1. POJMY 1.1. FORMULE VÝROKOVÉHO POČTU

Transkript

1 Obsah 1. Pojmy Formule výrokového počtu Množina Operace s množinami Relace Číselné obory Uzavřenost množiny na operaci Rozšíření reálných čísel Suprema a infima v R* Funkce (zobrazení) Definiční obor zobrazení inverzní zobrazení Monotónie funce Monotónie v krajních bodech funkce Lokální extrémy

2 1. POJMY 1.1. FORMULE VÝROKOVÉHO POČTU Induktivní definice platné formule výrokového počtu: a) každá výroková proměnná je formule b) jsou-li A a B formule, jsou i A, A B, A B, A B, A B formule Platná formule výrokového počtu musí mít konečný počet proměnných INDUKTIVNÍ DEFINICE Definice dobře uspořádané množiny, v níž jsou rozlišitelné výchozí prvky a prvky získané. Induktivní definice z výchozích prvků musí generovat (vymezit) danými operacemi všechny předměty této množiny a pouze tyto předměty. Tautologie: je to formule výrokového počtu, která má vždy pravdivou hodnotu (1) bez ohledu na vstupní proměnné. Α A ZÁKON VYLOUČENÉHO TŘETÍHO Právě žádná třetí možnost není. Α A Kontradikce: je to formule výrokového počtu, která má vždy nepravdivou hodnotu (0) bez ohledu na vstupní proměnné.) A A OBOR PRAVDIVOSTI Obor pravdivosti je množina, na níž platí, že výrok A(a) je pravdivý. DEFINIČNÍ OBOR Je množina, na níž platí, že A(d) je výrok. PRECEDENCE OPERÁTORŮ Je přednost operátorů. Klesá právě v tomto pořadí A, A B, A B, A B, A B Příklad 1.: Je výroková forma x >5? Ne, není to výroková forma, výrokový forma by to byla, kdybychom napsali xr: x >5 Příklad 2.: Je pravdivý výrok x R nn: x n? Abychom zjistili pravdivost výroku, musíme ho negovat x R nn x n x R nn: x n a to je pravda. : to znamená 2

3 1.2. MNOŽINA Je to soubor prvků, které zapisujeme Výčtem prvků {1; {2;3}} Vlastností x : x > 5 Předdefinované množiny R,Z, a její podmnožiny (intervaly) Zápis čísla Číslo nula zapisujeme Číslo 1 zapisujeme { } Číslo 2 zapisujeme { ;{ }} 1 2; 3 INTERVAL Je s každými dvěma prvky, mezi nimiž je alespoň jeden OPERACE S MNOŽINAMI Sjednocení množin: A B x ; x A xb Průnik množin: A B x ; x A xb Rozdíl množin: A\ B x ; x A x B Příklad 3.: Je výroková forma x : x > 5 pravdivá? platí, protože ( x : x > 5) je ( x : x 5) RELACE Podmnožina A B x A x B : nebo x AxB Vlastní podmnožina A B Rovnost množin A B A B B A Uspořádaná dvojice a b a ; a, b ;, kde nám prvek a v množině {a;b} říká, který z prvků je první v pořadí. Příklad 4.: Zapište množinu A{2;{1;2}} jako uspořádanou dvojici. A[2;1] protože 2 určuje, že je první prvek z množiny {1;2} Uspořádaná trojice a ; b; c a; b; c Kartézský součin A x B je množinou všech uspořádaných dvojic tak, že prvek z A je prvkem z B A x B, kde A (x;y;z) a B(1;2;3) x (x;1) (x;2) (x;3) y (y;1) (y;2) (y;3) z (z;1) (z;2) (z;3) 3

4 Příklad 5.: Geometrický význam kartézského součinu {1;2}x{3;4}={[1;3];[1;4];[2;3];[2;4]} 4

5 2. ČÍSELNÉ OBORY N Z Q R C H 2.1. UZAVŘENOST MNOŽINY NA OPERACI Řekněme, že podmnožina M A je uzavřená na operaci vůči algebraické operaci *, pokud tato operace * vrátí hodnotu z M, kdykoliv její argumenty patří do M. Přirozená čísla N Uzavřená na sčítání a násobení Nejsou uzavřená na odčítání a dělení Celá čísla Z Uzavření na sčítání, odčítání a násobení Nejsou uzavřená na dělení Racionální čísla Q Uzavřená na sčítání, odčítání, násobení a dělení Nejsou uzavřená na dělení nulou Iracionální čísla tvoří větší část než racionální, někdy je značíme IQ» Nejsou uzavřená na sčítání» π, e Neřešitelnost x, x Q : x 0 Reální čísla R Uzavřená na sčítání, odčítání, násobení a dělení Nejsou uzavřená na suprema a infima, nedělitelnost nulou Komplexní čísla C Je to nejmenší podmnožina řešitelnosti kvadratických rovnic Čísla nejsou uspořádána (nelze je uspořádat) Kvaterniony H Mají 4 prvky (souřadnice) Není komutativní Je asociativní 2.2. ROZŠÍŘENÍ REÁLNÝCH ČÍSEL Definice: R*=R{} pro xr: -<x<+ -<+ Z vlastnosti xr: -<x<+ -<+ plyne tranzitivita Číselné operace dodefinujeme v analýze I SUPREMA A INFIMA V R* Supremem x je horní závora množiny M, pokud mm: m x Pro každou množinu R* existuje supremum i infimum Pokud supremum patří do množiny, pak je to maximum množiny Příklad 1.: Určete, pokud existuje, supremum, infimum, maximum a minimum množiny N +. Supremum N + Infimum N + 1 Maximum N + neexistuje (protože není konkrétní číslo) Minimum N + 1 5

6 Příklad 2.: Určete supremum, infimum, maximum a minimum množiny Supremum M 1 = maximum Infimim M 0 Minimum M neexistuje 1 n : 0 n důkaz (negací) 1 n 1 M ; n N pokud existuje. n Příklad 3.: Charakterizujte prvky množiny infimum Q (0,1) supremum 1 infimum O M ; ; ; ; ; ;... a určete supremum, infimum M Příklad 4.: Určete supremum a infimum množiny M R, M 1 m; mm supremum M 1-infimum M infimum M 1 supremum M v případě, že by to bylo 1+m, pak by supremum bylo 1 + infimum M a infimum M by bylo 1 + supremum M Vtahy mezi příkladem 2 a 3. Množinu z příkladu 2 označme jako M 2 a množinu z příkladu 3 označme jako množinu M 3. Pak M 2 M 3 a díle vidíme: Supremum M 2 supremum M 3 Infimum M 2 infimum M 3 6

7 3. FUNKCE (ZOBRAZENÍ) f: A B je zobrazením A do množiny B Definiční obor je podmnožinou A D(f) A Obor hodnot je podmnožinou B H (f) B Řekněme, že f < A x B, pak [a;b 1] f [a;b 2]f b 1 = b 2 je zobrazením do číselného oboru, není určení, odkud má být A, tak P 1={[;3];[;4]} je zobrazení, je funkce reálné proměnné. Reálná funkce komplexní proměnné z 3.1. DEFINIČNÍ OBOR ZOBRAZENÍ Definičním oborem zobrazení nazýváme množinu D(f), kde D(f) = {x; y: [x; y]f } Obrazem hodnot zobrazení f nazýváme, množinu H(f), kde H(f) = {y; ; x: [x; y]f } Věta: Je-li [x; y] zobrazení, f nazýváme y obrazem x a x vzorem y a píšeme, že y = f(x) Obrazem množiny X při zobrazení f nazýváme f(x)= {y; xx: [x; y]f} Vzorem množiny Y při zobrazení f nazýváme f -1(Y)= { x; yy: [x; y]f} Příklad 1.: f(x)= x 2 kde x R f((-1;2)) = <0;4> f -1(<1;4)) = (-2;1><1;2) f: A B; H(f)= f(a); D(f)= f(b) Restrikcí (zúžením) zobrazení f na množině X rozumíme f x; y; x; y f 'X : f xx. Také značíme X 2 ( x / 0; ) x inverzní funkce k x 2 na intervalu <0;8) Příklad 2.: 1 7

8 Příklad 3.: Jsou stejné funkce f 1(x)= x 2 kde xr a f 2(x)= x 2 na <0;8)? Ne, nejsou to stejné funkce! Restrikce je každá podmnožina zobrazení! INVERZNÍ ZOBRAZENÍ Zobrazení f je prosté, pokud [x 1; y]f [x 2; y]f x 1= x 2 Nechť f je prosté. Inverzním zobrazením k f rozumíme f -1 {[x; y]; [x; y]f} Vlastnosti inverze: (1) f f -1 = f -1 f identita (id) (2) (f -1) -1= f (3) D(f -1)= H(f); H(f -1)= D(f) Příklad 4.: Vyřešte x 3 = 8 x 3 = 8 / 3 x x = Příklad 5.: Vyřešte rovnici e x =3 e x =3 /ln ln(e x )= ln(3) x = ln(3) Pravidlo U rostoucí funkce se zachovává nerovnost U klesající funkce se znaménko obrátí Inverzní funkce zachovává monotonii (směr funkce) 3.2. MONOTÓNIE FUNCE Řekneme, že funkce f je rostoucí (klesající, nerostoucí, neklesající), pokud: x 1x 2D(f): x 1 < x 2 f(x 1) < (>; ; ) f(x 2) Věta: Je-li funkce nerostoucí/neklesající navíváme ji monotónní. Je-li funkce klesající nebo rostoucí, nazýváme ji ryze monotónní. Příklad 6.: Jaká je funkce sin(x)? Funkce sin (x) není monotónní. 8

9 Příklad 7.: Jaká je funkce f(x): (x+1)x(x-1)? 1 1 z grafu vidíme, že funkce je rostoucí na ; a na ;. Funkce je klesající na ;. 3 3 Příklad 8.: Jaká je funkce 1 f ( x)? x Není rostoucí na celém definičním oboru pro sjednocení musí být funkce spojitá nebo funkční hodnoty musí být stejné MONOTÓNIE V KRAJNÍCH BODECH FUNKCE Okolí bodu: Nechť ar; R +. (Úplným) okolím bodu a nazýváme U a) a ; a respektive pravým okolím a nazýváme U ( a) a a; (. Levým respektive U (a). Prstencovým (, ) (, ) ( ) (redukovaným) okolím a (levým, pravým, oboustranným) nazýváme P ( a) U a. a Prstencové okolí je úplné okolí bez bodu samotného Funkce v monotónním bodě: Řekneme, že funkce f je rostoucí v bodě a zleva respektive zprava, pokud: P ( a), x P P ( a), x P ( a): f ( x) f ( a) ( a): f ( a) f ( x) Řekneme, že funkce f je rostoucí v a, je-li v něm rostoucí zprava i zleva. Analogicky ostatní monotonie. Věta: Funkce je rostoucí na intervalu právě, když je rostousí v každém bodě tohoto intervalu. Ostatní funkce analogicky. 9

10 3.3. LOKÁLNÍ EXTRÉMY FUNKCE Dělíme na lokální a globální extrémy funkce LOKÁLNÍ EXTRÉMY Bodová monotonie: Řekněme, že funkce má v bodě lokální maximum (minimum, ostré lokální maximum/ ostré lokální minimum) je-li v něm zleva neklesající a zprava nerostoucí (zleva nerostoucí a zprava neklesající, zleva rostoucí a zprava klesající, zleva klesající a zprava rostoucí). Konstantní funkce má maximum i minimum všude a ostré lokály nemá. Globální maximum /minimum hodnoty Příklad 9.: Najděte lokální maximum/ minimum funkce f (x)=x 2-1 minimum f = - 1 f má lokální minimum v bodě 0 y souřadnice x souřadnice Příklad 10.: Jaké má lokální extrémy funkce f (x)=arcsin(x)? Nemá žádné lokální extrémy podle definice. Definice říká, že bod musí mít okolo další body, abychom určili extrém. 10

11 Důkaz: x 1 < x 2 f (x 1) < f (x 2) x 1 < x 2 f (x 1) < f (x 2) substituce y 1 = f (x 1) a y 2 = f (x 2) f -1(y 1) < f -1(y 2) y 1 < y KONVEXITA A KONKÁVNOST FUNKCE Definice: Řekněme, že funkce f je na intervalu I konvexní / konkávní / ryze konvexní / ryze konkávní, pokud x 1x 2I (0;1): f((1-)+x 2) / / </ > (1-)f(x 1)+f(x 2). Funkce konkávní a konvexní je například lineární funkce Věta: Funkce f je konvexní/konkávní/ryze konvexní/ryze konkávní na intervalu I, právě tehdy když f x2 f x1 f x3 f x2 x1, x2, x3 I : x1 x2 x3 ; ; x x x x Konvexní: Pro každou trojici bodů x 1, x 2, x 3 má přímka x 1 a x 2 menší nebo rovno směrnici než x 2 a x 3 Konkávní: Pro každou trojici bodů x 1, x 2, x 3 má přímka x 1 a x 2 větší nebo rovno směrnici než x 2 a x 3 Ryze konvexní: Pro každou trojici bodů x 1, x 2, x 3 má přímka x 1 a x 2 menší směrnici než x 2 a x 3 Směrnice přímky y = ax + b Ryze konkávní: Pro každou trojici bodů x 1, x 2, x 3 má přímka x 1 a x 2 větší směrnici než x 2 a x 3 Příklad 1.: Najděte maximální interval konvexnosti funkce x 3 f je konvxní na <0;) f je konkávní na (-; 0> v bodě [0,0] má inflexní bod Příklad 2.: Najděte předpis funkce, která má definiční obor v jednom bodě. f 2 x x Příklad 3.: Najděte funkci, která není definovaná nikde f x x 2 1 Příklad 4.: Najděte funkci, která je definována ve 2 bodech (x 2-1) 2 11

12 Příklad 5.: Nalezněte funkci, která je definovaná v nekonečně mnoha bodech, ale ne na intervalu sin x MNOŽINOVÉ OPERACE Definice: Nechť f a g jsou funkce. Součinem f a g nazýváme (f + g)(x) f (x)+ g(x). Absolutní hodnotou f nazýváme funkci f (x) f (x) Platí pro všechna x, pro která má pravá strana smysl a x průniku funkcí xd(f)d(g) \ g -{0} 12