě počet hledaných kombinací obsazenosti hotelu 30-ti turisty. 50
51 Celočíselné řešení rovnice Vytvořující funkce nám též umožňují zjistit počet celočíselných řešení rovnice o několika neznámých. Příklad Určeme počet celočíselných řešení rovnice ,,,. V podstatě tedy řešíme otázku, kolika různými způsoby lze nakombinovat čísla 2, 3 a 6 tak, aby daly součet 200. Hledáme tak koeficient u v součinu ( )( )( ), který si přepíšeme na zkrácený tvar... Zde asi nejlepším způsobem je rozšířit zlomky tak, aby měly stejného jmenovatele, máme tak ( ). ( ). Druhého činitele si upravíme pomocí derivací výrazu dává 6 ( ) 6. Obě strany rovnice vydělíme 6 a máme Znovu zderivujeme, dostaneme ( ). 2 ( ) (6 6), což po vydělení 2 dává 5
52 ( ) 2 ( ), takže po dosazení zpět do našeho výpočtu máme ( ). 2 ( ), kde vzhledem k hledané mocnině dosadíme 35 a dojdeme tak k výsledku , což je právě počet celočíselných řešení naší rovnice. Poznámka: Koeficient u v součinu ( ). ( ) bychom mohli samozřejmě najít též pomocí substituce do nám známého vzorce () z kapitoly 3.2. Klasickým kombinatorickým příkladem je tzv. rozměňování bankovek. Příklad Kolika způsoby lze rozměnit stokorunu na pětikoruny, desetikoruny a dvacetikoruny? Hledáme tedy všechna celočíselná řešení rovnice , kde je počet pětikorun, počet desetikorun a počet dvacetikorun. Tuto rovnici můžeme vydělit pěti, budeme tak řešit rovnici Pro členy,, tedy máme nekonečný rozvoj a vynásobíme: ( )(+ + + )(+ + + ). Podobně jako v předchozím příkladě si přepíšeme tento součin na součin zlomků... Opět rozšíříme zlomky tak, aby měly stejný jmenovatel, dostaneme tak součin ( ). ( ). 52
53 Druhý činitel podobně jako v předchozím příkladě určíme dvojím derivováním výrazu a dostaneme tak ( ). 2 ( ). Po dosazení nejprve 7, a následně 6 máme řešení [ ] Stokorunu lze tedy na pětikoruny, desetikoruny a dvacetikoruny rozměnit celkem 36-ti různými způsoby. Příklad Mějme bitový řetězec čítající 25 jedniček. Kolik různých bitových řetězců z něho můžeme vytvořit vložením tří nul tak, že žádný takto vzniklý řetězec nesmí nulou začínat, musí končit alespoň dvěma jedničkami a žádné nuly nesmí být vedle sebe? Vložením tří nul mezi dvacet pět jedniček nám tedy vzniknou 4 skupiny jedniček, vzhledem k daným podmínkám musí každá skupina obsahovat alespoň jednu jedničku, poslední skupina alespoň dvě jedničky. Hledáme tedy všechna celočíselná řešení rovnice , kde,,, jsou počty jedniček v jednotlivých skupinách. Díky našim podmínkám tak hledáme koeficient u v součinu ( )( )( )( ), neboli ( ). ( ), což vede na nám dobře známý vzorec () z kapitoly 3.2. Dosadíme 3 a máme ( ) (,3). Pak tedy ( ) (,3) ( 2,3), 53
54 kde [ ] , což je počet řetězců, které mohou vzniknout za námi stanovených podmínek. V kapitolách a jsme si ukázali, že mnohé příklady, které se klasickou metodou musí mnohdy řešit složitými úvahami, lze pomocí vytvořujících funkcí řešit poměrně jednoduše a v podstatě mechanicky. Tímto způsobem se sice mnohdy můžeme dostat ke složitějšímu násobení mnohočlenů (což ale na druhou stranu pro dnešní výpočetní techniku už dávno není problém), nicméně jedná se o způsob velmi univerzální a nasaditelný pro každou situaci Vlastnosti kombinačních čísel Pomocí vytvořujících funkcí můžeme také odvodit některé vztahy mezi kombinačními čísly. Příklad Najděme vzorec pro, pevné. Nejprve si utvoříme vytvořující funkce pro posl.,. Máme tak ( )( ) ( ) ( )(+ ). Pak tedy ( ) ( ) (+ ) je vytvořující funkce pro hledaný součet, což z binomické věty dává 2. Příklad Najděme obecný vzorec pro,,,,. Nejprve si utvoříme vytvořující funkce pro posl.,. Máme tak ( ) ( ) ( + ),( ) ( ) (+ ). 54
1 Mnohočleny a algebraické rovnice
1 Mnohočleny a algebraické rovnice 1.1 Pojem mnohočlenu (polynomu) Připomeňme, že výrazům typu a 2 x 2 + a 1 x + a 0 říkáme kvadratický trojčlen, když a 2 0. Číslům a 0, a 1, a 2 říkáme koeficienty a písmenem
Matematika III. Miroslava Dubcová, Daniel Turzík, Drahoslava Janovská. Ústav matematiky
Matematika III Řady Miroslava Dubcová, Daniel Turzík, Drahoslava Janovská Ústav matematiky Přednášky ZS 202-203 Obsah Číselné řady. Součet nekonečné řady. Kritéria konvergence 2 Funkční řady. Bodová konvergence.
Diferenciální rovnice 1
Diferenciální rovnice 1 Základní pojmy Diferenciální rovnice n-tého řádu v implicitním tvaru je obecně rovnice ve tvaru,,,, = Řád diferenciální rovnice odpovídá nejvyššímu stupni derivace v rovnici použitému.
Matematika IV 9. týden Vytvořující funkce
Matematika IV 9. týden Vytvořující funkce Jan Slovák Masarykova univerzita Fakulta informatiky jaro 2015 Obsah přednášky 1 Vytvořující funkce a Fibonacciho čísla 2 Vytvořující funkce - připomenutí 3 Řešení
Diferenciální rovnice 3
Diferenciální rovnice 3 Lineární diferenciální rovnice n-tého řádu Lineární diferenciální rovnice (dále jen LDR) n-tého řádu je rovnice tvaru + + + + = kde = je hledaná funkce, pravá strana a koeficienty
1 Mnohočleny a algebraické rovnice
1 Mnohočleny a algebraické rovnice 1.1 Pojem mnohočlenu (polynomu) Připomeňme, že výrazům typu a 2 x 2 + a 1 x + a 0 říkáme kvadratický trojčlen, když a 2 0. Číslům a 0, a 1, a 2 říkáme koeficienty a písmenem
Nechť je číselná posloupnost. Pro všechna položme. Posloupnost nazýváme posloupnost částečných součtů řady.
Číselné řady Definice (Posloupnost částečných součtů číselné řady). Nechť je číselná posloupnost. Pro všechna položme. Posloupnost nazýváme posloupnost částečných součtů řady. Definice (Součet číselné
Posloupnosti a řady. 28. listopadu 2015
Posloupnosti a řady Přednáška 5 28. listopadu 205 Obsah Posloupnosti 2 Věty o limitách 3 Řady 4 Kritéria konvergence 5 Absolutní a relativní konvergence 6 Operace s řadami 7 Mocninné a Taylorovy řady Zdroj
1. Několik základních pojmů ze středoškolské matematiky. Na začátku si připomeneme následující pojmy:
Opakování středoškolské matematiky Slovo úvodem: Tato pomůcka je určena zejména těm studentům presenčního i kombinovaného studia na VŠFS, kteří na středních školách neprošli dostatečnou průpravou z matematiky
0.1 Úvod do lineární algebry
Matematika KMI/PMATE 1 01 Úvod do lineární algebry 011 Lineární rovnice o 2 neznámých Definice 011 Lineární rovnice o dvou neznámých x, y je rovnice, která může být vyjádřena ve tvaru ax + by = c, kde
Polynomy. Mgr. Veronika Švandová a Mgr. Zdeněk Kříž, Ph. D. 1.1 Teorie Zavedení polynomů Operace s polynomy...
Polynomy Obsah Mgr. Veronika Švandová a Mgr. Zdeněk Kříž, Ph. D. 1 Základní vlastnosti polynomů 2 1.1 Teorie........................................... 2 1.1.1 Zavedení polynomů................................
Nejdřív spočítáme jeden příklad na variaci konstant pro lineární diferenciální rovnici 2. řádu s kostantními koeficienty. y + y = 4 sin t.
1 Variace konstanty Nejdřív spočítáme jeden příklad na variaci konstant pro lineární diferenciální rovnici 2. řádu s kostantními koeficienty. Příklad 1 Najděte obecné řešení rovnice: y + y = 4 sin t. Co
8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice
9. Lineární diferenciální rovnice 2. řádu Cíle Diferenciální rovnice, v nichž hledaná funkce vystupuje ve druhé či vyšší derivaci, nazýváme diferenciálními rovnicemi druhého a vyššího řádu. Analogicky
KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
KOMPLEXNÍ ČÍSLA Gymnázium Jiřího Wolkera v Prostějově Výukové materiály z matematiky pro vyšší gymnázia Autoři projektu Student na prahu 21. století - využití ICT ve vyučování matematiky na gymnáziu INVESTICE
0.1 Úvod do lineární algebry
Matematika KMI/PMATE 1 01 Úvod do lineární algebry 011 Vektory Definice 011 Vektorem aritmetického prostorur n budeme rozumět uspořádanou n-tici reálných čísel x 1, x 2,, x n Definice 012 Definice sčítání
Soustavy lineárních rovnic
Soustavy lineárních rovnic V této kapitole se budeme zabývat soustavami lineárních diferenciálních rovnic y = a (x)y + a (x)y + + a n (x)y n + f (x) y = a (x)y + a (x)y + + a n (x)y n + f (x). y n = a
Matematika 2 LS 2012/13. Prezentace vznikla na základě učebního textu, jehož autorem je doc. RNDr. Mirko Rokyta, CSc. J. Stebel Matematika 2
Matematika 2 14. přednáška Číselné a mocninné řady Jan Stebel Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studíı Technická univerzita v Liberci jan.stebel@tul.cz http://bacula.nti.tul.cz/~jan.stebel
POSLOUPNOSTI A ŘADY INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
POSLOUPNOSTI A ŘADY Gymnázium Jiřího Wolkera v Prostějově Výukové materiály z matematiky pro vyšší gymnázia Autoři projektu Student na prahu 21. století - využití ICT ve vyučování matematiky na gymnáziu
Funkce a lineární funkce pro studijní obory
Variace 1 Funkce a lineární funkce pro studijní obory Autor: Mgr. Jaromír JUŘEK Kopírování a jakékoliv další využití výukového materiálu je povoleno pouze s uvedením odkazu na www.jarjurek.cz. 1. Funkce
POSLOUPNOSTI A ŘADY INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
POSLOUPNOSTI A ŘADY Gymnázium Jiřího Wolkera v Prostějově Výukové materiály z matematiky pro vyšší gymnázia Autoři projektu Student na prahu 21. století - využití ICT ve vyučování matematiky na gymnáziu
Nyní využijeme slovník Laplaceovy transformace pro derivaci a přímé hodnoty a dostaneme běžnou algebraickou rovnici. ! 2 "
ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z MB ČÁST Příklad Nalezněte pomocí Laplaceovy transformace řešení dané Cauchyho úlohy lineární diferenciální rovnice prvního řádu s konstantními koeficienty v intervalu 0,, které vyhovuje
V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti
Kapitola 5 Vektorové prostory V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti operací sčítání a násobení
Věta 12.3 : Věta 12.4 (princip superpozice) : [MA1-18:P12.7] rovnice typu y (n) + p n 1 (x)y (n 1) p 1 (x)y + p 0 (x)y = q(x) (6)
1. Lineární diferenciální rovnice řádu n [MA1-18:P1.7] rovnice typu y n) + p n 1 )y n 1) +... + p 1 )y + p 0 )y = q) 6) počáteční podmínky: y 0 ) = y 0 y 0 ) = y 1 y n 1) 0 ) = y n 1. 7) Věta 1.3 : Necht
pouze u některých typů rovnic a v tomto textu se jím nebudeme až na
Matematika II 7.1. Zavedení diferenciálních rovnic Definice 7.1.1. Rovnice tvaru F(y (n), y (n 1),, y, y, x) = 0 se nazývá diferenciální rovnice n-tého řádu pro funkci y = y(x). Speciálně je F(y, y, x)
Nalezněte obecné řešení diferenciální rovnice (pomocí separace proměnných) a řešení Cauchyho úlohy: =, 0 = 1 = 1. ln = +,
Příklad Nalezněte obecné řešení diferenciální rovnice (pomocí separace proměnných) a řešení Cauchyho úlohy: a) =, 0= b) =, = c) =2, = d) =2, 0= e) =, 0= f) 2 =0, = g) + =0, h) =, = 2 = i) =, 0= j) sin+cos=0,
y = 1 x (y2 y), dy dx = 1 x (y2 y) dy y 2 = dx dy y 2 y y(y 4) = A y + B 5 = A(y 1) + By, tj. A = 1, B = 1. dy y 1
ODR - řešené příkla 20 5 ANALYTICKÉ A NUMERICKÉ METODY ŘEŠENÍ ODR A. Analtické meto řešení Vzorové příkla: 5.. Příklad. Řešte diferenciální rovnici = 2. Řešení: Přepišme danou rovnici na tvar = (2 ), což
Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru
2. Systémy lineárních rovnic V této kapitole se budeme zabývat soustavami lineárních rovnic s koeficienty z pole reálných případně komplexních čísel. Uvádíme podmínku pro existenci řešení systému lineárních
Michal Fusek. 10. přednáška z AMA1. Ústav matematiky FEKT VUT, Michal Fusek 1 / 62
Nekonečné řady Michal Fusek Ústav matematiky FEKT VUT, fusekmi@feec.vutbr.cz 0. přednáška z AMA Michal Fusek (fusekmi@feec.vutbr.cz) / 62 Obsah Nekonečné číselné řady a určování jejich součtů 2 Kritéria
Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic
Přednáška třetí (a pravděpodobně i čtvrtá) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic Lineární rovnice o 2 neznámých Lineární rovnice o 2 neznámých Lineární rovnice o dvou neznámých x, y je
Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace
Vektory a matice Aplikovaná matematika I Dana Říhová Mendelu Brno Obsah 1 Vektory Základní pojmy a operace Lineární závislost a nezávislost vektorů 2 Matice Základní pojmy, druhy matic Operace s maticemi
M - Kvadratické rovnice a kvadratické nerovnice
M - Kvadratické rovnice a kvadratické nerovnice Určeno jako učební tet pro studenty dálkového studia. VARIACE 1 Tento dokument byl kompletně vytvořen, sestaven a vytištěn v programu dosystem - EduBase.
Funkce pro studijní obory
Variace 1 Funkce pro studijní obory Autor: Mgr. Jaromír JUŘEK Kopírování a jakékoliv další využití výukového materiálu je povoleno pouze s uvedením odkazu na www.jarjurek.cz. 1. Funkce Funkce je přiřazení,
11. Číselné a mocninné řady
11. Číselné a mocninné řady Aplikovaná matematika III, NMAF072 M. Rokyta, KMA MFF UK ZS 2017/18 11.1 Základní pojmy Definice Necht {a n } C je posloupnost komplexních čísel. Pro m N položme s m = a 1 +
1 Linearní prostory nad komplexními čísly
1 Linearní prostory nad komplexními čísly V této přednášce budeme hledat kořeny polynomů, které se dále budou moci vyskytovat jako složky vektorů nebo matic Vzhledem k tomu, že kořeny polynomu (i reálného)
Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014
Cvičení k předmětu BI-ZMA Tomáš Kalvoda Katedra aplikované matematiky FIT ČVUT Matěj Tušek Katedra matematiky FJFI ČVUT Obsah Cvičení Zimní semestr akademického roku 014/015. prosince 014 Předmluva iii
VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY
VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY Jan Krejčí 31. srpna 2006 jkrejci@physics.ujep.cz http://physics.ujep.cz/~jkrejci Obsah 1 Přímé metody řešení soustav lineárních rovnic 3 1.1 Gaussova eliminace...............................
9.4. Rovnice se speciální pravou stranou
Cíle V řadě případů lze poměrně pracný výpočet metodou variace konstant nahradit jednodušším postupem, kterému je věnována tato kapitola. Výklad Při pozorném studiu předchozího textu pozornějšího studenta
(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)
KMA/MAT1 Přednáška a cvičení, Lineární algebra 2 Řešení soustav lineárních rovnic se čtvercovou maticí soustavy (Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice) 16 a 21 října 2014 V dnešní přednášce
1 Polynomiální interpolace
Polynomiální interpolace. Metoda neurčitých koeficientů Příklad.. Nalezněte polynom p co nejmenšího stupně, pro který platí p() = 0, p(2) =, p( ) = 6. Řešení. Polynom hledáme metodou neurčitých koeficientů,
LEKCE10-RAD Otázky
Řady -ekv ne ŘADY ČÍSEL 1. limita posloupnosti (operace založená na vzdálenosti bodů) 2. supremum nebo infimum posloupnosti (operace založená na uspořádání bodů). Z hlavních struktur reálných čísel zbývá
4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE
FBI VŠB-TUO 28. března 2014 4.1. Základní pojmy Definice 4.1. Rovnice tvaru F (x, y, y, y,..., y (n) ) = 0 se nazývá obyčejná diferenciální rovnice n-tého řádu a vyjadřuje vztah mezi neznámou funkcí y
ŘADY KOMPLEXNÍCH FUNKCÍ
ŘADY KOMPLEXNÍCH FUNKCÍ OBECNÉ VLASTNOSTI Řady komplexních čísel z n byly částečně probírány v kapitole o číselných řadách. Definice říká, že n=0 z n = z, jestliže z je limita částečných součtů řady z
sin(x) x lim. pomocí mocninné řady pro funkci sin(x) se středem x 0 = 0. Víme, že ( ) k=0 e x2 dx.
Použití mocniných řad Nejprve si ukážeme dvě jednoduchá použití Taylorových řad. Příklad Spočtěte následující limitu: ( ) sin(x) lim. x x ( ) Najdeme lim sin(x) x x pomocí mocninné řady pro funkci sin(x)
9.2. Zkrácená lineární rovnice s konstantními koeficienty
9.2. Zkrácená lineární rovnice s konstantními koeficienty Cíle Řešíme-li konkrétní aplikace, které jsou popsány diferenciálními rovnicemi, velmi často zjistíme, že fyzikální nebo další parametry (hmotnost,
Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci
Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/26.0047 Matematika pro všechny Univerzita Palackého v Olomouci Tematický okruh: Závislosti a funkční vztahy Gradovaný řetězec úloh Téma: geometrická posloupnost, geometrická
M - Kvadratické rovnice
M - Kvadratické rovnice Určeno jako učební tet pro studenty denního i dálkového studia. VARIACE 1 Tento dokument byl kompletně vytvořen, sestaven a vytištěn v programu dosystem - EduBase. Více informací
Obsah. Aplikovaná matematika I. Gottfried Wilhelm Leibniz. Základní vlastnosti a vzorce
Neurčitý integrál Aplikovaná matematika I Dana Říhová Mendelu Brno Obsah Primitivní funkce, neurčitý integrál Základní vlastnosti a vzorce Základní integrační metody Úpravy integrandu Integrace racionálních
Příklad. Řešte v : takže rovnice v zadání má v tomto případě jedno řešení. Pro má rovnice tvar
Řešte v : má rovnice tvar takže rovnice v zadání má v tomto případě jedno řešení. Pro má rovnice tvar takže rovnice v zadání má v tomto případě opět jedno řešení. Sjednocením obou případů dostaneme úplné
ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ
ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ Analytická geometrie vyšetřuje geometrické objekty (body, přímky, kuželosečky apod.) analytickými metodami. Podle prostoru, ve kterém pracujeme, můžeme analytickou geometrii
9.5. Soustavy diferenciálních rovnic
Cíle Budeme se nyní zabývat úlohami, v nichž je cílem najít dvojici funkcí y(x), z(x), pro které jsou zadány dvě lineární rovnice prvního řádu, obsahující tyto funkce a jejich derivace. Výklad Omezíme-li
15. KubickÈ rovnice a rovnice vyööìho stupnï
15. KubickÈ rovnice a rovnice vyööìho stupnï Čas od času je možné slyšet v pořadech o počasí jména jako Andrew, Mitch, El Ňiňo. otom následuje zpráva o katastrofálních vichřicích, uragánech a jiných mimořádných
Kapitola 11: Lineární diferenciální rovnice 1/15
Kapitola 11: Lineární diferenciální rovnice 1/15 Lineární diferenciální rovnice 2. řádu Definice: Lineární diferenciální rovnice 2-tého řádu je rovnice tvaru kde: y C 2 (I) je hledaná funkce a 0 (x)y +
z = a bi. z + v = (a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (a c) + (b d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (ac bd) + (bc + ad)i.
KOMLEXNÍ ČÍSLA C = {a + bi; a, b R}, kde i 2 = 1 Číslo komplexně sdružené k z = a + bi je číslo z = a bi. Operace s komplexními čísly: z = a + bi, kde a, b R v = c + di, kde c, d R Sčítání Odčítání Násobení
Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.
Nalezněte definiční obor funkce Diferenciální počet f = ln arcsin + Definiční obor funkce f je určen vztahy Z těchto nerovností plyne < + ln arcsin + je tedy D f =, Určete definiční obor funkce arcsin
Soustavy lineárních rovnic a determinanty
Soustavy lineárních rovnic a determinanty Petr Hasil Přednáška z matematiky Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF) s ohledem na discipĺıny
Posloupnosti a jejich limity
KMA/MAT Přednáška č. 7, Posloupnosti a jejich ity 5. listopadu 203 Motivační příklady Prozkoumejme, zatím laicky, následující posloupnosti: Posloupnost, 4, 9,..., n 2,... : Hodnoty rostou nade všechny
Lineární funkce, rovnice a nerovnice 4 lineární nerovnice
Lineární funkce, rovnice a nerovnice 4 lineární nerovnice 4.1 ekvivalentní úpravy Při řešení lineárních nerovnic používáme ekvivalentní úpravy (tyto úpravy nijak neovlivní výsledek řešení). Jsou to především
Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty
Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I řádu s konstantními koeficienty Definice a) Soustava tvaru x = ax + a y + az + f() t y = ax + a y + az + f () t z = a x + a y + a z + f () t se nazývá soustava
rovnic), Definice y + p(x)y = q(x), Je-li q(x) = 0 na M, nazývá se y + p(x)y =
Cíle Přehled základních typů diferenciálních rovnic prvního řádu zakončíme pojednáním o lineárních rovnicích, které patří v praktických úlohách k nejfrekventovanějším. Ukážeme například, že jejich řešení
M - Příprava na 1. zápočtový test - třída 3SA
M - Příprava na 1. zápočtový test - třída 3SA Autor: Mgr. Jaromír JUŘEK Kopírování a jakékoliv další využití výukového materiálu je povoleno pouze s uvedením odkazu na www.jarjurek.cz. VARIACE 1 Tento
Praha & EU: investujeme do vaší budoucnosti. Daniel Turzík, Miroslava Dubcová,
E-sbírka příkladů Seminář z matematiky Evropský sociální fond Praha & EU: investujeme do vaší budoucnosti Daniel Turzík, Miroslava Dubcová, Pavla Pavlíková Obsah 1 Úpravy výrazů................................................................
Obyčejnými diferenciálními rovnicemi (ODR) budeme nazývat rovnice, ve kterých
Obyčejné diferenciální rovnice Obyčejnými diferenciálními rovnicemi (ODR) budeme nazývat rovnice, ve kterých se vyskytují derivace neznámé funkce jedné reálné proměnné. Příklad. Bud dána funkce f : R R.
MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY
MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY 1. Základní poznatky z logiky a teorie množin Pojem konstanty a proměnné. Obor proměnné. Pojem výroku a jeho pravdivostní hodnota. Operace s výroky, složené výroky, logické
LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) LDR druhého řádu VMAT, IMT 1 / 22
Lineární diferenciální rovnice druhého řádu Vyšší matematika, Inženýrská matematika LDF MENDELU Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)
Věta o dělení polynomů se zbytkem
Věta o dělení polynomů se zbytkem Věta. Nechť R je okruh, f, g R[x], přičemž vedoucí koeficient polynomu g 0 je jednotka okruhu R. Pak existuje jediná dvojice polynomů q, r R[x] taková, že st(r) < st(g)
VZOROVÝ TEST PRO 1. ROČNÍK (1. A, 3. C)
VZOROVÝ TEST PRO. ROČNÍK (. A, 3. C) Zjednodušte daný příklad. (a 2 3 b 3 4) 2 (a 2 b 3 8) 3 max. 3 body 2 Ve které z následujících možností je uveden správný postup usměrnění daného zlomku a správný výsledek?
NMAF 051, ZS Zkoušková písemná práce 16. ledna 2009
Jednotlivé kroky při výpočtech stručně, ale co nejpřesněji odůvodněte. Pokud používáte nějaké tvrzení, nezapomeňte ověřit splnění předpokladů. Jméno a příjmení: Skupina: Příklad 3 5 Celkem bodů Bodů 8
7B. Výpočet limit L Hospitalovo pravidlo
7B. Výpočet it L Hospitalovo pravidlo V prai často potřebujeme určit itu výrazů, které vzniknou operacemi nebo složením několika spojitých funkcí. Většinou pomohou pravidla typu ita součtu násobku, součinu,
ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ V ROVINĚ
ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ V ROVINĚ Parametrické vyjádření přímky v rovině Máme přímku p v rovině určenou body A, B. Sestrojíme vektor u = B A. Pro bod B tím pádem platí: B = A + u. Je zřejmé,
4C. Polynomy a racionální lomené funkce. Patří mezi tzv. algebraické funkce, ke kterým patří také funkce s odmocninami. Polynomy
4C. Polynomy a racionální lomené funkce Polynomy a racionální funkce mají zvláštní význam zejména v numerické a aplikované matematice. Patří mezi tzv. algebraické funkce, ke kterým patří také funkce s
Příklad 1. Řešení 1a Máme vyšetřit lichost či sudost funkce ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 3
Příklad 1 Zjistěte, zda jsou dané funkce sudé nebo liché, případně ani sudé ani liché: a) =ln b) = c) = d) =4 +1 e) =sin cos f) =sin3+ cos+ Poznámka Všechny tyto úlohy řešíme tak, že argument funkce nahradíme
MO-ME-N-T MOderní MEtody s Novými Technologiemi
Projekt: Reg.č.: Operační program: Škola: Tematický okruh: Jméno autora: MO-ME-N-T MOderní MEtody s Novými Technologiemi CZ.1.07/1.5.00/34.0903 Vzdělávání pro konkurenceschopnost Hotelová škola, Vyšší
Diferenciální rovnice
Obyčejné diferenciální rovnice - studijní text pro cvičení v předmětu Matematika - 2. Studijní materiál byl připraven pracovníky katedry E. Novákovou, M. Hyánkovou a L. Průchou za podpory grantu IG ČVUT
Matematická analýza ve Vesmíru. Jiří Bouchala
Matematická analýza ve Vesmíru Jiří Bouchala Katedra aplikované matematiky jiri.bouchala@vsb.cz www.am.vsb.cz/bouchala - p. 1/19 typu: m x (sin x, cos x) R(x, ax +...)dx. Matematická analýza ve Vesmíru.
Kapitola 7: Integrál. 1/17
Kapitola 7: Integrál. 1/17 Neurčitý integrál - Motivační příklad 2/17 Příklad: Necht se bod pohybuje po přímce rychlostí a) v(t) = 3 [m/s] (rovnoměrný přímočarý pohyb), b) v(t) = 2t [m/s] (rovnoměrně zrychlený
1.1 Existence a jednoznačnost řešení. Příklad 1.1: [M2-P1] diferenciální rovnice (DR) řádu n: speciálně nás budou zajímat rovnice typu
[M2-P1] KAPITOLA 1: Diferenciální rovnice 1. řádu diferenciální rovnice (DR) řádu n: speciálně nás budou zajímat rovnice typu G(x, y, y, y,..., y (n) ) = 0 y (n) = F (x, y, y,..., y (n 1) ) Příklad 1.1:
Lineární algebra : Metrická geometrie
Lineární algebra : Metrická geometrie (16. přednáška) František Štampach, Karel Klouda LS 2013/2014 vytvořeno: 6. května 2014, 10:42 1 2 Úvod Zatím jsme se lineární geometrii věnovali v kapitole o lineárních
Metody výpočtu limit funkcí a posloupností
Metody výpočtu limit funkcí a posloupností Martina Šimůnková, 6. listopadu 205 Učební tet k předmětu Matematická analýza pro studenty FP TUL Značení a terminologie R značí množinu reálných čísel, rozšířenou
1 Lineární prostory a podprostory
Lineární prostory a podprostory Přečtěte si: Učebnice AKLA, kapitola první, podkapitoly. až.4 včetně. Cvičení. Které z následujících množin jsou lineárními prostory s přirozenými definicemi operací?. C
Teorie měření a regulace
Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace 22.z-3.tr ZS 2015/2016 2015 - Ing. Václav Rada, CSc. TEORIE ŘÍZENÍ druhá část tématu předmětu pokračuje. oblastí matematických pomůcek
South Bohemia Mathematical Letters Volume 23, (2015), No. 1, DĚLENÍ KRUHU NA OBLASTI ÚVOD
South Bohemia Mathematical Letters Volume 23, (2015), No. 1, 113-122. DĚLENÍ KRUHU NA OBLASTI MAREK VEJSADA ABSTRAKT. V textu se zabývám řešením následujícího problému: Zvolíme na kružnici určitý počet
Zpracoval: hypspave@fel.cvut.cz 7. Matematická indukce a rekurse. Řešení rekurentních (diferenčních) rovnic s konstantními koeficienty.
Zpracoval: hypspave@fel.cvut.cz 7. Matematická indukce a rekurse. Řešení rekurentních (diferenčních) rovnic s konstantními koeficienty. (A7B01MCS) I. Matematická indukce a rekurse. Indukční principy patří
VEKTORY. Obrázek 1: Jediný vektor. Souřadnice vektoru jsou jeho průměty do souřadných os x a y u dvojrozměrného vektoru, AB = B A
VEKTORY Vektorem se rozumí množina všech orientovaných úseček, které mají stejnou velikost, směr a orientaci, což vidíme na obr. 1. Jedna konkrétní orientovaná úsečka se nazývá umístění vektoru na obr.
M - Příprava na pololetní písemku č. 1
M - Příprava na pololetní písemku č. 1 Určeno pro třídy 3SA, 3SB. VARIACE 1 Tento dokument byl kompletně vytvořen, sestaven a vytištěn v programu dosystem - EduBase. Více informací o programu naleznete
Matematika Kvadratická rovnice. Kvadratická rovnice je matematický zápis, který můžeme (za pomoci ekvivalentních úprav) upravit na tvar
Kvadratická rovnice Kvadratická rovnice je matematický zápis, který můžeme (za pomoci ekvivalentních úprav) upravit na tvar ax 2 + bx + c = 0. x neznámá; v kvadratické rovnici se vyskytuje umocněná na
označme j = (0, 1) a nazvěme tuto dvojici imaginární jednotkou. Potom libovolnou (x, y) = (x, 0) + (0, y) = (x, 0) + (0, 1)(y, 0) = x + jy,
Komplexní čísla Množinu všech uspořádaných dvojic (x, y) reálných čísel x, y nazýváme množinou komplexních čísel C, jestliže pro každé dvě takové dvojice (x, y ), (x 2, y 2 ) je definována rovnost, sčítání
Úvod do lineární algebry
Úvod do lineární algebry 1 Aritmetické vektory Definice 11 Mějme n N a utvořme kartézský součin R n R R R Každou uspořádanou n tici x 1 x 2 x, x n budeme nazývat n rozměrným aritmetickým vektorem Prvky
Kapitola 7: Neurčitý integrál. 1/14
Kapitola 7: Neurčitý integrál. 1/14 Neurčitý integrál 2/14 Definice: Necht f je funkce definovaná na intervalu I. Funkci F definovanou na intervalu I, pro kterou platí F (x) = f (x) x I nazýváme primitivní
16. Goniometrické rovnice
@198 16. Goniometrické rovnice Definice: Goniometrická rovnice je taková rovnice, ve které proměnná (neznámá) vystupuje pouze v goniometrických funkcích. Řešit goniometrické rovnice znamená nalézt všechny
řešeny numericky 6 Obyčejné diferenciální rovnice řešeny numericky
řešeny numericky řešeny numericky Břetislav Fajmon, UMAT FEKT, VUT Brno Na minulé přednášce jsme viděli některé klasické metody a přístupy pro řešení diferenciálních rovnic: stručně řečeno, rovnice obsahující
9 Kolmost vektorových podprostorů
9 Kolmost vektorových podprostorů Od kolmosti dvou vektorů nyní přejdeme ke kolmosti dvou vektorových podprostorů. Budeme se zabývat otázkou, kdy jsou dva vektorové podprostory na sebe kolmé a jak to poznáme.
Matematická analýza pro informatiky I. Limita posloupnosti (I)
Matematická analýza pro informatiky I. 3. přednáška Limita posloupnosti (I) Jan Tomeček tomecek@inf.upol.cz http://aix-slx.upol.cz/ tomecek/index Univerzita Palackého v Olomouci 25. února 2011 tomecek@inf.upol.cz
INTEGRÁLY S PARAMETREM
INTEGRÁLY S PARAMETREM b a V kapitole o integraci funkcí více proměnných byla potřeba funkce g(x) = f(x, y) dy proměnné x. Spojitost funkce g(x) = b a f(x, y) dy proměnné x znamená vlastně prohození limity
Matematika B101MA1, B101MA2
Matematika B101MA1, B101MA2 Zařazení předmětu: povinný předmět 1.ročníku bc studia 2 semestry Rozsah předmětu: prezenční studium 2 + 2 kombinované studium 16 + 0 / semestr Zakončení předmětu: ZS zápočet
Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR
DEN: ODR teoreticky: soustavy rovnic Soustava lineárních ODR 1 řádu s konstantními koeficienty je soustava ve tvaru y 1 = a 11 y 1 + a 12 y 2 + + a 1n y n + b 1 (x) y 2 = a 21 y 1 + a 22 y 2 + + a 2n y
Derivace funkcí více proměnných
Derivace funkcí více proměnných Pro studenty FP TUL Martina Šimůnková 16. května 019 1. Derivace podle vektoru jako funkce vektoru. Pro pevně zvolenou funkci f : R d R n a bod a R d budeme zkoumat zobrazení,
1 Řešení soustav lineárních rovnic
1 Řešení soustav lineárních rovnic 1.1 Lineární rovnice Lineární rovnicí o n neznámých x 1,x 2,..., x n s reálnými koeficienty rozumíme rovnici ve tvaru a 1 x 1 + a 2 x 2 +... + a n x n = b, (1) kde koeficienty
Funkce komplexní proměnné a integrální transformace
Funkce komplexní proměnné a integrální transformace Fourierovy řady I. Marek Lampart Text byl vytvořen v rámci realizace projektu Matematika pro inženýry 21. století (reg. č. CZ.1.07/2.2.00/07.0332), na
7. Funkce jedné reálné proměnné, základní pojmy
, základní pojmy POJEM FUNKCE JEDNÉ PROMĚNNÉ Reálná funkce f jedné reálné proměnné je funkce (zobrazení) f: X Y, kde X, Y R. Jde o zvláštní případ obecného pojmu funkce definovaného v přednášce. Poznámka:
Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014
Cvičení k předmětu BI-ZMA Tomáš Kalvoda Katedra aplikované matematiky FIT ČVUT Matěj Tušek Katedra matematiky FJFI ČVUT Obsah Cvičení Zimní semestr akademického roku 2014/2015 2. prosince 2014 Předmluva