Maksimum ve Minimum Değerler Tanım : f bir fonksiyon ve D, f nin tanım kümesi olsun. D içindeki her x elemanı için f (c) ≥ f (x) ise f fonksiyonunun c noktasında mutlak maksimumumu vardır. f (c) sayısına f nin D deki maksimum değeri denir. TÜREVİN UYGULAMALARI Benzer olarak, D içindeki her x için f (c) ≤ f (x) ise f fonksiyonunun c noktasında mutlak minimumu vardır ve f (c) sayısına f nin D deki minimum değeri denir. f nin maksimum ve minimum değerlerine f nin uç değerleri denir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 1/ 107 Maksimum ve Minimum Değerler MAT 1009 Matematik I 2/ 107 Maksimum ve Minimum Değerler Şekil 1, d noktasında mutlak maksimuma ve a noktasında mutlak minimuma sahip olan bir f fonksiyonunun grafiğini göstermektedir. Bu grafik üzerindeki en üstteki noktanın (d, f (d)) ve en alttaki noktanın (a, f (a)) noktası olduğuna dikkat ediniz. Tanım : x noktası c ye yakın olduğunda f (c) ≥ f (x) ise f fonksiyonunun c noktasında bir yerel maksimumu (ya da göreli maksimum) vardır denir. h Bunun anlamı c yi içeren bir açık aralık içindeki her x için i f (c) ≥ f (x) olmasıdır. Şekil 1: Benzer olarak, x noktası c ye yakın olduğunda f (c) ≤ f (x) ise f nin c noktasında bir yerel minimumu vardır denir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 3/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 4/ 107 Örnek Örnek Örnek : Her x için −1 ≤ cos x ≤ 1 Örnek : f (x) = x2 ise ve herhangi bir n tamsayısı için her x için x2 ≥ 0 olduğundan f (x) ≥ f (0) dır. cos 2nπ = 1 olduğundan, f (x) = cos x fonksiyonu (yerel ve mutlak) minimum değeri olan 1 i sonsuz kez alır. Dolayısıyla f (0) = 0 değeri f nin mutlak (ve yerel) minimum değeridir. Bu y = x2 parabolü üzerindeki en alttaki noktanın başlangıç noktası olduğu gerçeğine karşılık gelir. Benzer olarak herhangi bir n tamsayısı için cos(2n + 1)π = −1 fonksiyonun minimum değeridir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 5/ 107 Örnek... MAT 1009 Matematik I 6/ 107 Örnek Örnek : Şekil 2 de gösterilen f (x) = x3 fonksiyonunun grafiğinden, fonksiyonun hem mutlak maksimum hem de mutlak minimum değerlerinin olmadığını görüyoruz. Aslında yerel uç değerleri yoktur. Bununla beraber, parabol üzerinde en üst nokta yoktur ve bu yüzden bu fonksiyonun maksimum değeri de yoktur. Şekil 2: Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 7/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 8/ 107 Örnek Örnek... Örnek : Şekil 3 de f (x) = 3x4 − 16x3 + 18x2 fonksiyonunun grafiği verilmiştir. −1≤x≤4 Buradan f (1) = 5 in yerel maksimum ve f (−1) = 37 nin mutlak maksimum olduğunu görürüz. [Bu mutlak maksimum bir yerel maksimum değildir. Çünkü uç noktada oluşmuştur.] Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Şekil 3: Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 9/ 107 Örnek... MAT 1009 Matematik I 10/ 107 Uç Değer Teoremi Teorem : f fonksiyonu bir [a, b] kapalı aralığında sürekli ise, c ve d sayıları, [a, b] kapalı aralığında olmak üzere, f (c) mutlak maksimum değerini ve f (d) mutlak minimum değerin alır. Ayrıca f (0) = 0 yerel minmum ve f (3) = −27 hem yerel hem de mutlak minimumdur. Burada f nin x = 4 de ne yerel ne de mutlak maksimum olmadığına dikkat ediniz. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 11/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 12/ 107 Uç Değer Teoremi Maksimum ve Minimum Değerler Uç Değer Teoremi bir kapalı aralıkta sürekli olan bir fonksiyonun bir maksimum ve bir minimum değere sahip olduğunu söyler, fakat bu uç değerlerin nasıl bulunacağı konusunda bir şey söylemez. Yerel uç değerleri arayarak işe başlayalım. Şekilde, Uç Değer Teoreminin hipotezlerinden birini kaldırdığımızda (süreklilik ya da kapalı aralık) fonksiyonun uç değerlere sahip olması gerekmediğini gösterir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 13/ 107 Maksimum ve Minimum Değerler Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 14/ 107 Fermat Teoremi Şekil 4, c de bir yerel maksimumu ve d de bir yerel minimumu olan bir f fonksiyonunun grafiğini göstermektedir. Maksimum ve minimum noktalarda teğet doğruları yataydır ve bunun sonucu olarak her birinin eğimi 0 dır. Türevin teğet doğrusunun eğimi olduğunu biliyoruz. Bu nedenle f ′ (c) = 0 ve f ′ (d) = 0 dır. Fermat Teoremi : Eğer f , c noktasında yerel maksimuma ya da minimuma sahip ve f ′ (c) varsa f ′ (c) = 0 dır. f ′ (c) = 0 olduğunda f nin c noktasında maksimumu ya da minimumu olması gerekmez. (Diğer bir deyişle, Fermat teoreminin tersi genelde doğru değildir.) Şekil 4: Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 15/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 16/ 107 Fermat Teoremi Fermat Teoremi Şekil 6: f (0) = 0 minimum değer fakat f ′ (0) yok. Şekil 5: f ′ (0) = 0 fakat maksimum yada minimum yok Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 17/ 107 MAT 1009 Matematik I 18/ 107 Örnek Tanım Örnek : f (x) = x3/5 (4 − x) fonksiyonunun kritik sayılarını bulunuz. Tanım : f bir fonksiyonu ve c sayısı f nin tanım kümesi içinde olsun. Eğer f ′ (c) = 0 ya da f ′ (c) yoksa c ye f nin bir kritik sayısı denir. Çözüm : Çarpım kuralı ile 3 3(4 − x) f ′ (x) = x−2/5 (4 − x) + x3/5 (−1) = − x3/5 5 5x2/5 = 12 − 8x 3(4 − x) − 5x = 2/5 5x 5x2/5 olur. [Aynı sonuç, ilk olarak f (x) = 4x3/5 − x8/5 yazılarak elde edilebilir.] Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 19/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 20/ 107 Örnek... Fermat Teoremi f ′ (x) = 12 − 8x 5x2/5 Kritik sayının tanımından sonra Fermat teoremi aşağıdaki gibi de yazılabilir: Böylece, f ′ (x) = 0 dan 12 − 8x = 0 3 olur. Buradan x = elde ederiz. x = 0 noktasında türev yoktur. 2 3 Sonuç olarak, ve 0 kritik sayılardır. 2 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Eğer f nin c de bir yerel maksimumu ya da minimumu varsa, c noktası f nin bir kritik sayısıdır. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 21/ 107 MAT 1009 Matematik I 22/ 107 Örnek Kapalı Aralık Yöntemi Örnek : f (x) = x − 2 sin x, 0 ≤ x ≤ 2π fonksiyonunun mutlak maksimum ve mutlak minimum değerlerini tam olarak bulunuz. Bir [a, b] kapalı aralığında tanımlanan bir sürekli fonksiyonun mutlak maksimum ya da minimum değerlerini bulmak için: Çözüm : f (x) = x − 2 sin x fonksiyonu [0, 2π] aralığında süreklidir. f ′ (x) = 1 − 2 cos x olduğundan, 1 f nin (a, b) deki kritik sayılardaki değerlerini bulunuz. 2 Aralığın uç noktalarında f nin değerlerini bulunuz. 3 1. ve 2. adımlardaki değerlerin en büyüğü mutlak maksimum değeri, en küçüğü ise mutlak maksimum değeridir. cos x = 1 ⇒ f ′ (x) = 0 2 olur. Bu x = π/3 ya da 5π/3 iken olur. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 23/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 24/ 107 Örnek... Ortalama-Değer Problemi Bu kritik noktalardaki f değerleri f (π/3) = f (5π/3) = π π π √ − 2 sin = − 3 ≈ −0.684853 3 3 3 Teorem : Eğer f fonksiyonu [a, b] aralığında türevlenebilir bir fonksiyon ise a ve b arasında 5π 5π 5π √ − 2 sin = + 3 ≈ 6.968039 3 3 3 f ′ (c) = dir. f (b) − f (a) b−a ya da denk olarak Uç noktalarda f nin aldığı değerler f (0) = 0 ve f (2π) = 2π ≈ 6.28 dir. eşitliğini sağlayan bir c sayısı vardır. Bu dört değeri √ karşılaştırdığımızda mutlak minimum değeri π f (π/3) = 3 − 3, mutlak maksimum değeri ise √ f (5π/3) = 5π 3 + 3 olarak bulunur. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I f (b) − f (a) = f ′ (c)(b − a) 25/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 26/ 107 Ortalama-Değer Problemi Bu teoremin akla uygun olduğunu geometrik bir yorumla görebiliriz. Şekil 7 türevlenebilir iki fonksiyonun grafikleri üzerinde A(a, f (a)) ve B(b, f (b)) noktalarını göstermektedir. Şekil 7: Türevler ve Bir Eğrinin Eğimi Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 27/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 28/ 107 Örnek Artan ve Azalan Fonksiyonlar Örnek : f (x) = 3x4 − 4x3 − 12x2 + 5 fonksiyonunun artan ve azalan olduğu aralıkları bulunuz. Artan/Azalan Testi Çözüm : (a) Bir aralıkta f ′ (x) > 0 ise, bu aralıkta f artandır. (b) Bir aralıkta f ′ (x) < 0 ise, bu aralıkta f azalandır. f ′ (x) = 12x3 − 12x2 − 24x = 12x(x − 2)(x + 1) Ar/Az Testi’ni kullanmak için nerede f ′ (x) > 0, nerede f ′ (x) < 0 olduğunu bilmek zorundayız. Bu testin adına kısaca Ar/Az Testi diyelim. Bu f ′ (x) in çarpanlarının işaretlerine bağlıdır. Bu çarpanlar, 12x, x − 2 ve x + 1 dir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 29/ 107 Örnek... MAT 1009 Matematik I 30/ 107 Örnek... Gerçel doğruyu uç noktaları −1, 0, 2 kritik sayıları olan aralıklara bölelim ve çalışmamızı bir çizelgeye yerleştirelim. Dolayısıyla f (x) = 3x4 − 4x3 − 12x2 + 5 fonksiyonunu (−∞, −1) aralığında AZALAN, (−1, 0) aralığında ARTAN, (0, 2) aralığında AZALAN, Azalan Artan Azalan (2, ∞) aralığında ise ARTAN dır. Artan Artı işareti, verilen ifadenin pozitif, eksi işareti, verilen ifadenin negatif olduğunu gösterir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 31/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 32/ 107 Yerel Minimum/Maksimum Noktaları Yerel Minimum/Maksimum Noktaları Daha önce f nin c de bir yerel maksimumu ya da minimumu varsa, c nin f nin bir kritik sayısı olması gerektiğini(Fermat Teoremi), fakat her kritik sayıda bir maksimum ya da minimumun ortaya çıkmayacağını hatırlayalım. Bunun sonucu olarak bir kritik sayıda f nin bir yerel maksimumu ya da minimumu olup olmadığını anlayacağımız bir teste ihtiyacımız var. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Birinci Türev Testi Bir f sürekli fonksiyonunun bir kritik sayısının c olduğunu varsayalım. (a) Eğer f ′ türevi c de pozitiften negatife değişirse, f nin c de bir yerel maksimumu vardır. (b) Eğer f ′ türevi c de negatiften pozitife değişirse, f nin c de bir yerel minimumu vardır. (c) Eğer f ′ türevi c de işaret değiştirmezse (f ′ , c nin iki yanında pozitif ya da negatif ise), f nin c de yerel maksimumu ve minimumu yoktur. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 33/ 107 MAT 1009 Matematik I 34/ 107 Örnek Yerel Minimum/Maksimum Noktaları Örnek : f (x) = 3x4 − 4x3 − 12x2 + 5 fonksiyonunun yerel minimum ve maksimum değerlerini bulunuz. Çözüm : Bu fonksiyonun önceki örnekteki fonksiyon olduğunu anımsayınız. O örnekteki çizelgeden f ′ türevinin −1 noktasında negatiften pozitife değiştiğini görürüz. Dolayısıyla f (−1) = 0, Birinci Türev Testi ile bir yerel minimum değeridir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 35/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 36/ 107 Örnek... Bükeylik Bir f fonksiyonunun f ′ türevi bir I aralığı üzerinde artan bir fonksiyon ise f fonksiyonu (ya da grafiği) I üzerinde dışbükeydir denir. Benzer şekilde f ′ türevi, 2 de negatiften pozitife değişir. Burada f (2) = −27 de bir yerel minimum değeridir. Eğer f ′ türevi bir I aralığı üzerinde azalan bir fonksiyon ise f fonksiyonu I üzerinde içbükeydir denir. Ayrıca f (0) = 5 bir yerel maksimum değeridir, çünkü f ′ türevi 0 da pozitiften negatife değişir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 37/ 107 Bükeylik MAT 1009 Matematik I 38/ 107 Bükeylik Bir eğrinin bükeyliğinin yönünün değiştiği noktaya büküm noktası denir. Şekildeki eğri P de dışbükeylikten içbükeyliğe ve Q da içbükeylikten dışbükeyliğe değişir. Dolayısıyla P ve Q noktaları eğrinin büküm noktalarıdır. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 39/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 40/ 107 Bükeylik Bükeylik Bükeylik Testi’nin bir sonucu maksimum ve minimum değerleri veren aşağıdaki testtir. Bükeylik Testi İkinci Türev Testi (a) I aralığındaki her x için f ′′ (x) > 0 ise I üzerinde f nin grafiği dışbükeydir. (b) I aralığındaki her x için f ′′ (x) < 0 ise I üzerinde f nin grafiği içbükeydir. f ′′ türevinin c nin yakınında sürekli olduğunu varsayalım. (a) f ′ (c) = 0 ve f ′′ (c) > 0 ise f nin c de bir yerel minimumu vardır. (b) f ′ (c) = 0 ve f ′′ (c) < 0 ise f nin c de bir yerel maksimumu vardır. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 41/ 107 MAT 1009 Matematik I 42/ 107 Örnek NOT f ′′ (c) = 0 olduğunda İkinci Türev Testi sonuç vermez. Diğer bir deyişle, bu noktada bir maksimum veya bir minimum olabilir ya da her ikisi de olmayabilir. Bu test f ′′ (c) tanımlı olmadığında da geçerli değildir. MAT 1009 Matematik I Çözüm : Eğer f (x) = x4 − 4x3 ise f ′ (x) = 4x3 − 12x2 = 4x2 (x − 3) Böyle durumlarda Birinci Türev Testi kullanılmalıdır. Her iki testin kullanılabildiği durumlarda Birinci Türev Testi’ni kullanmak çoğu kez daha kolaydır. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak Örnek : y = x4 − 4x3 eğrisinin bükeyliğini, büküm noktalarını, yerel maksimum ve yerel minimum değerlerini tartışınız. Bu bilgileri kullanarak eğrinin grafiğini çiziniz. 43/ 107 f ′′ (x) = 12x2 − 24x = 12x(x − 2) olur. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 44/ 107 Örnek... Örnek... f ′ (3) = 0 ve f ′′ (3) > 0 olduğu için f (3) = −27 yerel minimumdur. Kritik sayıları bulmak için birinci türevi 0’a eşitleriz. f ′ (x) = 4x3 − 12x2 = 4x2 (x − 3) = 0 f ′′ (0) = 0 olduğu için ikinci türev testi 0 kritik sayısı için bir bilgi vermez. Buradan x = 0 ve x = 3 elde ederiz. İkinci türev testini kullanabilmek için f ′′ nü kritik sayılarda hesaplarız. ′′ f (0) = 0 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak Fakat x < 0 ve 0 < x < 3 için f ′ (x) < 0 olduğu için birinci türev testi f (x)’in 0’da yerel minimum veya maksimumunun olmadığını söyler. ′′ f (3) = 36 > 0 MAT 1009 Matematik I 45/ 107 Örnek... Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 46/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 48/ 107 Örnek... İkinci türevin köklerini: f ′′ (x) = 12x(x − 2) = 0 ⇒ x = 0 veya x=2 olarak buluruz. (−∞, 0) Dış Bükey (0, 2) İç Bükey (2, ∞) Dış Bükey (0, 0) noktası büküm noktasıdır, çünkü ikinci türev bu noktada işaret değiştirir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 47/ 107 Örnek Örnek... Gerçel doğruyu uç noktaları 0, 4, 6 kritik sayıları olan aralıklara bölelim ve çalışmamızı bir çizelgeye yerleştirelim. Örnek : f (x) = x2/3 (6 − x)1/3 fonksiyonunun grafiğini çiziniz. Çözüm : Fonksiyonun birinci ve ikinci türevlerini hesaplayalım. f ′ (x) = 4−x − x)2/3 f ′′ (x) = x1/3 (6 −8 − x)5/3 x4/3 (6 x = 4 olduğunda f ′ (x) = 0 ve x = 0 ya da x = 6 olduğunda f ′ (x) tanımlı olmadığından 0, 4, 6 noktaları kritik sayılardır. Azalan Artan Azalan Azalan Artı işareti, verilen ifadenin pozitif, eksi işareti, verilen ifadenin negatif olduğunu gösterir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 49/ 107 Örnek MAT 1009 Matematik I 50/ 107 Örnek... f ′′ nü inceleyelim f ′ , x = 0’da işaret değiştirdiği için f (0) = 0 yerel minimumdur. f ′ , x = 4’te işaret değiştirdiği için f (4) = 25/3 yerel maksimumdur. f ′ , x = 6’da işaret değiştirmediği için burada yerel maksimum/minimum yoktur. f ′′ (x) = −8 − x)5/3 x4/3 (6 İkinci türev testi yalnızca x = 4’te kullanılabilir, çünkü x = 0’da ve x = 6’da f ′′ yoktur. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 51/ 107 (−∞, 0) İç Bükey (0, 6) İç Bükey (6, ∞) Dış Bükey (6, 0) noktası büküm noktasıdır, çünkü ikinci türev bu noktada işaret değiştirir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 52/ 107 Örnek... Örnek Örnek : f (x) = e1/x fonksiyonunun asimptotlarla birlikte birinci ve ikinci türevlerini kullanarak grafiğini çiziniz. Çözüm : f nin tanım kümesi {x | x 6= 0} kümesidir. Dolayısıyla x → 0 iken f nin sağdan ve soldan limitlerini hesaplayarak düşey asimptotlarını kontrol edebiliriz. Eğrinin (0, 0) ve (6, 0) noktalarında düşey teğetleri olduğuna dikkat ediniz. Çünkü, x → 0 ve x → 6 iken |f ′ (x)| → ∞ Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 53/ 107 Örnek... MAT 1009 Matematik I 54/ 107 Örnek... x → 0+ iken x → 0− 1/x → ∞ olduğunu biliyoruz. Buradan 1/x → −∞ olduğunu biliyoruz. Buradan lim e1/x = ∞ lim e1/x = 0 x→0+ x→0− çıkar. Bu x = 0’ın düşey asimptot olduğunu gösterir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak iken MAT 1009 Matematik I çıkar. 55/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 56/ 107 Örnek... Örnek... x → ∓∞, iken 1/x → 0 ve lim e1/x = e0 = 1 x→∓∞ dır. Yani y = 1 yatay asipmtottur. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 57/ 107 Örnek... MAT 1009 Matematik I 58/ 107 Örnek... Şimdi f nin birinci türevini hesaplayalım. Zincir kuralı ile f ′ (x) = − e1/x x2 dir. Her x 6= 0 için x2 > 0 ve e1/x > 0 olduğundan, her x 6= 0 için f ′ (x) < 0 dır. Dolayısıyla f fonksiyonu, (−∞, 0) ve (0, ∞) aralıklarında azalandır. Kritik sayı olmadığından, f ’nin yerel maksimum/minimum u yoktur. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 59/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 60/ 107 Örnek... Örnek... İkinci Türev: f ′′ (x) = − e1/x (2x + 1) x2 e1/x (−1/x2 ) − e1/x (2x) = x4 x4 e1/x > 0 ve x4 > 0 olduğundan, x> −1 (x 6= 0) 2 ve x< −1 2 iken iken f ′′ (x) > 0 f ′′ (x) < 0 −1 olur. Böylece eğri (−∞, −1 2 ) aralığında iç bükey, ( 2 , 0) ve (0, ∞) −1 −2 aralıklarında dış bükeydir. ( 2 , e ) noktası büküm noktasıdır. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 61/ 107 MAT 1009 Matematik I 62/ 107 L’Hospital Kuralı a noktasının yakınında (belki a noktası dışında), f ve g fonksiyonlarının türevlenebilir ve g ′ (x) 6= 0 olduğunu varsayalım. lim f (x) = 0 ve lim f (x) = ±∞ ve x→a Belirsizlik Durumları ve L’Hospital Kuralı lim g(x) = 0 x→a ya da x→a olsun.(Diğer bir ifadeyle 0 0 ya da ∞ ∞ lim g(x) = ±∞ x→a belirsizliği olsun.) O zaman, sağ taraftaki limit varsa (ya da ∞ veya −∞ ise), f ′ (x) f (x) = lim ′ x→a g (x) x→a g(x) lim olur. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 63/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 64/ 107 Örnek NOT Örnek : lim x→1 ln x limitini bulunuz. x−1 Çözüm : L’Hospital Kuralı aynı zamanda tek yönlü limitler, sonsuzdaki ve eksi sonsuzdaki limitler için de geçerlidir. Diğer bir ifadeyle ”x → a” yerine x → a+ , x → a− , x → ∞ ve x → −∞ sembollerinden biri gelebilir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I lim ln x = ln 1 = 0 ve x→1 olduğundan L’Hospital Kuralı’nı uygulayabiliriz: ln x lim x→1 x − 1 d (ln x) 1/x = lim dx = lim x→1 d x→1 1 (x − 1) dx 1 = lim = 1 x→1 x Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 65/ 107 Örnek lim (x − 1) = 0 x→1 MAT 1009 Matematik I 66/ 107 Örnek ex limitini hesaplayınız. x→∞ x2 Örnek : lim Çözüm : x lim e = ∞ x→∞ ve Örnek : lim 2 lim x = ∞ x→π − x→∞ olduğundan L’Hospital Kuralı ile sin x limitini bulunuz. 1 − cos x Çözüm : Eğer burada L’Hospital Kuralı’nı koşullarını kontrol etmeden uygularsak ex ex = lim x→∞ x2 x→∞ 2x lim lim x→π − dir. x → ∞ iken ex → ∞ ve 2x → ∞ olduğundan L’Hospital Kuralı uygulanabilir: sin x cos x = lim = −∞ − 1 − cos x x→π sin x elde ederiz. Bu yanlıştır! ex ex ex = lim = lim =∞ x→∞ x2 x→∞ 2x x→∞ 2 lim buluruz. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 67/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 68/ 107 Örnek... Belirsiz Çarpımlar lim x→π − sin x 1 − cos x Eğer x → π − iken paydaki sin x → 0 olmasına rağmen paydadaki 1 − cos x ifadesi sıfıra yaklaşmaz. lim f (x) = 0 ve x→a ise lim f (x)g(x) Dolayısıyla burada L’Hospital Kuralı uygulanamaz. x→a Aslında bu limiti hesaplamak kolaydır, çünkü fonksiyon süreklidir ve payda π de sıfırdan farklıdır: lim x→π − sin π 0 sin x = = =0 1 − cos x 1 − cos π 1 − (−1) Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I lim g(x) = ∞(ya da − ∞) x→a limitinin değerinin, eğer varsa, ne olacağı açık değildir. Bu tür limit, 0 · ∞ türü belirsizlik olarak adlandırılır. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 69/ 107 MAT 1009 Matematik I 70/ 107 Örnek Belirsiz Çarpımlar Örnek : lim x ln x limitini hesaplayınız. x→0+ f · g çarpımını bölüm şeklinde yazarak bu durumu ele alabiliriz: f ·g = f 1/g ya da f ·g = Çözüm : Verilen limit belirsizdir. Çünkü x → 0+ için birinci çarpan (x), 0 a yaklaşırken ikinci çarpan (ln x), −∞ a yaklaşır. x = 1/(1/x) yazarak x → 0+ iken 1/x → ∞ elde ederiz. g 1/f Dolayısıyla L’Hospital Kuralı’nı uygulayarak ∞ türü belirsizliğe dönüştürüp böylece Verilen limiti 00 ya da ∞ L’Hospital Kuralı’nı kullanabiliriz. 1 ln x x lim x ln x = lim = lim x→0+ x→0+ −1 x→0+ 1/x x2 = lim (−x) = 0 x→0+ buluruz. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 71/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 72/ 107 Örnek... NOT Belirisiz Farklar Bu örneği çözerken bir başka seçenek lim f (x) = ∞ ve x→a x lim x ln x = lim x→0+ 1/ ln x x→0+ ise yazmak olabilirdi. Bu 00 türü belirsizlik verir, ama L’Hospital Kuralı’nı uygularsak baştakinden daha karmaşık bir ifade elde ederiz. Genelde belirsiz bir çarpımı yeniden yazarken daha basit bir limit elde edeceğimiz durumu seçmeye çalışırız. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I lim [f (x) − g(x)] x→a limiti ∞ − ∞ türü belirsizlik olarak adlandırılır. Farkı bölüme çevirerek çalışırız. 0 0 ya da Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 73/ 107 Örnek Örnek : lim g(x) = ∞ x→a ∞ ∞ türü belirsizlik elde etmeye MAT 1009 Matematik I 74/ 107 Belirsiz Kuvvetler lim x→(π/2)− (sec x − tan x) limitini hesaplayınız. lim [f (x)]g(x) (π/2)− Çözüm : x → iken sec x → ∞ ve tan x → ∞ olduğundan verilen limit belirsizdir. Burada ortak paydayı kullanırız: sin x 1 − lim (sec x − tan x) = lim cos x x→(π/2)− x→(π/2)− cos x 1 − sin x = lim − cos x x→(π/2) − cos x = lim =0 x→(π/2)− − sin x x → (π/2)− iken 1 − sin x → 0 ve cos x → 0 olmasının, L’Hospital Kuralı’nı uygulamayı haklı çıkardığına dikkat ediniz. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 75/ 107 x→a limitinden çeşitli belirsizlik durumları ortaya çıkar. lim f (x) = 0 x→a lim f (x) = ∞ x→a lim f (x) = 1 x→a ve ve ve lim g(x) = 0 x→a 00 türü lim g(x) = ∞ ∞0 türü lim g(x) = ±∞ 1∞ türü x→a x→a Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 76/ 107 Örnek Belirsiz Kuvvetler Örnek : lim (1 + sin 4x)cot x limitini hesaplayınız. x→0+ Bu üç durumdan her biri ya doğal logaritma alarak: y = [f (x)]g(x) ise Çözüm : İlk olarak x → 0+ iken ln y = g(x) ln f (x) 1 + sin 4x → 1 yada üstel fonksiyon şeklinde yazarak: ve cot x → ∞ olduğundan verilen limitin belirsiz olduğuna dikkat ediniz. [f (x)]g(x) = eg(x) ln f (x) y = (1 + sin 4x)cot x aşılabilir. olsun. O zaman (Bu yöntemlerin her ikisinin de bu fonksiyonların türevlerini bulurken kullanıldığını anımsayınız.) ln y = ln[(1 + sin 4x)cot x ] = cot x · ln(1 + sin 4x) Her iki durumda da 0 · ∞ türü g(x) ln f (x) belirsiz çarpımını elde ederiz. = ln(1 + sin 4x) tan x olur, Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 77/ 107 Örnek... MAT 1009 Matematik I 78/ 107 Örnek Örnek : lim xx limitini bulunuz. 0 ( belirsizliği) 0 ln(1 + sin 4x) lim ln y = lim + + tan x x→0 x→0 x→0+ Çözüm : Herhangi bir x > 0 için 0x = 0, ama herhangi bir x 6= 0 için x0 = 1 olduğundan bu limitin belirsiz olduğuna dikkat ediniz. dolayısıyla L’Hospital Kurali ile = lim x→0+ 4 cos 4x 1+sin 4x sec2 x Fonksiyonu üstel şekilde yazarak devam edebiliriz: =4 xx = (eln x )x = ex ln x buluruz.Buraya kadar ln y nin limitini hesapladık. Fakat biz y nin limitini bulmak istiyoruz. Bunu bulmak için y = eln y olduğunu kullanalım: Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak x→0+ x→0+ x→0+ MAT 1009 Matematik I x→0+ gösterdik. Dolayısıyla lim xx = lim ex ln x = e0 = 1 dir. lim (1 + sin 4x)cot x = lim y = lim eln y = e4 x→0+ daha önce L’Hospital kuralını kullanarak lim x ln x = 0 olduğunu 79/ 107 x→0+ Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 80/ 107 Örnek... Optimizasyon Problemleri Örnek: 2400 ft çiti olan bir çiftçi, bu çit ile bir kenarı ırmağa sınır olan dikdörtgensel bir arazi çevirmek istiyor. Irmak boyunca çit çekmesine gerek yoktur. En büyük alana sahip arazinin boyutları nedir? Sığ, geniş bölgeleri ya da derin, dar bölgeleri denediğimizde küçük alanlar elde ettiğimizi görüyoruz. En büyük alanı arada bulunan şeklin vereceği akla yatkındır. Şekil 8 genel durumu göstermektedir. Dikdörtgenin A alanını maksimum yapmak istiyoruz. x ve y sırasıyla dikdörtgenin derinliği ve genişliği olsun. Çözüm: Bu problemde neler olduğunu hissetmek için birkaç özel durumu deneyelim. Aşağıda (ölçeklenmemiş), 2400 ft lik teli kullanmanın olası yollarından üçünü göstermektedir. Şekil 8: Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 81/ 107 Örnek... MAT 1009 Matematik I 82/ 107 Örnek... Bu durumda A yı x ve y cinsinden ifade ederiz: A = 2400x − 2x2 A = xy x > 0 ve x 6 1200 (aksi takdirde A < 0) olduğuna dikkat ediniz. A yı tek değişkenli fonksiyon olarak ifade etmek istiyoruz. Bu nedenle y yi x cinsinden yazarak yok edeceğiz. Şimdi A(x) = 2400x − 2x2 Bunun için, telin toplam uzunluğunun 2400 ft olduğu bilgisini kullanırız. Buradan, 2x + y = 2400 fonksiyonunu maksimum yapmak istiyoruz. Türev A′ (x) = 2400 − 4x dir. Kritik sayıları bulmak için, olur. Bu denklemden y = 2400 − 2x elde ederiz ve A = x(2400 − 2x) = 2400x − 2x 0 6 x 6 1200 2400 − 4x = 0 2 denklemini çözerek, x = 600 buluruz. buluruz. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 83/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 84/ 107 Örnek... Örnek A nın maksimum değeri ya bu kritik sayıda ya da aralığın bir uç noktasında oluşur. A(0) = 0, A(600) = 720000 ve A(1200) = 0, olduğundan, Kapalı Aralık Yöntemi maksimum değeri A(600) = 720000 olarak verir. Örnek : 1 L yağ koymak için silindir biçiminde bir teneke kutu yapılmak isteniyor. Metal maliyeti minumum olan kutu üretmek için boyutları bulunuz. Çözüm : Şekil 9 deki gibi, yarıçapı r ve yüksekliği h olan bir silindir çiziniz. [Alternatif olarak, her x için A′′ (x) = −4 < 0 olduğundan A daima iç bükeydir ve x = 600 deki yerel maksimum bir mutlak maksimum olmalıdır.] Sonuç olarak, dikdörtgensel bölgenin derinliği 600 ft ve genişliği 1200 ft olmalıdır. Şekil 9: Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 85/ 107 Örnek... MAT 1009 Matematik I 86/ 107 Örnek... Metal maliyetini minimum yapmak için, silindirin toplam yüzey alanını (alt, üst ve yan) minumum yaparız. Şekil 10 den, kenarların, boyutları 2πr ve h olan bir dikdörtgensel levhadan yapıldığını görürüz. Bu nedenle silindirin yüzey alanı A = 2πr2 + 2πrh olur. h yi yok etmek için hacmin 1L olarak verildiğini, 1000 cm3 alarak kullanırız. Böylece πr2 h = 1000 den h= 1000 (πr2 ) olur. Şekil 10: Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 87/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 88/ 107 Örnek... Örnek... Bunu A nın ifadesinde yerine koyarsak 2000 1000 2 = 2πr2 + A = 2πr + 2πr 2 πr r Kritik sayıları bulmak için A(r) nin türevini alırız: A′ (r) = 4πr − elde ederiz. Şimdi 2000 4(πr3 − 500) = r2 r2 Burada πr3 = 500 olduğunda A′ (r) = 0 olur. A(r) = 2πr2 + 2000 r r>0 Bu nedenle tek kritik sayı r = fonksiyonunu minimum yapmak istiyoruz. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 3 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 89/ 107 Örnek... q 500 π dir. MAT 1009 Matematik I 90/ 107 Örnek... [Alernatif olarak, r → 0+ iken A(r) → ∞ ve r → ∞ iken A(r) → ∞ olduğundan, A(r) nin bir minumum değeri olmalı ve bu minimum değer kritik sayıda meydana gelmelidir. Bkz. Şekil 11] A nın tanım kümesi (0, ∞) olduğundan bir önceki örnekteki gibi uç noktaları kullanamayız. q q ′ (r) < 0 ve r > 3 500 için A′ (r) > 0 Ama r < 3 500 için A π π olduğunu, dolayısıyla A nın kritik sayısının solundaki her r için azaldığını ve sağındaki her r için arttığını gözlemleyebiliriz. Böylece, r = q 3 500 π mutlak minimumu vermelidir. Şekil 11: Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 91/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 92/ 107 Örnek... Örnek Örnek : y 2 = 2x parabolü üzerinde (1, 4) noktasına en yakın olan noktayı bulunuz. r= q 3 500 π değerine karşılık gelen h değeri r 1000 1000 3 500 =2 = = 2r h= 2 2/3 πr π π(500/π) dir. q Böylece kutunun maliyetini minimum yapmak için yarıçap 3 500 π cm ve yükseklik yarıçapın iki katı, yani çap olmalıdır. Çözüm : (x, y) ve (1, 4) noktaları arasındaki uzaklık p d = (x − 1)2 + (y − 4)2 ile verilir. (Bkz. Şekil 12) Şekil 12: Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 93/ 107 Örnek... MAT 1009 Matematik I 94/ 107 Örnek... Ama, (x, y) parabolün üzerindeyse, x = y 2 /2 dir ve d nin ifadesi s 2 1 2 y − 1 + (y − 4)2 d= 2 olur. (İkinci seçenek, y = ifade edebilirdik.) √ 2x alarak d yi yalnızca x cinsinden Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 95/ 107 d yi minimum yapmak yerine karesini minimum yapacağız: 2 d = f (y) = 2 1 2 y − 1 + (y − 4)2 2 (d2 nin minimumu ile d nin minimumunun aynı noktada meydana geldiğine, ama d2 ile çalışmanın d ile çalışmaktan daha kolay olduğuna dikkat ediniz.) Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 96/ 107 Örnek... Örnek... Türev alırsak ′ f (y) = 2 1 2 y − 1 y + 2(y − 4) = y 3 − 8 2 elde ederiz, dolayısıyla y = 2 olduğunda f ′ (y) = 0 olur. Karşı gelen x değeri x = y 2 /2 = 2 dir. y < 2 için f ′ (y) < 0 ve y > 2 için f ′ (y) > 0 olduğunu gözlemleyiniz. Böylece y 2 = 2x parabolü üzerinde (1, 4) noktasına en yakın olan nokta, (2, 2) noktasıdır. Buradan Mutlak Uç Değerler için Birinci Türev Testi’ne göre mutlak minimum y = 2 de meydana gelir. (Yalnızca, problemin geometrik yapısından ötürü en yakın noktanın olduğunun fakat en uzak noktanın olmadığının açık olduğunu söyleyebilirdik.) Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 97/ 107 Bir Fonksiyonun İlkeli Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 98/ 107 Bir Fonksiyonun İlkeli Örneğin, f = x2 olsun. Eğer Kuvvet Kuralı’nı aklımızda tutarsak, f nin bir ilkelini bulmak zor değildir. Tanım: Eğer bir I aralığındaki her x için F ′ (x) = f (x) ise, F fonksiyonuna I üzerinde f nin ilkeli denir. F (x) = 13 x3 ise F ′ (x) = x2 = f (x) dir. Fakat G(x) = 13 x3 + 100 fonksiyonu da G′ (x) = x2 yi sağlar. Böylece hem F hem de G fonksiyonları f nin ilkelleridir. Gerçekten, C bir sabit olmak üzere, H(x) = 13 x3 + C biçimindeki her fonksiyon f nin bir ilkelidir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 99/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 100/ 107 Örnek Bir Fonksiyonun İlkeli Örnek : Aşağıdaki fonksiyonların en genel ilkellerini bulunuz. Teorem: F fonksiyonu bir I aralığı üzerinde f nin bir ilkeli ise, C herhangi bir sabit olmak üzere, F (x) + C (1) (a) f (x) = sin x (b) f (x) = 1/x (c) f (x) = xn , n 6= 1 Çözüm : (a) F (x) = − cos x f nin I üzerindeki en genel ilkelidir. ise F ′ (x) = sin x olur. Bu nedenle sin x in bir ilkeli − cos x dir. Teoremden en genel ilkeli G(x) = − cos x + C dir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I Örnek... (b) Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak 101/ 107 MAT 1009 Matematik I 102/ 107 Örnek... Teorem, f (x) = 1/x in genel ilkelinin sıfırı içermeyen herhangi bir aralıkta ln |x| + C olduğunu söyler. 1 d (ln x) = olduğunu anımsayınız. dx x Özel olarak, (−∞, 0) ve (0, ∞) aralıklarının herbirinde bu doğrudur. Bu nedenle (0, ∞) aralığında 1/x in genel ilkeli ln x + C dir. Aynı zamanda, her x 6= 0 için Böylece f nin genel ilkeli F (x) = 1 d (ln |x|) = dx x olduğunu öğrenmiştik. ln x + C1 eğer x > 0 ln(−x) + C2 eğer x < 0 dir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 103/ 107 Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 104/ 107 Örnek... İlkel Formüllerin Tablosu (c) xn nin ilkelini bulmak için Kuvvet Kuralı’nı kullanırız. Aslında, n 6= 1 ise, n+1 (n + 1)xn x d = = xn dx n + 1 n+1 dir. Böylece f (x) = xn nin genel ilkeli F (x) = xn+1 +C n+1 olur. f (x) = xn bir aralık üzerinde tanımlı olduğundan bu n > 0 için geçerlidir. Eğer n negatif (fakat n 6= −1) ise bu 0 ı içermeyen herhangi bir aralıkta geçerlidir. Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 105/ 107 MAT 1009 Matematik I 107/ 107 İlkel Formüllerin Tablosu Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak Öğr.Gör.Dr.Meltem Altunkaynak MAT 1009 Matematik I 106/ 107