Lukiolaisille: Derivaatan olemassaolon vaihtoehtoinen esimerkki

Anonyymi

En muista koskaan nähneeni derivaatan esityksiä näin enkä perustana olevaa tangentin määritelmää raja-arvona muissakaan esimerkeissä: milloin se on tai ei ole määritelty. Jos etsii todistusta tangentin olemassaololle voi törmätä tyypilliseen derivaatan määritelmään kuten tähän https://math.stackexchange.com/questions/2659689/prove-the-tangent-line-exists/2659708
Ks. myös funktion sileyden todistukset.

Allaoleva on pidempi esitys tangenteille sisältäen useampia objekteja ja olettaa vain raja-arvon käsitteen.

Käytän kahta funktiota merkittävinä perusesimerkkinä ja lopussa voidaan todeta esityksen yleispätevyys.

Avaa nämä kuvaajat (Tapaus 1, Tapaus 2):

https://www.desmos.com/calculator/bjeithauy9
https://www.desmos.com/calculator/00pqjgtvvv

Ensimmäinen on paloittain määritelty funktio y= x ja y=-x . Joka tulee olemaan derivoitumaton pisteessä (0,0) toisin kuin alaspäinen y=-x^2. Näiden funktioiden eroa voidaan havainnollistaa kolmella pisteellä, jotka ovat funktion käyrällä ja tarkastellun origon ympärillä. Jos muunnellaan vakioita d ja c liukusäätimestä nähdään ehkä tapauksessa 1. tapahtuu niin, että kuvajan huipulle jää aina hyvin läheltäkin nollaa tarkasteltuna yksi piste jolle ei voida määritellä yhtä tangenttia kuten opettajat sanovat. Tapauksessa 2. tapahtuu jotain kun pisteet valitaan lähempää toisiaan, ja haluasimme tutkia tätä tilannetta kuvaajien huipulla, kun reunapisteet ovat infinitesimaalisen lähellä keskimmäistä. Onko tapauksen 1 laki piste teistä edelleen yksin tällä huipulla, vaikka siitä seuraaviin oleviin pisteisiin on esim. pelkässä alaspäisessä suunnassa matkaa äärettömän vähän? Ovatko toisen tapauksen pisteet samoin nousseet niin ylös origon vierelle, että ne tukevat tangenttia jotenkin paremmin kuin 1?

Tapaus 2 jatkuu:
https://www.desmos.com/calculator/yifohibiei

Ensin voidaan piirtää apuviivat parabelin pisteille, jotka näyttävät suoran etäisyyden pisteiden välillä. Vihreä ja sininen viiva ovat suoria ja poikkeavat kaarevasta punaisesta funktiosta. Tässä kohtaa huomatutettava, että funktiota f kohti on aina määritelty tietyt L-apuviivat jokaiselle valitulle c:n arvolle eli ne ovat ikäänkuin L:= L_f (c). Tähänkin liittyviä poikkeustapauksia on mainittu lopussa. Lyhimmän etäisyyden tapauksessa palataan samaan merkintään d kuin toisessa kuvassa ja liukusäädinkin on siinä.

Nämä apuviivat, jotka sisältyvät jo tapaukseen 1 itsestään, voivat lisäksi määritellä niiden välisen kulman phi. Sen avulla tapausten erojen voidaan sanoa olevan siinä, että tapaus 1:ssä kulma säilyy vakiona, kun d muuttuu. Toisessa sillä on jokin d:n funktio, jonka olen jättänyt sijoittamatta viimeisen lausekkeen kulmakertoimiin ja esittänyt erikseen alimpana. Oikein valitussa kvadraatissa phi on muotoa pi - arctan (g(d)). Voit nähdä g:n eri arvoilla kytkemällä yhden y= -lausekeeen näkyviin.

Tulemme nyt vaiheeseen, jossa käytetään raja-arvoa eli annetaan d:n lähestyä kummassakin kuvaajassa nollaa : d -> 0.

1: phi (d lähestyy nollaa) -> pi / 2
2: g(d) (d lähestyy nollaa) -> 0
ja atan(g) (g lähestyy nollaa) -> 0

Tästä nähdään, että apuviivojen välisen kulman lähestyessä 180 astetta, lähestyvät yhtä suoraa, joka on -x^2 lakipisteen kautta kulkeva tangentti. Kannattaa huomata, että kyseessä on vain raja-arvo, eli käyrältä -x^2 ei voida valita kolmea pistettä, jotka sijaitsevat tällä tangentilla. Mutta on olemassa tasan kaksi pistettä joiden etäisyys on infinitesimaalisen lähellä (lähestyy nollaa) sitä. Jos näiden vierestä valitaan 4. ja 5. piste, on kyseessä äärellisen kaukana tangentista ja kauempana olevat pisteet, tai sitten tehtäisiin kaksi raja-arvoa ja väitettäisiin kahden eri etäisyyden lähestyvän yhtä lähelle nollaa niiden, (mikä kai on käytännössä sama piste).

Tapauksessa 1 käy myös siten, että jos tehdään suora kuten y=0 yritteeksi, muodostuu erilaisia kateetteja, jotka erottavat sen pisteistä 2. ja 3. Hypotenuusan d lähestyessä nollaa myös kateetti lähestyy, jolloin ensimmäiset pisteet ovat yhtä lähellä suoraa kuin derivoituvassakin tapauksessa. Siksi tulee tarkastella pisteiden kautta kulkevia suoria ja määritellä kulma phi, koska vain kulma ja yksi toinen tieto (tai niitä vastaava joukko tietoa) voi määritellä, että kaksi suoraa on lähestymässä toisiaan, kun kerran niiden kaikki parametrit ovat lähestyneet. Yllä siis tosiasiassa apuviivat tulisi myös venyttää suoriksi, koska raja-arvoja ottaessa avut muuttuvat pisteiksi, mutta suorat eivät ja tarkemmin tämän vuoksi tapaus 1:teen jää erilaisia suoria.

Tangentin määrittävät kolme pistettä voidaan valita mistä tahansa muustakin kohtaa kuin funktion lokaaleista maksimi pisteistä ja sama tarkastelu pätee esim. 1/x: n taskussa. Äärettömyydessä ei ole mielekästä valita vierekkäisiä pisteitä eikä epäjatkuvuuskohdissa saada näillä merkinnöillä valittua kuin kaksi, mikä ei ole riittäävää tarkasteluun.

Tapa poikkeaa siitä, miten derivaatan olemassaolo todistetaan,kun raja-arvoa ei todisteta olevan olemassa eri puolilta vaan sen on oltava yksi pi.

3

160

    Vastaukset

    Anonyymi (Kirjaudu / Rekisteröidy)
    5000
    • Anonyymi

      Asia harvinaisen selvä.

    • Anonyymi

      Voi hemmetti mitä roskan jauhamista! Ei matematiikkaa näin opeteta.

    • Anonyymi

      Jatkapa sitten seuraavalla funktiolla R^2 -> R : y = sin(x) z^2
      ja todista derivaattafunktion olemassaolo koko tasolla.

    Ketjusta on poistettu 0 sääntöjenvastaista viestiä.

    Luetuimmat keskustelut

    1. Minkähän takia ns. persuille ei tunnu työ maistuvan?

      Vaikuttavat olevan joutoväkeä syystä tai toisesta  – työttömiä tai työeläkeloisia. Muiden rahoilla pötköttelevää väkeä,
      Maailman menoa
      83
      4433
    2. Olit ihan

      Kiihkona silloin. Sen näki ja lähes tunsi. Ei tainnut olla kaukana et olisit vetänyt lähellesi jos siihen olisi hetki tu
      Ikävä
      24
      3088
    3. Miksiköhän vasemmistossa on niin paljon ns. tapatyöttömiä ja muita köyhiä?

      Tokihan Minja Koskela oli sitä mieltä, että ei terveenkään ihmisen ole pakko tehdä töitä, sitä neuvoa moni vassu noudatt
      Maailman menoa
      39
      2854
    4. Trump huonommassa kunnossa kuin Usasta virallisesti sanotaan?

      "Terveys on vakaa mutta ei normaali".Uskallan melkein sanoa,että Trumpin terveydentilaa kaunistellaan.Myös se että se nu
      Maailman menoa
      116
      2625
    5. Kyllä on Vasemmistoliitosta Koskelan johdolla tullut todellinen ääripuolue

      se on niin tulipunainen kuin olla voi, ja selvästi haluaa jatkuvasti eripuraa, ja repiä kansaa kahtia. Siinä on jo vuod
      Maailman menoa
      17
      2499
    6. Suomen veroaste 5 %-yks liian matala

      Palauttamalla kokonaisveroaste 1990-luvun tasolle saadaan hyvinvointivaltion palvelut rahoitettua ilman velan ottoa.
      Maailman menoa
      112
      2248
    7. Oletko keskustellut kaivatustasi muiden

      Kanssa lähiaikoina? Jos, onko keskustelu ollut positiivista tai negatiivista? Vaikuttaako keskustelut mielipiteeseesi ka
      Ikävä
      38
      2201
    8. Kaipaamasi miehen nimi?

      Ja maakunta tai kaupunki?
      Ikävä
      13
      2124
    9. MTV: Harvinainen haastattelu! Vappu Pimiä kommentoi vihdoinkin uutta TTK-juontajaa

      TTK-juontajaspekuloinnit käyvät edelleen kuumana. Kenet sinä haluaisit uudeksi TTK-juontajaksi? Kommentoi alle! Lue,
      Suomalaiset julkkikset
      14
      2015
    10. Yleveron tuotto siirrettävä S-ryhmälle

      Yleisradio on mukana kansanmurhassa. Tuollaista ei voi tukea verovaroin. S-ryhmä on ainoa selkärankainen iso toimija S
      Maailman menoa
      28
      1717
    Aihe