FI: JARO 2014 Verze: 6. února 2014
Přednášky k předmětu MB102
Autor: Roman Šimon Hilscher
Přednášející: Petr Hasil
Obsah
Přehled přednášek podle strany ukončení iii
1. Polynomy a interpolace 1
1.1. Interpolace 2
1.2. Lagrangeův interpolační polynom 3
1.3. Derivace polynomu 4
1.4. Hermiteův interpolační polynom 5
1.5. Interpolace splajny 6
1.6. Rozklad na parciální zlomky 7
2. Diferenciální počet 9
2.1. Reálná čísla 9
2.2. Supremum a infimum v R 9
2.3. Intervaly 10
2.4. Limita 10
2.5. Spojitost 15
2.6. Body nespojitosti 20
2.7. Derivace 21
2.8. Vlastnosti a pravidla derivací 25
2.9. Derivace elementárních funkcí 30
2.10. Věty o střední hodnotě 35
2.11. L’Hospitalovo pravidlo 36
2.12. Derivace implicitně zadaných funkcí 37
2.13. Jednoduché slovní úlohy s derivacemi 39
2.14. Monotonie funkce a extrémy 42
2.15. Konvexnost, konkávnost, inflexe 46
2.16. Asymptoty 48
2.17. Celkový průběh funkce 51
2.18. Optimalizace 53
2.19. Diferenciál funkce 54
2.20. Taylorův polynom 56
3. Integrální počet 61
3.1. Primitivní funkce 61
3.2. Základní integrační metody 63
3.3. Integrování racionálních lomených funkcí 69
3.4. Riemannův integrál 71
i
ii
3.5. Vlastnosti Riemannova integrálu 76
3.6. Věty o střední hodnotě 78
3.7. Integrál jako funkce horní meze 81
3.8. Metody výpočtu určitého integrálu 85
3.9. Aplikace určitého integrálu 87
3.10. Nevlastní integrály 94
4. Nekonečné řady 99
4.1. Nekonečné číselné řady 99
4.2. Nekonečné řady s nezápornými členy 105
4.3. Alternující řady 110
4.4. Absolutně a relativně konvergentní řady 112
4.5. Mocninné řady 116
4.6. Poloměr konvergence mocninné řady 119
4.7. Taylorovy a Maclaurinovy řady 127
4.8. Aplikace nekonečných řad 132
4.9. Řady funkcí 134
5. Elementární diferenciální rovnice 136
5.1. Úvod a motivace 136
5.2. Diferenciální rovnice 1. řádu 137
5.3. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými 138
5.4. Lineární diferenciální rovnice 1. řádu 139
5.5. Aplikace lineárních diferenciálních rovnic 1. řádu 142
5.6. Lineární diferenciální rovnice 2. řádu 146
Reference 147
iii
Přehled přednášek podle strany ukončení
Konec 1. přednášky () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Konec 2. přednášky () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Konec 3. přednášky () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Konec 4. přednášky () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Konec 5. přednášky () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Konec 6. přednášky () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Konec 7. přednášky () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Konec 8. přednášky () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Konec 9. přednášky () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Konec 10. přednášky () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Konec 11. přednášky () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Konec 12. přednášky () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
Konec dokumentu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
1
1. Polynomy a interpolace
Citace z [7]: „Touto kapitolou započneme budování nástrojů umožňujících modelování závislostí,
které nejsou ani lineární ani diskrétní. S takovou potřebou se např. setkáme, kdykoliv popisujeme
systém vyvíjející se v čase a to ne jen v několika vybraných okamžicích ale „souvisle , tj. pro všechny
možné okamžiky. Někdy je to přímo záměr či potřeba (třeba ve fyzikálních procesech), jindy je to
vhodné přiblížení diskrétního modelu (třeba u ekonomických nebo populačních modelů).
Polynomem nad R rozumíme zobrazení f : R → R dané výrazem
f(x) = an xn
+ an−1 xn−1
+ · · · + a1 x + a0,
kde ai ∈ R, i = 0, . . . , n, jsou pevně daná čísla (koeficienty).
Pokud je an = 0, říkáme, že polynom f je stupně n. Stupěň nulového polynomu není definován.
Pro polynomy f stupně n a g stupně m, existují jednoznačně určené polynomy q a r takové, že
stupeň r je menší než m nebo je r = 0 a f = q · g + r. Je-li pro nějaký prvek b ∈ R hodnota f(b) = 0,
pak to znamená, že v podílu f(x) = q(x)(x − b) + r(x) musí být r = 0. Jinak by totiž nebylo možné
dosáhnout f(b) = q(b) · 0 + r, kde stupeň r je nulový. Říkáme, že b je kořen polynomu f. Stupeň q
je pak právě n − 1. Pokud má q opět kořen, můžeme pokračovat a po nejvýše n krocích dojdeme
ke konstantnímu polynomu. Dokázali jsme tedy, že každý nenulový polynom nad R má nejvýše tolik
kořenů, kolik je jeho stupeň. Odtud již snadno dovodíme i následující pozorování.
Lemma 1. Dva polynomy f a g nad R jsou si rovny (jako zobrazení), právě když mají shodné
koeficienty.
Důkaz. Předpokládejme f = g, tj. f − g = 0 jako zobrazení. Polynom (f − g)(x) tedy má nekonečně
mnoho kořenů, což je možné pouze tehdy, je-li nulovým polynomem.
Příklad 1. Uvědomme si, že u konečných polí samozřejmě takové tvrzení neplatí. Uvažte např.
polynom p(x) = x2
+ x nad Z2 = {0, 1}. Potom je p(0) = 0 a p(1) = 1 + 1 = 0, ale p(x) není nulový
polynom.
Hornerovo schéma je praktický nástroj pro výpočet hodnoty polynomu v nějakém bodě (v důsledku
i pro výpočet kořenu polynomu a podílu po dělení příslušným kořenovým činitelem). Uvažme polynom
f(x) = an xn
+ an−1 xn−1
+ an−2 xn−2
+ · · · + a2 x2
+ a1 x + a0
a pevně zvolený bod x0 ∈ R. Uvažujme postupně hodnoty
b0 := an, b1 := x0 b0 + an−1, b2 := x0 b1 + an−2, b3 := x0 b2 + an−3, . . . ,
. . . , bn−1 := x0 bn−2 + a1, bn := x0 bn−1 + a0 = f(x0).
Tj. násobíle číslo x0 koeficientem an a přičteme koeficient an−1, pak to celé vynásobíme číslem x0
a přičteme koeficient an−2, atd. Naponec takto získáme hodnotu polynomu f(x) v bodě x0. Poslup
zapisujeme do tabulky takto
an an−1 an−2 an−3 . . . a1 a0
x0 b0 := an b1 b2 b3 . . . bn−1 bn = f(x0)
2
Zejména, je-li poslední koeficient bn = f(x0) = 0, pak je číslo x0 kořenem polynomu f(x), tj. platí
rovnost f(x) = (x − x0) g(x), kde g(x) je polynom stupně n − 1. Současně dostáváme z Hornerova
schématu koeficienty polynomu g(x), tj.
g(x) = b0 xn−1
+ b1 xn−2
+ b2 xn−3
+ · · · + bn−2 x + bn−1.
Příklad 2. Uvažujme polynom f(x) = 3x3
−2x2
+x−18. Pak pro jeho hodnotu v bodě x0 = 1 platí
3 −2 1 −18
1 3 1 2 −16
neboli f(1) = −16 a číslo x0 = 1 není kořenem tohoto polynomu. Naopak, pro x0 = 2 máme
3 −2 1 −18
2 3 4 9 0
neboli číslo x0 = 2 je kořenem tohoto polynomu. Pro polynom f(x) pak platí, že
f(x) = (x − 2) (3x2
+ 4x + 9),
což lze jednoduše ověřit zpětným roznásobením.
1.1. Interpolace. Citace z [7]: „Častá praktická úloha vyžaduje stanovení funkce (polynomu), pro
kterou máme zadány hodnoty v předem daných daných bodech x0, . . . , xn. Pokud by šlo o nulové
hodnoty, umíme přímo zadat polynom
f(x) = (x − x0) (x − x1) . . . (x − xn),
který bude mít nulové hodnoty právě v těchto bodech a nikde jinde. To ale není jediná odpověď,
protože požadovanou vlastnost má i nulový polynom. Ten je přitom jediný s touto vlastností ve
vektorovém prostoru polynomů stupně nejvýše n. Obdobně to dopadne i v obecném případě.
Věta 1. Pro každnou množinu různých bodů x0, . . . , xn ∈ R a předepsané hodnoty y0, . . . , yn ∈ R
existuje právě jeden polynom f stupně nejvýše n (případně nulový polynom), pro který platí
f(xi) = yi, i = 0, . . . , n.
Důkaz. Označme si prozatím neznámé koeficienty polynomu f stupně n
f = anxn
+ · · · + a1x + a0.
Dosazením požadovaných hodnot dostaneme systém n + 1 rovnic pro stejný počet neznámých koeficientů
ai
a0 + x0a1 + · · · + (x0)n
an = y0
...
a0 + xna1 + · · · + (xn)n
an = yn.
Jak je dobře známo z MB101, tento systém lineárních rovnic má právě jedno řešení pokud je
determinant jeho matice různý od nuly, Musíme tedy vyšetřit tzv. Vandermondův determinant
V (x0, . . . , xn) =
1 x0 (x0)2
. . . (x0)n
1 x1 (x1)2
. . . (x1)n
...
...
...
...
...
1 xn (xn)2
. . . (xn)n
.
3
V demonstrativním cvičení k MB101 (viz Příklad 42 v souboru <demo cviceni il2.pdf>) jsme
ukázali, že
V (x0, . . . , xn) =
i,j=0,...,n
i > j
(xi − xj) = 0,
protože jsou body x0, . . . , xn (po dvou) různé. Odtud ale vyplývá jednoznačná existence hledaného
polynomu. Protože polynomy jsou jako zobrazení stejné, právě když mají stejné koeficienty, věta je
dokázána.
Jednoznačně určený polynom f z předchozí věty nazýváme interpolační polynom pro hodnoty yi
v bodech xi.
Citace z [7]: „Polynomy tvoří množinu funkcí jedné proměnné, kterou můžeme použít na proložení
jakékoliv sady předem zadaných hodnot. Navíc se zdají být snadno vyjádřitelné, takže by s jejich
pomocí mělo být dobře možné počítat i hodnoty těchto funkcí pro jakoukoliv hodnotu proměnné x.
Při pokusu o praktické využití v tomto směru ovšem narazíme hned na několik problémů.
Prvním z nich je potřeba rychle vyjádřit polynom, kterým zadaná data proložíme. Pro řešení
výše diskutovaného systému rovnic totiž budeme obecně potřebovat čas úměrný třetí mocnině počtu
bodů, což při hustějších datech je jistě těžko přijatelné. Podobným problémem je pomalé vyčíslení
hodnoty polynomu vysokého stupně v zadaném bodě. Obojí lze částečně obejít tak, že zvolíme vhodné
vyjádření interpolačního polynomu (tj. vybereme lepší bázi příslušného vektorového prostoru všech
polynomů stupně nejvýše n, než je ta standardní 1, x, x2
, . . . , xn
).
1.2. Lagrangeův interpolační polynom. Sestrojíme si nejprve pomocné polynomy ℓi s vlastností
ℓi(xj) =
1 i = j
0 i = j
.
Zřejmě musí být tyto polynomy až na konstantu rovny výrazům
(x − x0) . . . (x − xi−1)(x − xi+1) . . . (x − xn),
a proto
ℓi(x) =
j=i(x − xj)
j=i(xi − xj)
.
Hledaný Lagrangeův interpolační polynom pak je dán jako
f(x) = y0ℓ0(x) + y1ℓ1(x) + · · · + ynℓn(x).
Citace z [7]: „Toto vyjádření má nevýhodu ve velké citlivosti na nepřesnosti výpočtu při malých
rozdílech zadaných hodnot xi, protože se v ní těmito rozdíly dělí. Všimněme si ale, že přímá konstrukce
Lagrangeova polynomu může nahradit existenční část důkazu v předchozí Větě 1.
Ještě horším problémem je velice špatná stabilita hodnot reálných nebo racionálních polynomů při
zvětšující se hodnotě proměnné x. Brzy budeme mít nástroje na přesný popis kvalitativního chování
funkcí, nicméně i bez nich je zřejmé, že podle znaménka koeficientu u nejvyšší mocniny polynomu
se hodnoty velice rychle při rostoucím x vydají buď do plus nebo do mínus nekonečna. Ani toto
znaménko koeficientu u nejvyššího stupně se ale u interpolačního polynomu při malých změnách
prokládaných hodnot nechová stabilně.
Viz str. 129 ve skriptech nebo demonstrativní cvičení k MB101 (soubor <interpolace.pdf>).
4
Příklad 3. Nalezněte polynom P splňující následující podmínky:
P(2) = 1, P(3) = 0, P(4) = −1, P(5) = 6.
Tento příklad a jeho řešení je převzat z [7].
Řešení. Řešíme buď přímo, t.j. sestavením soustavy čtyř lineárních rovnic o čtyřech neznámých.
Předpokládáme polynom ve tvaru a3x3
+ a2x2
+ a1x1 + a0. Víme, že polynom stupně nejvýše tři
splňující podmínky v zadání je dán jednoznačně.
a0 + 2a1 + 4a2 + 8a3 = 1
a0 + 3a1 + 9a2 + 27a3 = 0
a0 + 4a1 + 16a2 + 64a3 = −1
a0 + 5a1 + 25a2 + 125a3 = 6.
Každá rovnice vznikla z jedné z podmínek v zadání.
Druhou možností je vytvořit hledaný polynom pomocí fundamentálních Lagrangeových polynomů:
P(x) = 1 ·
(x − 3)(x − 4)(x − 5)
(2 − 3)(2 − 4)(2 − 5)
+ 0 · (. . . ) +
+ (−1) ·
(x − 2)(x − 3)(x − 5)
(4 − 2)(4 − 3)(4 − 5)
+ 6 ·
(x − 2)(x − 3)(x − 4)
(5 − 2)(5 − 3)(5 − 4)
=
4
3
x3
− 12 x2
+
101
3
x − 29.
Koeficienty tohoto polynomu jsou samozřejmě jediným řešením výše sestavené soustavy lineárních
rovnic.
1.3. Derivace polynomu. Derivace polynomu je lineární zobrazení prostoru Pn polynomů stupně
nejvýše n do prostoru Pn−1 polynomů stupně nejvýše n − 1 takové, že každý polynom xk
standardní
báze je zobrazen na polynom kxk−1
. Tuto operaci značíme ′
.
Příklad 4.
(x)′
= 1, (x2
)′
= 2x, (x3
)′
= 3x2
, (x100
)′
= 100x99
, (1)′
= 0.
Z linearity tohoto zobrazení tedy plyne, že derivace polynomu
P(x) = an xn
+ an−1 xn−1
+ · · · + a2 x2
+ a1 x + a0
je polynom
P′
(x) = n an xn−1
+ (n − 1) an−1 xn−2
+ · · · + 2 a2 x + a1.
Druhá derivace polynomu je opět lineární zobrazení prostoru Pn do prostoru Pn−2 definované jako
iterace výše uvedeného zobrazení derivace. Tj. polynom xk
standardní báze je zobrazen na polynom
k(k − 1)xk−2
. Tuto operaci značíme ′′
.
Příklad 5.
(x)′′
= (1)′
= 0, (x2
)′′
= (2x)′
= 2, (x3
)′′
= (3x2
)′
= 6x,
(x100
)′′
= (100x99
)′
= 9900x98
, (1)′′
= (0)′
= 0.
5
Více se o derivacích (nejen polynomů) dozvíte později v tomto semestru.
1.4. Hermiteův interpolační polynom. Citace z [7]: „Uvažme opět m+1 různých bodů x0, . . . , xm,
tj. xi = xj pro všechna i = j. Předepišme dále hodnoty yi a y′
i aproximované funkce a jejich derivací.
To znamená, že máme předepsány hodnoty a první derivace v zadaných bodech xi. Hledáme polynom
f, který bude nabývat těchto předepsaných hodnot a derivací.
Zcela analogicky jako u interpolace pouhých hodnot obdržíme pro neznámé koeficienty polynomu
f(x) = anxn
+ . . . a0 systém rovnic
a0 + x0a1 + · · · + (x0)n
an = y0
...
a0 + xma1 + · · · + (xm)n
an = ym
a1 + 2x0a2 + · · · + n(x0)n−1
an = y′
0
...
a1 + 2xma2 + · · · + n(xm)n−1
an = y′
m.
Toto je systém 2m + 2 rovnic pro n + 1 neznámých. Volbou stupně hledaného polynomu n = 2m + 1
bude determinant tohoto systému rovnic nenulový a tudíž bude existovat právě jedno řešení. Nalezený
polynom nazýváme Hermiteův interpolační polynom.
Příklad 6. Nalezněte polynom P splňující následující podmínky:
P(1) = 0, P′
(1) = 1, P(2) = 3, P′
(2) = 3.
Řešení. Máme m = 1 a hledáme polynom stupně n = 2m+1 = 3, tj. P(x) = a3 x3
+a2 x2
+a1 x+a0.
Dosazením za x = 1 a x = 2 do výrazu pro P(x) a P′
(x) dostaneme systém
P(1) = a3 + a2 + a1 + a0 = 0,
P(2) = 8a3 + 4a2 + 2a1 + a0 = 3,
P′
(1) = 3a3 + 2a2 + a1 = 1,
P′
(2) = 12a3 + 4a2 + a1 = 3.
Vyřešením tohoto systému dostaneme P(x) = −2x3
+ 10x2
− 13x + 5.
Stejně jako při konstrukci Lagrangeova polynomu lze Hermiteův interpolační polynom zkonstruovat
přímo pomocí tzv. fundamentálních Hermiteových polynomů. Podrobnosti viz skripta prof. Slováka.
Nejjednodušší případ je zadání hodnoty a derivace v jediném bodě. Tím určíme beze zbytku
polynom stupně n = 1, tj.
f(x) = f(x0) + f′
(x0) · (x − x0),
tj. právě rovnici přímky zadané hodnotou a směrnicí v bodě x0.
Příklad 7. Nalezněte polynom P splňující následující podmínky:
P(1) = 2, P′
(1) = 3.
Řešení.
P(x) = P(1) + P′
(1) · (x − 1) = 2 + 3(x − 1) = 3x − 1.
6
Když zadáme hodnotu a derivaci ve dvou bodech, tj. f(x0) = y0, f′
(x0) = y′
0, f(x1) = y1, f′
(x1) =
y′
1 pro dva různé body x0 a x1, dostaneme ještě pořád snadno počítatelný problém. Ukažme si jej v
zjednodušeném provedení, kdy x0 = 0, x1 = 1.
Příklad 8. Hledáme polynom stupně n = 2m+1 = 3, tj. f(x) = a3 x3
+a2 x2
+a1 x+a0. Dosazením
za x = 0 a x = 1 do výrazu pro f(x) a f′
(x) dostaneme systém
f(0) = a0 = y0, f(1) = a3 + a2 + a1 + a0 = y1, f′
(0) = a1 = y′
0, f′
(1) = 3a3 + 2a2 + a1 = y′
1.
Tedy matice tohoto systému a její inverze mají tvar
A =




0 0 0 1
1 1 1 1
0 0 1 0
3 2 1 0



 , A−1
=




2 −2 1 1
−3 3 −2 −1
0 0 1 0
1 0 0 0



 .
(Vypočtěte si tuto inverzi některou z metod z MB101!)
Přímým vynásobením A · (a3, a2, a1, a0)T
pak vyjde vektor (y0, y1, y′
0, y′
1)T
, neboli




a3
a2
a1
a0



 = A−1
·




y0
y1
y′
0
y′
1



 =




2y0 − 2y1 + y′
0 + y′
1
−3y0 + 3y1 − 2y′
0 − y′
1
y′
0
y0



 ,
tj.
f(x) = (2y0 − 2y1 + y′
0 + y′
1) x3
+ (−3y0 + 3y1 − 2y′
0 − y′
1) x2
+ y′
0 x + y0.
Obdobně lze předepisovat libovolný konečný počet derivací v jednotlivých bodech a vhodnou
volbou stupně polynomu obdržíme vždy jednoznačné interpolace.
Bohužel, u těchto interpolací pořád zůstávají problémy zmíněné už v případě jednoduchých interpolací
hodnot – složitost výpočtů a nestabilita. Použití derivací však podbízí jednoduché vylepšení
metodiky.
1.5. Interpolace splajny. Citace z [7]: „Jak jsme viděli na obrázcích demonstrujících nestabilitu
interpolace jedním polynomem dostatečně vysokého stupně, malé lokální změny hodnot zapříčiňovaly
dramatické celkové změny chování výsledného polynomu. Nabízí se tedy využití malých polynomiálních
kousků, které ale musíme umět rozumně navazovat.
Nejjednodušší je propojení vždy dvou sousedních bodů lineárním polynomem. Tak se nejčastěji
zobrazují data (tj. vzniká lomená čára). To znamená, že derivace budou na jednotlivých úsecích
konstantní a pak se skokem změní. O něco sofistikovanější možností je předepsat v každém bodě
hodnotu a derivaci, tj. pro dva body budeme mít 4 hodnoty a jednoznačně tím určíme Hermiteův
polynom 3. stupně, viz výše. Takové polynomiální příblížení po kouscích už bude mít tu vlastnost,
že derivace na sebe budou navazovat.
V praxi ale není pouhé navazování první derivace dostatečné a navíc při naměřených datech nemíváme
hodnoty derivací k dispozici. Přímo se proto vnucuje pokus využívat pouze zadané hodnoty
ve dvou sousedních bodech, ale požadovat zároveň rovnost prvních i druhých derivací u sousedních
kousků polynomů třetího stupně.
7
Definice 1 (Kubický splajn). Nechť x0 < x1 < · · · < xn jsou reálné hodnoty, ve kterých jsou
zadány požadované hodnoty y0, . . . , yn. Kubickým interpolačním splajnem pro toto zadání je funkce
S : R → R, která splňuje následující podmínky:
• zúžení S na interval [xi−1, xi] je polynom Si třetího stupně, i = 1, . . . , n,
• Si(xi−1) = yi−1 a Si(xi) = yi pro všechny i = 1, . . . n,
• S′
i(xi) = S′
i+1(xi) pro všechny i = 1, . . . , n − 1,
• S′′
i (xi) = S′′
i+1(xi) pro všechny i = 1, . . . , n − 1.
Citace z [7]: „Kubický splajn pro n+1 bodů sestává z n kubických polynomů, tj. máme k dispozici
4n volných parametrů (první definiční podmínka). Další podmínky přitom zadávají 2n + (n − 1) +
(n − 1) rovností, tj. dva parametry zůstávají volné. Při praktickém použití se dodávají předpisy pro
derivace v krajních bodech, tzv. „úplný splajn , nebo jsou tyto zadány jako nula, tzv. „přirozený
splajn .
Příklad 9. Zadání viz Příklad 3 (interpolace). Obr. viz. soubor <interpolace a splajn.pdf>
Citace z [7]: „Výpočet celého splajnu už není bohužel tak jednoduchý jako u nezávislých výpočtů
Hermiteových polynomů třetího stupně, protože data se prolínají vždy mezi sousedními intervaly.
Při vhodném uspořádání se však dosáhne matice systému, která má nenulové prvky prakticky jen ve
třech diagonálách, a pro takové existují vhodné numerické postupy, které umožní splajn počítat také
v čase úměrném počtu bodů.
Více ve skriptech [7].
1.6. Rozklad na parciální zlomky. Jsou-li P(x) a Q(x) polynomy, Q(x) ≡ 0 (t.j. polynom Q není
identicky roven nulovému polynomu), potom se výraz
R(x) :=
P(x)
Q(x)
nazývá racionální lomenou funkcí.
Je-li st P < st Q, pak R(x) nazýváme ryze lomenou.
Pokud nemají polynomy P(x) a Q(x) společný kořen (tj. ve funkci R(x) již nejde žádný výraz s
proměnnou x pokrátit), potom každou takovou ryze racionální lomenou funkci lze rozložit na součet
parciálních zlomků. Tento součet je až na pořadí jednotlivých zlomků určen jednoznačně.
Tvar jednotlivých parciálních zlomků najdeme podle kořenů a násobností jmenovatele, tj. podle
funkce Q(x). Elementární kořenové činitele polynomu Q(x) lze nad R uvažovat buď lineární (odpovídající
reálným kořenům) nebo kvadratické (odpovídající dvojicím komplexně sdružených komplexních
kořenů).
• Je-li α ∈ R reálný kořen násobnosti k, potom polynom Q(x) obsahuje činitel (x − α)k
, a
příslušné parciální zlomky jsou tvaru
A1
(x − α)k
+
A2
(x − α)k−1
+
A3
(x − α)k−2
+ · · · +
Ak
x − α
.
• Je-li β ± γi ∈ C dvojice komplexně sdružených komplexních kořenů násobnosti k (každý z
nich), potom polynom Q(x) obsahuje činitel (x2
+ px + q)k
, jehož diskriminant je záporný, a
příslušné parciální zlomky jsou tvaru
B1x + C1
(x2 + px + q)k
+
B2x + C2
(x2 + px + q)k−1
+
B3x + C3
(x2 + px + q)k−2
+ · · · +
Bkx + Ck
x2 + px + q
.
8
Je nutné vždy zahrnout všechny parciální zlomky (až do stupně k)!
Příklad 10.
R(x) =
x2
+ 7x + 1
x (x − 1)3 (x2 + x + 1)2
=
A
x
+
B
(x − 1)3
+
C
(x − 1)2
+
D
x − 1
+
Ex + F
(x2 + x + 1)2
+
Gx + H
x2 + x + 1
.
Neznáme koeficienty u parciálních zlomků hledáme buď převodem nazpět na společného jmenovatele
a porovnáním koeficientů u jednotlivých mocnin (což vede na systém lineárních rovnic), nebo
jednodušeji dosadíme za proměnnou x hodnoty kořenů polynomu Q(x).
Příklad 11.
R(x) =
x + 1
(x − 1) (x − 2)2
=
A
x − 1
+
B
(x − 2)2
+
C
x − 2
=
A (x − 2)2
+ B (x − 1) + C (x − 1) (x − 2)
(x − 1) (x − 2)2
Porovnáváme polynomy v čitateli:
x + 1 = A (x − 2)2
+ B (x − 1) + C (x − 1) (x − 2).
Volbou x = 1 dostaneme A = 2, volbou x = 2 dostaneme B = 3. Další kořeny již jmenovatel nemá,
zvolíme proto libovolnou jinou „jednoduchou hodnotu, např. x = 0 a dostaneme 4A − B + 2C = 1,
tj. C = −2. Je tedy
R(x) =
2
x − 1
+
3
(x − 2)2
−
2
x − 2
.
9
2. Diferenciální počet
2.1. Reálná čísla. Reálná čísla zavedeme v podstatě intuitivně jako obrazy bodů na přímce, kde
vyznačíme bod 0 označující počátek a rozhodneme o kladném směru (doprava). Značíme R. Matematicky
lze reálná čísla zavést pomocí axiomů, viz skripta prof. Slováka. Zejména si z MB101 zopakujte
pojmy suprema a infima, se kterými budeme pracovat.
2.2. Supremum a infimum v R. Nechť je dána neprázdná množina A ⊆ R. Prvek b ∈ R nazveme
horní závorou množiny A, pokud ∀ x ∈ A : x ≤ b,
tj. pokud je prvek b větší (nebo roven) než všechny prvky v množině A. Obdobně se definuje
dolní závora množiny A, tj. je to prvek a ∈ R s vlastností, že a ≤ x pro všechny x ∈ A.
Řekneme, že množina A je shora ohraničená (shora omezená), pokud má A alespoň jednu horní
závoru. Podobně se definuje zdola ohraničená (zdola omezená) množina A. Množina A je ohraničená
(omezená), pokud je A současně zdola i shora ohraničená. Viz příklady reálných intervalů.
Nejmenší horní závora množiny A se nazývá supremum množiny A. Tj. prvek b ∈ R je supremum
množiny A, pokud jsou splněny následující dvě podmínky:
− ∀ x ∈ A : x ≤ b (tj. b je horní závora množiny A),
− je-li y ∈ R horní závora množiny A, potom je b ≤ y (tj. b je nejmenší horní závora).
Supremum množiny A značíme jako
b = sup A.
Obdobně se definuje infimum množiny A, neboli je to největší dolní závora množiny A, značíme
a = inf A.
Příklad 12. Je-li A libovolný z intervalů (0, 1), [0, 1], [0, 1) nebo (0, 1], potom je vždy
sup A = 1 a inf A = 0.
Má-li množina A největší prvek b (tj. všechny ostatní prvky jsou menší než b), potom je b = sup A.
Podobně, má-li množina A nejmenší prvek a (tj. všechny ostatní prvky jsou menší než a), potom
je a = inf A. Výhoda suprema či infima oproti největšímu či nejmenšímu prvku spočívá v tom, že
největší či nejmenší prvek nemusí v A existovat, i když je množina A ohraničená, ale supremum a
infimum existují vždy.
Axiom 1.
(i) Každá neprázdná shora ohraničená množina A ⊆ R má supremum.
(ii) Každá neprázdná zdola ohraničená množina A ⊆ R má infimum.
Tyto axiomy zaručují, že v množině reálných čísel nejsou žádné „díry . Navíc lze jednoduše dokázat,
že tvrzení (i) a (ii) jsou navzájem ekvivalentní, tj. stačí mít k dispozici jen jeden z nich, a ten druhý
pak již platí automaticky.
10
2.3. Intervaly. Budeme se striktně držet značení, že uzavřený interval je označen hranatými závorkami
[a, b] (krajní body tam patří), zatímco otevřený interval je označen kulatými závorkami (a, b)
(krajní body tam nepatří). Podobně budeme uvažovat polouzavřené intervaly [a, b) a (a, b].
Nekonečné intervaly (neohraničené zdola nebo shora) značíme jako
(−∞, ∞), [a, ∞), (a, ∞), (−∞, b], (−∞, b).
Symbol −∞ a ∞ do intervalu nikdy nepatří, je to jen značení, že do intervalu patří libovolně velké
záporné či kladné body.
Definiční obor funkce f(x) budeme značit symbolem D(f), obor hodnot pak symbolem H(f).
2.4. Limita. V tomto odstavci se budeme podrobně zabývat situací, kdy se nějaké hodnoty funkce
(nebo posloupnosti) „blíží k nějakému číslu či k ±∞. To pak přirozeně vede k zavedení pojmu
„limita .
Příklad 13.
(a) K přiblížení pojmu „limita může dobře posloužit již známý pojem infima či suprema. V
Příkladu 12 jsme ukázali, že
0 = inf(0, 1), 1 = sup(0, 1),
a přitom ani jedno z čísel 0, 1 v množině (0, 1) neleží. Uvažujme posloupnost bodů
1
n
∞
n=2
=
1
2
,
1
3
,
1
4
, . . . ∈ (0, 1)
pro zvyšující se n. Potom vidíme, že se hodnoty této posloupnosti „nekonečně blíží k hodnotě
infima (k nule), ale nikdy této hodnoty nedosáhnou. Podobně toto platí pro posloupnost
n − 1
n
∞
n=2
=
1
2
,
3
4
,
4
5
, . . . ∈ (0, 1)
a hodnotu suprema (jedničku).
(b) Naopak, členy posloupnosti
n
∞
n=0
= {0, 1, 2, 3, . . . }
se „nekonečně blíží k +∞ (ale nikdy této „hodnoty nedosáhnou), stejně tak jako členy
posloupnosti
− n
∞
n=0
= {0, −1, −2, −3, . . . }
se „nekonečně blíží k −∞ (ale nikdy této „hodnoty nedosáhnou).
(c) Podobně se funkční hodnoty funkce f(x) = 1
x
„nekonečně blíží k číslu 0 když se nezávislá
proměnná x zvyšuje k ±∞ (viz obr.).
Intuitivní definice limity: „Funkce f(x) má limitu L v bodě x0, pokud se funkční hodnoty f(x)
libovolně blíží k číslu L, když je x dostatečně blízko k x0. Píšeme
lim
x→x0
f(x) = L.
Příklad 14. Uvádíme různé „druhy limit – vlastní/nevlastní limita ve vlastním/nevlastním bodě.
11
(a) Pro funkci f(x) = 3x + 1 máme (viz obr.)
lim
x→3
(3x + 1) = 10, lim
x→∞
(3x + 1) = ∞.
(b) Pro funkci f(x) = 1
x2 máme (viz obr.)
lim
x→0
1
x2
= ∞, lim
x→∞
1
x2
= 0, lim
x→−∞
1
x2
= 0.
Označení . R∗
:= R ∪ {±∞}. Body x ∈ R se nazývají vlastní body, body x = ±∞ se nazývají
nevlastní body.
Definice 2 (Okolí bodu). Buď x0 ∈ R∗
. Okolí O(x0) bodu x0 je otevřený interval s vlastností (viz
obr.)
O(x0) =



(x0 − δ, x0 + δ), je-li x0 ∈ R,
(a, ∞), je-li x0 = ∞ (a ∈ R),
(−∞, b), je-li x0 = −∞ (b ∈ R).
Množina O(x0) \ {x0} (pro x0 ∈ R) se nazývá ryzí (též prstencové) okolí bodu x0.
Pro x0 ∈ R definujeme pravé okolí bodu x0 jako interval [x0, x0 + δ) a levé okolí bodu x0 jako
interval (x0 −δ, x0]. Podobně je pravé ryzí okolí bodu x0 interval (x0, x0 +δ) a levé ryzí okolí bodu x0
interval (x0 − δ, x0).
Definice 3 (Limita). Buď x0, L ∈ R∗
. Funkce f(x) má v bodě x0 limitu L, píšeme
lim
x→x0
f(x) = L,
pokud pro každé okolí O(L) bodu L existuje okolí O(x0) bodu x0 tak, že
pro všechna x ∈ O(x0) \ {x0} je f(x) ∈ O(L). (1)
To, že v podmínce (1) požadujeme, aby x = x0 , znamená, že
limita nezávisí na hodnotě funkce v bodě x0!
Interpretace Definice 3 záleží na tom, jestli je x0 a L vlastní nebo nevlastní bod.
Definice 4 (Vlastní limita ve vlastním bodě). Buď x0, L ∈ R. Funkce f(x) má v bodě x0 limitu
L, pokud pro každé ε > 0 (toto číslo ε určuje okolí O(L) = (L − ε, L + ε) bodu L) existuje δ > 0
(toto číslo δ určuje okolí O(x0) = (x0 − δ, x0 + δ) bodu x0) takové, že
pro všechna x taková, že 0 < |x − x0| < δ
x∈O(x0)\{x0}
je |f(x) − L| < ε
f(x)∈O(L)
. (2)
12
Zkráceně lze Definici 4 přepsat jako
∀ε > 0 ∃δ > 0 tak, že ∀x : 0 < |x − x0| < δ ⇒ |f(x) − L| < ε.
Příklad 15. Ukažte z definice, že limx→3(3x + 1) = 10, viz obr.
Řešení. Buď ε > 0 libovolné. Chceme najít číslo δ > 0 takové, aby |y − 10| < ε, kdykoliv bude
0 < |x − 3| < δ. Tedy
(3x + 1) − 10 < ε, tj. |3x − 9| < ε, tj. |x − 3| <
ε
3
.
Stačí tedy vzít δ := ε
3
, případně libovolné jiné δ splňující 0 < δ ≤ ε
3
.
Definice 5 (Vlastní limita v nevlastním bodě). Buď x0 = ∞, L ∈ R. Potom
lim
x→∞
f(x) = L,
pokud pro každé ε > 0 (toto číslo ε určuje okolí O(L) = (L − ε, L + ε) bodu L) existuje a > 0 (toto
číslo a určuje okolí O(∞) = (a, ∞) bodu ∞) takové, že
pro všechna x > a
x∈O(∞)
je |f(x) − L| < ε
f(x)∈O(L)
. (3)
Buď x0 = −∞, L ∈ R. Potom
lim
x→−∞
f(x) = L,
pokud pro každé ε > 0 (toto číslo ε určuje okolí O(L) = (L − ε, L + ε) bodu L) existuje b < 0 (toto
číslo b určuje okolí O(−∞) = (−∞, b) bodu −∞) takové, že
pro všechna x < b
x∈O(−∞)
je |f(x) − L| < ε
f(x)∈O(L)
. (4)
Příklad 16. Ukažte z definice, že limx→∞
1
x
= 0, viz obr.
Řešení. Buď ε > 0 libovolné. Chceme najít číslo a > 0 takové, aby |y − 0| < ε, kdykoliv bude x > a.
Tedy
1
x
< ε, tj.
1
x
< ε, tj. x >
1
ε
.
Stačí tedy vzít a := 1
ε
, případně libovolné jiné a splňující a ≥ 1
ε
.
13
Příklad 17. Určete limitu posloupnosti an = 1 + 1
n
n
pro n → ∞.
Řešení. Ukáže se, že je tato posloupnost rostoucí a shora ohraničená a tudíž má limitu. Tuto limitu
označujeme symbolem e a nazýváme ji Eulerovým číslem (základ přirozených logaritmů). Je tedy
lim
n→∞
1 +
1
n
n
= e .
Více ve skriptech prof. Slováka (str. 153–154).
Podobně interpretujeme
– nevlastní limitu ve vlastním bodě (x0 ∈ R, L = ±∞),
– nevlastní limitu v nevlastním bodě (x0 = ±∞, L = ±∞).
Ve vlastních bodech x0 se můžeme blížit k bodu x0 také jen zprava nebo jen zleva, tj. v Definici 3
použijeme v podmínce (1) pouze pravé ryzí okolí bodu x0 nebo pouze levé ryzí okolí bodu x0.
Dostáváme pak pojmy limity zprava a limity zleva:
Definice 6 (Limita zprava/zleva). Buď x0 ∈ R, L ∈ R∗
. Funkce f(x) má v bodě x0 limitu zprava
rovnu číslu L, píšeme
lim
x→x+
0
f(x) = L,
pokud pro každé okolí O(L) bodu L existuje δ > 0 tak, že
pro všechna x ∈ (x0, x0 + δ) je f(x) ∈ O(L). (5)
Funkce f(x) má v bodě x0 limitu zleva rovnu číslu L, píšeme
lim
x→x−
0
f(x) = L,
pokud pro každé okolí O(L) bodu L existuje δ > 0 tak, že
pro všechna x ∈ (x0 − δ, x0) je f(x) ∈ O(L). (6)
Příklad 18.
(a) Pro funkci sgn x („signum =znaménko, viz obr.) definovanou jako
sgn x :=



1, pro x > 0,
−1, pro x < 0,
0, pro x = 0,
platí
lim
x→0+
sgn x = 1, lim
x→0−
sgn x = −1.
(b) Pro funkci 1
x
platí (viz obr.)
lim
x→0+
1
x
= ∞, lim
x→0−
1
x
= −∞.
14
A kdy limita neexistuje? Pokud má funkce v bodě x0 a jeho okolí následující chování:
• skok – funkce má obě jednostranné limity vlastní, které jsou ale různé (viz Příklad 18(a)),
• „nekonečný skok – funkce má obě jednostranné limity, přičemž alespoň jedna z nich je nevlastní
(tj. ±∞), tyto jednostranné limity jsou ale různé (viz Příklad 18(b)),
• oscilace – např. funkce f(x) = sin 1
x
v bodě x0 = 0, viz obr.
Příklad 19. Funkce
q(x) :=
1, pro x ∈ Q (tj. pro x racionální),
0, pro x ∈ Q (tj. pro x iracionální),
nemá limitu v žádném bodě x0 ∈ R∗
, protože v libovolném okolí zvoleného bodu x0 se nacházejí jak
racionální tak iracionální čísla a tedy tato funkce zde nabývá hodnot 1 i 0 (a tedy zde nemůže mít
limitu).
V následujícím si přiblížíme některé základní vlastnosti limit.
Věta 2 (Vlastnosti limit).
(i) Funkce f(x) má v bodě x0 ∈ R∗
nejvýše jednu limitu.
(ii) Má-li f(x) vlastní limitu L ∈ R v bodě x0 ∈ R∗
, potom je f(x) na nějakém ryzím okolí bodu
x0 ohraničená.
(iii) Limita existuje právě když existují obě jednostranné limity a jsou si rovny, tj.
lim
x→x0
f(x) = L ⇔ lim
x→x+
0
f(x) = L = lim
x→x−
0
f(x).
Věta 3 (Vlastnosti limit). Jsou-li
lim
x→x0
f(x) = L, lim
x→x0
g(x) = M,
kde L, M ∈ R (pouze vlastní limity!) a x0 ∈ R∗
, potom
lim
x→x0
f(x) ± g(x) = L ± M, (7)
lim
x→x0
f(x) . g(x) = L . M, (8)
lim
x→x0
f(x)
g(x)
=
L
M
, pokud M = 0, (9)
lim
x→x0
f(x) = lim
x→x0
f(x) = |L|. (10)
Věta 4 (O třech limitách). Nechť x0, L ∈ R∗
. Je-li g(x) ≤ f(x) ≤ h(x) na nějakém ryzím okolí
bodu x0 a je-li
lim
x→x0
g(x) = L = lim
x→x0
h(x),
potom také existuje limita funkce f(x) a je rovna číslu L, tj.
lim
x→x0
f(x) = L.
15
Příklad 20. Rozhodněte, jestli má funkce x sin 1
x
limitu v bodě x0 = 0.
Řešení. Protože je funkce sin x ohraničená (jedničkou shora a mínus jedničkou zdola), pro x = 0
platí nerovnosti
−|x| ≤ x sin
1
x
≤ |x|.
A protože limx→0 |x| = 0, existuje podle Věty 4 také limita funkce x sin 1
x
a platí
lim
x→0
x sin
1
x
= 0.
Poznámka 1. Všechny vlastnosti limit uvedené ve Větách 2, 3 a 4 platí i pro jednostranné limity,
tj. pro limity zprava a zleva.
Poznámka 2. Pro výpočet limit používáme značení pro „typ dané limity, např. typ 0
0
, typ k
0
,
typ k
∞
, typ ∞
∞
, atd. Typ dané limity zjistíme tak, že dosadíme do daného výrazu přímo limitní
hodnotu x = x0. Kupříkladu
lim
x→2
x2
− 4
x2 + 4
typ
0
8
= 0.
2.5. Spojitost. Spojitost funkce je důležitým znakem jejího chování. Uvidíme, že spojité funkce
mají téměř všechny „důležité vlastnosti.
Funkce f(x) je spojitá v bodě x0 ∈ R, jestliže existuje v tomto bodě vlastní limita L, v bodě x0
existuje funkční hodnota f(x0) a tyto dvě čísla jsou si rovny, tj. pokud
lim
x→x0
f(x) = f(x0).
Spojitost zprava a spojitost zleva v bodě x0 se definuje stejně, ale s pomocí jednostranné limity,
tj.
lim
x→x+
0
f(x) = f(x0), lim
x→x−
0
f(x) = f(x0).
Příklad 21. Funkce (viz obr.)
f(x) :=



2 − x, pro x ∈ [0, 1),
2, pro x ∈ [1, 2),
1, pro x = 2,
2, pro x ∈ (2, 3],
5 − x, pro x ∈ (3, 4),
2, pro x = 4,
je
• spojitá v každém bodě x ∈ [0, 4] kromě x = 0, 1, 2, 4,
• spojitá zprava v každém bodě x ∈ [0, 4] kromě x = 2, 4,
• spojitá zleva v každém bodě x ∈ [0, 4] kromě x = 0, 1, 2, 4.
16
Věta 5 (Vlastnosti spojitých funkcí).
(i) Jsou-li funkce f(x) a g(x) spojité v bodě x0, pak jsou zde spojité i funkce
(f ± g)(x), f(x) . g(x),
f(x)
g(x)
pro g(x0) = 0.
(ii) (Věta o záměnnosti limitního přechodu a funkce.) Nechť x0 ∈ R∗
. Je-li limx→x0 g(x) = M a
je-li funkce f(y) spojitá v bodě y0 = M, potom
lim
x→x0
f g(x) = f lim
x→x0
g(x) = f(M).
(iii) (Spojitost složené funkce.) Je-li funkce g(x) spojitá v bodě x0 a je-li funkce f(y) spojitá v
bodě y0 = g(x0), potom je složená funkce (f ◦ g)(x) = f g(x) spojitá v bodě x0.
Všimněte si, že vlastnost (10) je speciálním případem Věty 5(ii), protože je |x| spojitá funkce.
Příklad 22. Ve Větě 5(ii) může existovat limx→x0 f g(x) i v případě, že limx→x0 g(x) neexistuje.
Např. pro g(x) = sgn x a f(y) = y2
platí, že limx→0 sgn x neexistuje, ale přesto je
lim
x→0
f g(x) = lim
x→0
(sgn x)2
= lim
x→0
1 = 1.
Příklady spojitých funkcí:
• konstantní funkce f(x) = C (v každém bodě x ∈ R),
• polynom P(x) (v každém bodě x ∈ R),
• racionální lomená funkce R(x) = P(x)
Q(x)
(v každém bodě x ∈ D(R), tj. v každém bodě x, kde
Q(x) = 0),
• trigonometrické funkce (všude, kde jsou definovány).
Spojitost funkcí lze dobře využít k výpočtu limit – prostým dosazením.
Příklad 23.
lim
x→−1
(x2
+ 2x) = (−1)2
+ 2(−1) = −1, lim
x→0
cos x = cos 0 = 1.
V následujících příkladech uvádíme tzv. základní limity.
Příklad 24. Určete
lim
x→0
sin x
x
.
Řešení. Dosazením za x = 0 dostaneme, že tato limita je typu 0
0
.
Pro x ∈ (0, π
2
) platí
sin x < x < tg x (viz obr.).
A protože je pro tato x hodnota sin x > 0, je
1 <
x
sin x
<
1
cos x
, tj. cos x <
sin x
x
< 1.
17
Jelikož je funkce cos x spojitá (v nule), obě strany nerovnosti se pro x → 0+
blíží k 1, a tedy podle
věty o třech limitách (Věta 4) je
lim
x→0+
sin x
x
= 1.
Protože je funkce sin x
x
sudá, existuje také limita zleva a je rovna 1, tj.
lim
x→0−
sin x
x
= 1 = lim
x→0+
sin x
x
Věta 2(iii)
⇒ lim
x→0
sin x
x
= 1 . (11)
Příklad 25. Určete
lim
x→0
1 − cos x
x
.
Řešení. Dosazením za x = 0 dostaneme, že tato limita je typu 0
0
.
lim
x→0
1 − cos x
x
= lim
x→0
1 − cos x
x
·
1 + cos x
1 + cos x
= lim
x→0
1 − cos2
x
x
·
1
1 + cos x
= lim
x→0
sin2
x
x
·
1
1 + cos x
= lim
x→0
sin x
x
→ 1
· sin x
→ 0
·
1
1 + cos x
→
1
2
= 1 . 0 .
1
2
= 0.
Proto je
lim
x→0
1 − cos x
x
= 0 . (12)
Příklad 26. Určete
lim
x→0
ex
− 1
x
.
Řešení. Dosazením za x = 0 dostaneme, že tato limita je typu 0
0
.
Pomocí nerovnosti
1 +
x
x + 1
< ex
< 1 +
x
1 − 2x
, pro x ∈ (0, 1
2
),
neboli (viz. soubor <limita e na x.pdf>)
1
x + 1
<
ex
− 1
x
<
1
1 − 2x
, pro x ∈ (0, 1
2
),
dostaneme z věty o třech limitách (Věta 4), že
lim
x→0+
ex
− 1
x
= 1.
Podobně, platí
1
1 − 2x
<
ex
− 1
x
<
1
x + 1
, pro x ∈ (−1
2
, 0),
18
a tedy podle věty o třech limitách (Věta 4) platí
lim
x→0−
ex
− 1
x
= 1.
Celkově tedy podle Věty 2(iii) je
lim
x→0
ex
− 1
x
= 1 . (13)
Příklad 27. Určete
lim
x→0
ln(1 + x)
x
.
Řešení. Z Příkladu 26 máme, že pro malé x je ex
− 1 ≈ x, tedy je ex
≈ 1 + x. Logaritmováním obou
stran dostaneme, že x ≈ ln(1 + x). Tedy platí, že
lim
x→0
ln(1 + x)
x
= 1 . (14)
Příklad 28. Určete
lim
x→0
ax
− 1
x
.
Řešení. Dosazením za x = 0 dostaneme, že tato limita je typu 0
0
.
Pomocí rovnosti ax
= eln ax
= ex ln a
dostaneme
lim
x→0
ax
− 1
x
= lim
x→0
ex ln a
− 1
x ln a
→ 1
· ln a = ln a,
a tedy je
lim
x→0
ax
− 1
x
= ln a . (15)
Všimněte si, že nyní je limita (13) speciálním případem limity (15) pro a = e.
Příklad 29. Určete
lim
x→0
loga(1 + x)
x
.
Řešení. Dosazením za x = 0 dostaneme, že tato limita je typu 0
0
.
Pomocí rovnosti loga(1 + x) = ln(1+x)
ln a
dostaneme
lim
x→0
loga(1 + x)
x
= lim
x→0
ln(1 + x)
x
→ 1
·
1
ln a
=
1
ln a
,
19
a tedy je
lim
x→0
loga(1 + x)
x
=
1
ln a
. (16)
Všimněte si, že nyní je limita (14) speciálním případem limity (16) pro a = e.
Spojitost na intervalu – Buď I ⊆ D(f). Funkce f(x) je spojitá na intervalu I, je-li spojitá v každém
vnitřním bodě intervalu I a patří-li levý/pravý krajní bod do intervalu I, je v něm f(x) spojitá
zprava/zleva. Píšeme
f ∈ C(I), případně f ∈ C[a, b], pokud I = [a, b].
(Písmeno „C pochází z anglického continuous=spojitý.)
Příklad 30.
(a) f(x) =
√
4 − x2 (viz obr.), f(x) je spojitá na intervalu [−2, 2], tj. f ∈ C[−2, 2].
(b) f(x) = 1
x
(viz obr.), f(x) je spojitá na intervalu (−∞, 0), na intervalu (0, ∞), ale není spojitá
na intervalu (−∞, ∞) (na R).
(c) Všimněte si, že spojitost funkce na intervalech (−∞, 0) a [0, ∞) stále ještě nemusí stačit pro
spojitost na celém R. Např. funkce (viz obr.)
f(x) :=
0, pro x < 0,
1, pro x ≥ 0,
je spojitá na každém z intervalů intervalech (−∞, 0) a [0, ∞), ale není spojitá na R.
Věta 6 (Weierstrassova). Je-li funkce f(x) spojitá na intervalu [a, b], tj. na uzavřeném konečném
intervalu, potom je na tomto intervalu ohraničená a nabývá v něm své nejmenší a největší hodnoty
(viz obr.).
Důkaz. Je založen na principu suprema a infima.
Poznámka 3. Žádná z podmínek ve Větě 6 nemůže být vypuštěna, protože by pak existence nejmenší
nebo největší hodnoty v daném intervalu nemusela být zaručena, jak ukazují následující příklady.
(a) Interval musí být konečný. Např. f(x) = x na uzavřeném intervalu [0, ∞) nabývá své minimum
v bodě x = 0, ale nenabývá zde své maximum. Navíc je tato funkce neohraničená. (Viz
obr.)
(b) Interval musí být uzavřený. Např. f(x) = 1
x
na intervalu (0, 1] nabývá své minimum v bodě
x = 1, ale nenabývá zde své maximum. Navíc je tato funkce neohraničená. (Viz obr.)
(c) Interval musí být uzavřený. Např. f(x) = x na intervalu (0, 1) nenabývá v tomto intervalu
své minimum ani své maximum, ale tato funkce je ohraničená. (Viz obr.)
20
Věta 7 (Bolzanova). Je-li funkce f(x) spojitá na intervalu [a, b], tj. na uzavřeném konečném intervalu,
potom f(x) nabývá v tomto intervalu všech hodnot mezi svou nejmenší a největší hodnotou
(viz obr.). Tj. označíme-li m := min f(x) a M := max f(x), potom pro každou hodnotu y ∈ [m, M]
existuje (alespoň jedno) c ∈ [a, b] tak, že platí f(c) = y.
Volbou y = 0 v předchozí větě dostaneme následující.
Důsledek 1. Je-li funkce f(x) spojitá na intervalu [a, b] a mají-li hodnoty f(a) a f(b) různá znaménka,
pak existuje bod c ∈ (a, b) tak, že platí f(c) = 0, tj. rovnice f(x) = 0 má v intervalu (a, b)
alespoň jedno řešení (viz obr.).
Věta 8 (O spojitosti inverzní funkce). Je-li funkce f(x) spojitá a ryze monotónní (tj. stále
„roste nebo stále „klesá ) na intervalu I, potom je také inverzní funkce f−1
(x) spojitá a ryze monotónní
na intervalu J := f(I).
Z výše uvedené věty plyne spojitost cyklometrických funkcí arcsin x, arccos x, arctg x, arccotg x, a
dále spojitost logaritmických funkcí.
2.6. Body nespojitosti. Rozlišujeme následující typy nespojitosti (v bodech x0 ∈ R):
1. Odstranitelná nespojitost – existuje vlastní limita limx→x0 f(x), ale tato limita je různá od
f(x0) (případně f(x0) není vůbec definována). Tento typ nespojitosti lze „odstranit předefinováním
(případně dodefinováním) hodnoty f(x0).
Příklad 31.
(a) Funkce
f(x) =
x2
− 4
x − 2
má v bodě x0 = 2 odstranitelnou nespojitost (v podstatě je f(x) = x + 2 pro x = 2).
(b) Funkce
f(x) =
sin x
x
má v bodě x0 = 0 odstranitelnou nespojitost.
2. Skok (též nespojitost prvního druhu) – existují vlastní jednostranné limity limx→x+
0
f(x) a
limx→x−
0
f(x), ale tyto jednostranné limity jsou různé (přitom vůbec nezáleží na hodnotě
f(x0)).
Příklad 32. Funkce f(x) = sgn x má v bodě x0 = 0 nespojitost typu skok.
3. Nespojitost druhého druhu – alespoň jedna jednostranná limita je buď nevlastní nebo neexis-
tuje.
Příklad 33. Funkce
f(x) =
1
x2
, f(x) = sin
1
x
mají v bodě x0 = 2 nespojitost druhého druhu.
21
2.7. Derivace. Jako motivaci uveďme výpočet následujících limit.
Příklad 34.
(a)
lim
x→1
x2
− 1
x − 1
typ
0
0
= lim
x→1
(x − 1) (x + 1)
x − 1
= lim
x→1
(x + 1) = 2.
(b)
lim
x→2
x2
− 4
x − 2
typ
0
0
= lim
x→2
(x − 2) (x + 2)
x − 2
= lim
x→2
(x + 2) = 4.
(c)
lim
x→x0
x2
− x2
0
x − x0
typ
0
0
= lim
x→x0
(x − x0) (x + x0)
x − x0
= lim
x→x0
(x + x0) = 2x0.
Příklad 35.
(a)
lim
x→1
1
x
− 1
x − 1
typ
0
0
= lim
x→1
1−x
x
x−1
1
= lim
x→1
1 − x
x (x − 1)
= lim
x→1
−1
x
= −1.
(b)
lim
x→2
1
x
− 1
2
x − 2
typ
0
0
= lim
x→2
2−x
2x
x−2
1
= lim
x→2
2 − x
2x (x − 2)
= lim
x→2
−1
2x
= −
1
4
.
(c)
lim
x→x0
1
x
− 1
x0
x − x0
typ
0
0
= lim
x→x0
x0−x
x x0
x−x0
1
= lim
x→x0
x0 − x
x x0 (x − x0)
= lim
x→x0
−1
x x0
= −
1
x2
0
.
Definice 7 (Derivace). Nechť x0 ∈ D(f). Pokud existuje
lim
x→x0
f(x) − f(x0)
x − x0
(vlastní nebo nevlastní), (17)
nazýváme tuto limitu derivací funkce f(x) v bodě x0 a značíme f′
(x0). Je-li tato limita nevlastní (tj.
±∞), nazývá se f′
(x0) nevlastní derivací funkce f(x) v bodě x0.
Jiná terminologie je diferencovatelnost funkce f(x) v bodě x0.
Co je to vlastně „derivace v bodě x0?
1. Analyzujme diferenční podíl (viz obr.)
f(x) − f(x0)
x − x0
= tg ϕ =
směrnice sečny procházející body
M = [x0, f(x0)] a N = [x, f(x)]
22
2. Pokud se x blíží k x0 (tj. bod N se blíží k bodu M), sečna MN se stává tečnou v bodě M,
a tedy je
f′
(x0) = lim
x→x0
f(x) − f(x0)
x − x0
= směrnice tečny v bodě M = [x0, f(x0)].
Příklad 36. Funkce f(x) = 1
x
má v bodě x0 = 1 tečnu, která má směrnici a = −1. A proto je také
f′
(1) = −1, srovnejte s Příkladem 35(a).
Poznámka 4.
(i) Derivace f′
(x0) (jako limita) je vždy limitou typu 0
0
.
(ii) Pokud nahradíme limitu ve výrazu (17) jednostrannými limitami, dostaneme definici derivace
zprava a derivace zleva v bodě x0, tj.
f′
+(x0) = lim
x→x+
0
f(x) − f(x0)
x − x0
, f′
−(x0) = lim
x→x−
0
f(x) − f(x0)
x − x0
.
Zřejmě pak f′
(x0) existuje ⇔ existují f′
−(x0) a f′
+(x0) a tyto jednostranné derivace jsou si
rovny.
(iii) Každá funkce má v libovolném bodě x0 nejvýše jednu derivaci.
(iv) Hodnota f′
(x0) popisuje rychlost změny funkce f(x) v bodě x0 (růst nebo pokles a současně
velikost tohoto růstu nebo poklesu).
(v) Položíme-li h := x − x0, dostaneme
f′
(x0) = lim
x→x0
f(x) − f(x0)
x − x0
= lim
h→0
f(x0 + h) − f(x0)
h
. (18)
(vi) Aby mohla mít funkce f(x) derivaci v bodě x0, musí být definována na nějakém okolí bodu
x0 (včetně bodu x0)!
(vii) f′
(x0) někdy píšeme jako df
dx
(x0), nebo jako f′
(x) x=x0
.
Poznámka 5. Rovnice tečny ke grafu funkce f(x) v bodě [x0, f(x0)] je pak
y − y0 = f′
(x0) (x − x0), kde y0 = f(x0).
Příklad 37. Určete směrnici tečny a rovnici tečny funkce f(x) = 1
x
v bodě x0 = 2.
Řešení. Z Příkladu 35(b) víme, že f′
(2) = −1
4
, tedy směrnice tečny v bodě x0 = 2 je a = −1
4
.
Protože je f(2) = 1
2
, je podle Poznámky 5 rovnice tečny v bodě x0 = 2
y −
1
2
= −
1
4
(x − 2), tj. y = −
1
4
x + 1.
23
Příklad 38. V Příkladech 34 a 35 jsme vlastně odvodili vztahy
(x2
)′
x=x0
= 2x0,
1
x
′
x=x0
= −
1
x2
0
.
Z geometrické vlastnosti, že derivace je směrnice tečny, můžeme tedy odvodit následující pravidla:
(x)′
x=x0
= 1, (ax + b)′
x=x0
= a, (k)′
x=x0
= 0.
Příklad 39.
(x3
)′
x=x0
= lim
x→x0
x3
− x3
0
x − x0
= lim
x→x0
(x − x0) (x2
+ x x0 + x2
0)
x − x0
= lim
x→x0
(x2
+ x x0 + x2
0) = 3x2
0.
Podobně lze odvodit takové pravidlo pomocí rozvoje pro xn
− xn
0 (kde n ∈ N), tj.
(xn
)′
x=x0
= lim
x→x0
xn
− xn
0
x − x0
= · · · = nxn−1
0 , tj. (xn
)′
x=x0
= nxn−1
0 . (19)
Porovnejte tento výsledek s definicí derivace polynomu v odstavci 1.3.
Příklad 40. Určete derivaci funkce f(x) =
√
x v bodech x0 ∈ D(f).
Řešení. Zřejmě je D(f) = [0, ∞). Pro x0 > 0 je
f′
(x0) = lim
x→x0
√
x −
√
x0
x − x0
= lim
x→x0
√
x −
√
x0
x − x0
·
√
x +
√
x0
√
x +
√
x0
= lim
x→x0
x − x0
(x − x0) (
√
x +
√
x0)
= lim
x→x0
1
√
x +
√
x0
=
1
2
√
x0
.
Pro x0 = 0 derivace neexistuje (je to krajní bod definičního oboru, a tudíž v něm neexistuje limita
– existuje zde pouze limita zprava). Vypočtěme tedy derivaci zprava:
f′
+(0) = lim
x→0+
√
x −
√
0
x − 0
= lim
x→0+
√
x
x
= lim
x→0+
1
√
x
= ∞.
Funkce f(x) =
√
x tedy má v počátku nevlastní pravostrannou derivaci f′
+(0) = ∞, neboli tečna v
bodě x0 = 0 je svislá přímka.
Pokud se na bod x0 budeme dívat jako na „proměnnou , potom můžeme derivaci chápat jako
zobrazení, které každému bodu x přiřadí hodnotu f′
(x) (pokud je tato hodnota vlastní). Tedy f′
(x)
je opět funkce proměnné x, přičemž pro její definiční obor platí, že
D(f′
) ⊆ D(f).
Příklad 41. V Příkladu 40 je D(f) = [0, ∞) a D(f′
) = (0, ∞), přestože f′
+(0) existuje (ale jen jako
nevlastní derivace).
24
Tedy prozatím odvozené vztahy pro derivace můžeme shrnout jako
(xn
)′
= nxn−1
, n ∈ N,
1
x
′
= −
1
x2
, (
√
x)′
=
1
2
√
x
.
Má-li funkce f(x) derivaci v každém bodě množiny (např. intervalu) I, pak říkáme, že f(x) je
diferencovatelná na I. Např. xn
je diferencovatelná na R, nebo 1
x
je diferencovatelná na (0, ∞) a na
(−∞, 0).
Normála ke grafu v bodě x0 je přímka, která prochází bodem [x0, f(x0)] a je kolmá na tečnu (viz
obr.). Je-li a1 směrnice tečny a a2 směrnice normály, potom platí vztah
a1 . a2 = −1 .
Příklad 42. Určete rovnici tečny a normály ke grafu funkce f(x) = x4
v bodě x0 = 1.
Řešení. Tečna: Protože je směrnice tečny v bodě x0 = 1 rovna f′
(1) = (4x3
) x=1
= 4 a protože je
f(1) = 1, podle Poznámky 5 je rovnice tečny
y − 1 = 4 (x − 1), tj. y = 4x − 3.
Normála: Protože je směrnice normály v bodě x0 = 1 rovna a2 = − 1
f′(1)
= −1
4
a protože i normála
(stejně jako tečna) prochází bodem [x0, f(x0)] = [1, 1], je rovnice normály
y − 1 = −
1
4
(x − 1), tj. y = −
1
4
x +
5
4
.
Příklad 43. Určete zda má funkce f(x) = |x| v bodě x0 = 0 derivaci.
Řešení.
f′
(0) = lim
x→0
|x| − |0|
x − 0
= lim
x→0
|x|
x
= lim
x→0
sgn x . . . limita neexistuje.
Funkce |x| nemá v počátku derivaci. Pochopitelně, protože míti derivaci = míti (právě jednu) tečnu.
Na druhou stranu, můžeme vypočítat jednostranné derivace v počátku:
f′
+(0) = lim
x→0+
|x| − |0|
x − 0
= lim
x→0+
|x|
x
= lim
x→0+
x
x
= lim
x→0
1 = 1,
f′
−(0) = lim
x→0−
|x| − |0|
x − 0
= lim
x→0−
|x|
x
= lim
x→0+
−x
x
= lim
x→0
(−1) = −1.
Tedy tyto jednostranné derivace jsou různé, a proto podle Poznámky 4(ii) neexistuje f′
(0).
Derivace v praxi
25
1. Je-li s(t) poloha hmotného bodu na přímce v čase t, potom je výraz
celková dráha
celkový čas
=
s(t) − s(t0)
t − t0
roven průměrné rychlosti za časový úsek [t0, t]. Zřejmě je pak
lim
t→t0
s(t) − s(t0)
t − t0
= s′
(t0)
rychlost v okamžiku t0, a tedy je
v(t) = s′
(t), rychlost je derivace dráhy .
Zde je nutné vzít v úvahu, že rychlost v(t) má znaménko, tj. v(t) > 0 ve směru pohybu, kdy
se s(t) zvětšuje a v(t) < 0, když se s(t) zmenšuje.
2. Protože je zrychlení a(t) změna rychlosti, podobně platí, že
lim
t→t0
v(t) − v(t0)
t − t0
= v′
(t0)
je zrychlení v okamžiku t0, a tedy je
a(t) = v′
(t), zrychlení je derivace rychlosti .
3. Protože platí, že
výkon =
změna práce
změna času
,
je
P(t) = W′
(t), výkon je derivace práce .
4. Protože platí, že
elektrický proud =
změna elektrického náboje
změna času
,
je
I(t) = Q′
(t), proud je derivace náboje .
2.8. Vlastnosti a pravidla derivací. V tomto odstavci odvodíme základní vlastnosti funkce a její
derivace a pravidla pro počítání derivací.
Věta 9. Má-li f(x) v bodě x0 vlastní derivaci f′
(x0), potom je funkce f(x) spojitá v bodě x0.
Důkaz. Chceme ukázat, že limx→x0 f(x) = f(x0). Protože existuje vlastní f′
(x0) je
lim
x→x0
f(x) = lim
x→x0
[f(x) − f(x0) + f(x0)] = lim
x→x0
f(x) − f(x0)
x − x0
→ f′(x0)
· (x − x0)
→ 0
+ f(x0)
→ f(x0)
= f′
(x0) . 0 + f(x0) = f(x0).
Je tedy f(x) spojitá v bodě x0.
Z Věty 9 plyne, že pokud je funkce f(x) nespojitá v bodě x0, pak v něm nemůže mít derivaci.
Příklad 44. Funkce sgn x je nespojitá v počátku, a proto zde nemá (vlastní) derivaci.
26
Pozor! Opačné tvrzení k Větě 9 neplatí, tj. ze spojitosti v x0 neplyne existence derivace v bodě x0.
Příkladem je funkce |x| v bodě x0 = 0.
Pokud má funkce nevlastní derivaci v bodě x0, tak stále ještě může být spojitá v x0. Obecné
pravidlo jako ve Větě 9 ale k dispozici nemáme.
Příklad 45.
(a) Funkce f(x) = 3
√
x je zřejmě spojitá v bodě x0 = 0 (dokonce na celém R). Přitom
f′
(0) = lim
x→0
3
√
x − 3
√
0
x − 0
= lim
x→0
3
√
x
x
= lim
x→0
1
3
√
x2
typ
1
0+
= ∞.
Tato funkce má tedy v počátku nevlastní derivaci (tečna je svislá přímka = osa y, viz obr.)
a přitom je spojitá.
(b) Funkce f(x) = sgn x je nespojitá v bodě x0 = 0. Přitom
f′
+(0) = lim
x→0+
sgn x − sgn 0
x − 0
= lim
x→0+
sgn x
x
= lim
x→0+
1
x
typ
1
0+
= ∞,
f′
−(0) = lim
x→0−
sgn x − sgn 0
x − 0
= lim
x→0−
sgn x
x
= lim
x→0−
−1
x
typ
−1
0−
= ∞,
a tedy také f′
(0) = ∞ existuje. Tato funkce má tedy v počátku nevlastní derivaci a přitom
je zde nespojitá (nemá tečnu v počátku).
Věta 10 (Pravidla pro derivace). Nechť mají funkce f(x) a g(x) vlastní derivaci v bodě x. Potom
platí následující pravidla.
(i) Pravidlo konstantního násobku:
c · f(x)
′
= c · f′
(x).
(ii) Pravidlo součtu a rozdílu:
f(x) ± g(x)
′
= f′
(x) ± g′
(x).
(iii) Pravidlo součinu:
f(x) . g(x)
′
= f′
(x) . g(x) + f(x) . g′
(x).
(iv) Pravidlo podílu:
f(x)
g(x)
′
=
f′
(x) . g(x) − f(x) . g′
(x)
[g(x)]2
.
27
Důkaz. Pravidla (i) a (ii) jsou triviální z definice derivace (jako limity). Ukážeme pravidlo součinu:
(f . g)′
(x0) = lim
x→x0
f(x) . g(x) − f(x0) . g(x0)
x − x0
= lim
x→x0
f(x) . g(x) − f(x0) . g(x) + f(x0) . g(x) − f(x0) . g(x0)
x − x0
= lim
x→x0
f(x) − f(x0)
x − x0
→ f′(x0)
· g(x)
→g(x0)
+ f(x0)
→f(x0)
·
g(x) − g(x0)
x − x0
→ g′(x0)
= f′
(x0) . g(x0) + f(x0) . g′
(x0),
přičemž jsme použili Větu 9 pro spojitost funkce g(x) v bodě x0. Pravidlo podílu se ukáže podobně,
jako pravidlo součinu.
Příklad 46.
(2x3
+ 3x + 1)′
= 2(x3
)′
+ 3(x)′
+ (1)′
= 2 . 3x2
+ 3 . 1 + 0 = 6x2
+ 3,
x2
+ 1
x2 − 1
′
=
(x2
+ 1)′
(x2
− 1) − (x2
+ 1) (x2
− 1)′
(x2 − 1)2
=
2x (x2
− 1) − (x2
+ 1) 2x
(x2 − 1)2
=
−4x
(x2 − 1)2
,
√
x . x2 ′
= (
√
x)′
. x2
+
√
x . (x2
)′
=
1
2
√
x
. x2
+
√
x . 2x
=
1
2
x
3
2 + 2 x
3
2 =
5
2
x
3
2 =
5
2
√
x3.
Všimněte si, že poslední uvedený příklad má na levé straně x
5
2
′
.
Příklad 47. Uvažujme soukolí tří ozubených kol, přičemž kolo A má 12 zubů, kolo B má 4 zuby a
kolo C má 6 zubů (viz obr.). Jestliže kolo A udělá y otáček, kolo B udělá u otáček a kolo C udělá x
otáček, potom platí
y =
1
3
u, u =
3
2
x, a tedy je y =
1
3
u =
1
3
3
2
x =
1
2
x.
Velikost změny y ke změně u je zřejmě 1
3
, velikost změny u ke změně x je zřejmě 3
2
, a proto velikost
změny y ke změně x je 1
3
· 3
2
= 1
2
.
Ukázali jsme tedy, že při skládání funkcí se velikost změn (= derivace) násobí.
Věta 11 (Derivace složené funkce). Má-li funkce y = f(u) derivaci v bodě u0 := g(x0) a funkce
u = g(x) derivaci v bodě x0, potom má složená funkce y = (f ◦ g)(x) = f g(x) derivaci v bodě x0
a platí
(f ◦ g)′
(x) = f′
(u0) . g′
(x0) = f′
g(x0) . g′
(x0).
28
Příklad 48. Určete derivaci funkce
√
x2 + x.
Řešení. Označme f(u) =
√
u a u = g(x) = x2
+ x. Potom je f′
(u) = 1
2
√
u
a g′
(x) = 2x + 1. A proto
je podle Věty 11
√
x2 + x
′
=
1
2
√
u
· (2x + 1)
u=x2+x
=
2x + 1
2
√
x2 + x
.
Složenou funkci je výhodné derivovat podle pravidla vnější funkce a vnitřní funkce:
f
vnější
g
vnitřní
(x)
′
= f′
g(x)
derivuj vnější
nechej jako
argument vnitřní
. g′
(x)
derivuj
vnitřní
.
Příklad 49.
√
x3 + x2 + x + 1
′
=
1
2
√
x3 + x2 + x + 1
· (3x2
+ 2x + 1),
[(x2
+ x)2
]′
= 2 (x2
+ x) . (2x + 1) = 4x3
+ 6x2
+ 2x.
Všimněte si, že poslední uvedený příklad lze spočítat i přímo
[(x2
+ x)2
]′
= (x4
+ 2x3
+ x2
)′
= 4x3
+ 6x2
+ 2x,
nebo podle pravidla součinu
[(x2
+ x)2
]′
= [(x2
+ x) . (x2
+ x)]′
= (2x + 1) . (x2
+ x) + (x2
+ x) . (2x + 1) = 4x3
+ 6x2
+ 2x.
Druhá derivace funkce f(x) v bodě x0 se definuje jako derivace funkce f′
(x) v bodě x0, tj. f′′
(x) :=
[f′
(x)]′
.
Podobně definujeme n-tou derivaci funkce f(x) v bodě x0 jako derivace funkce f(n−1)
(x) v bodě
x0, tj. f(n)
(x) := [f(n−1)
(x)]′
.
Příklad 50.
√
x
′′
=
1
2
√
x
′
=
1
2
·
1
√
x
′
=
1
2
·
0 .
√
x − 1 · 1
2
√
x
[
√
x]2
= −
1
4x
√
x
.
Poslední pravidlo, které budeme pro derivování potřebovat, je pravidlo pro derivaci inverzní funkce.
Jak již víme, funkce f má inverzní funkci f−1
pouze pokud je f(x) prostá (injektivní v terminologii
MB101), tedy na zadaném intervalu buď stále roste nebo stále klesá (tj. je tzv. ryze monotónní).
Složení funkce f a její inverze f−1
(v libovolném pořadí) dává identické zobrazení a tudíž jsou grafy
funkce f a její inverze f−1
souměrné podle přímky y = x (tj. podle osy 1. a 3. kvadrantu).
Jelikož budeme nyní primárně studovat vlastnosti funkce inverzní f−1
, označíme si tuto funkci v
proměnné x, tj. inverzní funkce f−1
bude zadána jako předpis y = f−1
(x) na svém definičním oboru
D(f−1
) = J. Neznámé vlastnosti (zejména tedy derivaci) inverzní funkce f−1
(x) vyjádříme pomocí
29
derivace „původní a tudíž známé funkce f, kterou si označíme v proměnné y. Tj. „původní funkce je
dána předpisem x = f(y) na svém definičním oboru D(f) = I = f−1
(J), neboli D(f−1
) = J = f(I).
Příklad 51. Zajímají nás vlastnosti (např. derivace) funkce 3
√
x. Tato funkce je inverzní k funkci x3
.
Označíme si proto tuto inverzi v proměnné x, tj. f−1
(x) = 3
√
x , a „původní funkci v proměnné y,
tj. f(y) = y3
.
Potom budeme moct vyjádřit derivaci funkce 3
√
x pomocí derivace „původní funkce f(y) = y3
,
tj. pomocí f′
(y) = 3y2
.
Věta 12 (Derivace inverzní funkce). Je-li funkce x = f(y) spojitá a ryze monotonní na intervalu
J a je-li y0 ∈ J vnitřní bod tohoto intervalu takový, že f(y) má derivaci (vlastní nebo nevlastní) f′
(y0)
v bodě y0, potom má inverzní funkce y = f−1
(x) derivaci (f−1
)′
(x0) v bodě x0 := f(y0). Pro tuto
derivaci platí následující:
(i) Je-li f′
(y0) = 0, potom je
(f−1
)′
(x0) =
1
f′(y0)
=
1
f′ f−1(x0)
.
(ii) Je-li f′
(y0) = 0, potom je (f−1
)′
(x0) nevlastní a přitom
(f−1
)′
(x0) = ∞, pro f(y) rostoucí,
(f−1
)′
(x0) = −∞, pro f(y) klesající.
Důkaz. Označme jako
ϕ = (známý) směrový úhel tečny ke grafu funkce x = f(y) v bodě [y0, x0]
vzhledem ke kladnému směru osy y,
ψ = (neznámý) směrový úhel tečny ke grafu funkce y = f−1
(x) v bodě [x0, y0],
vzhledem ke kladnému směru osy x,
přičemž platí, že tg ϕ = f′
(y0) je známá hodnota a my chceme určit neznámou hodnotu
tg ψ = (f−1
)′
(x0) .
Vzhledem k tomu, že ϕ + ψ = π
2
(viz obr.), je pro tg ϕ = 0
tg ψ = tg
π
2
− ϕ =
sin(π
2
− ϕ)
cos(π
2
− ϕ)
=
sin π
2
cos ϕ − cos π
2
sin ϕ
cos π
2
cos ϕ + sin π
2
sin ϕ
=
cos ϕ
sin ϕ
= cotg ϕ =
1
tg ϕ
,
neboť sin π
2
= 1 a cos π
2
= 0. Je tedy
(f−1
)′
(x0) =
1
f′(y0)
.
Je-li tg ϕ = 0 (tečna ke grafu původní funkce x = f(y) je vodorovná), potom je tečna ke grafu
inverzní funkce y = f−1
(x) svislá, tj. (f−1
)′
(x0) je nevlastní.
30
Poznámka 6. Derivaci inverzní funkce lze také odvodit z pravidla pro složenou funkci (Věta 11).
Je totiž pro každé x ∈ D(f−1
)
x = f f−1
(x) ,
a tedy derivováním na obou stranách této rovnosti dostaneme
1 = f f−1
(x)
′
= f′
f−1
(x) . (f−1
)′
(x), tj. (f−1
)′
(x) =
1
f′ f−1(x)
.
Příklad 52. Určete derivaci funkce 3
√
x.
Řešení. Označme si (viz Příklad 51)
y = f−1
(x) = 3
√
x, x = f(y) = y3
⇒ f′
(y) = 3y2
.
Tedy podle Věty 12 je
( 3
√
x)′
=
1
f′(y)
=
1
3y2
=
1
3 ( 3
√
x)2
=
1
3
3
√
x2
.
Všimněte si, že 3
√
x = x
1
3 a výraz na pravé straně je 1
3
x− 2
3 .
2.9. Derivace elementárních funkcí. V tomto odstavci odvodíme derivace všech elementárních
funkcí.
Ze vztahu (19) víme, že pro n ∈ N ∪ {0} je (xn
)′
= nxn−1
(pro n = 0 derivaci funkce x0
≡ 1
můžeme v tomto vztahu interpretovat jako 0 = (1)′
= (x0
)′
= 0x−1
, přičemž poslední uvedený výraz
definujeme jako 0).
Nyní ukážeme, že stejný vztah platí pro libovolné (reálné) exponenty, nejen pro přirozená čísla.
Tvrzení 1 (Derivace mocniny). Pro libovolný exponent r ∈ R platí, že
(xr
)′
= rxr−1
, (20)
kdykoliv mají uvedené výrazy smysl.
Důkaz.
Krok I. (r = n ∈ N ∪ {0}). To jsme již ukázali ve vzorečku (19).
Krok II. (r = m ∈ Z). Nechť m je záporné celé číslo, tj. m = −n pro nějaké n ∈ N. Potom
xm
= x−n
= 1
xn a tedy derivaci funkce xm
odvodíme z pravidla pro derivaci podílu (Věta 10(iv)):
(xm
)′
=
1
xn
′
=
0 . xn
− 1 . nxn−1
(xn)2
=
−nxn−1
x2n
= (−n) x(n−1)−2n
= (−n) x−n−1
= mxm−1
.
Krok III. (r = 1
q
, kde q ∈ N). Derivaci funkce x
1
q = q
√
x odvodíme z věty o derivaci inverzní funkce
(Věta 12, podobně jako v Příkladu 52). Označme si y = f−1
(x) = q
√
x a x = f(y) = yq
. Protože je
q ∈ N, je podle Kroku I. f′
(y) = qyq−1
. A tedy podle Věty 12 platí, že
(xr
)′
= ( q
√
x)′
=
1
qyq−1
=
1
q q
√
x
q−1 =
1
q
·
1
x
q−1
q
=
1
q
x
1
q
−1
= rxr−1
.
31
Krok IV. (r = p
q
∈ Q, kde p ∈ Z a q ∈ N). Derivaci funkce x
p
q = x
1
q
p
odvodíme z věty o derivaci
složené funkce (Věta 11) a z Kroku I. a III.:
(xr
)′
= x
1
q
p ′
= p x
1
q
p−1
.
1
q
x
1
q
−1
=
p
q
x
p−1
q . x
1−q
q =
p
q
x
p−1+1−q
q ==
p
q
x
p
q
−1
= rxr−1
.
Nebo lze postupovat v obráceném pořadí, tj. derivovat výraz x
p
q = (xp
)
1
q jako složenou funkci.
Vyzkoušejte si tuto druhou možnost sami.
Krok V. (r ∈ R). Tento poslední krok plyne např. z pravidla pro derivování exponenciální funkce,
které odvodíme později (viz Důsledek 2).
Poznámka 7. Výraz xr
obecně není definován pro libovolné r ∈ R a x ∈ R. Např. pro r = 1
2
je
tento výraz definován pouze pro x ≥ 0. Obecně lze s jistotou říci, že rovnost (20) platí pro x > 0 (a
libovolné r ∈ R).
Navíc, pro některé exponenty může rovnost (20) platit i pro x ≤ 0. Např. pro r ≥ 1 platí i pro
x = 0, či pro r celé záporné (tj. pro r = −1, −2, −3, . . . ) rovnost (20) platí pro všechna x < 0 (kromě
již uvedených x > 0).
Příklad 53.
(
√
x)′
= x
1
2
′
=
1
2
x− 1
2 =
1
2
√
x
, (viz Příklad 40),
1
x
′
= (x−1
)′
= (−1) x−2
= −
1
x2
, (viz Příklad 38),
(xπ
)′
= π xπ−1
.
Tvrzení 2 (Derivace trigonometrických funkcí). Pro trigonometrické funkce platí
(sin x)′
= cos x, (cos x)′
= − sin x, (21)
(tg x)′
=
1
cos2 x
, (cotg x)′
= −
1
sin2
x
. (22)
Důkaz. Derivace funkcí sin x a cos x vypočteme z definice (Definice 7 a vzorec (18)) za použití
součtových vzorců:
(sin x)′
= lim
h→0
sin(x + h) − sin x
h
= lim
h→0
(sin x) (cos h) + (cos x) (sin h) − sin x
h
= lim
h→0
(− sin x) ·
1 − cos h
h
→ 0
+(cos x) ·
sin h
h
→ 1
= (− sin x) . 0 + (cos x) . 1 = cos x,
(cos x)′
= lim
h→0
cos(x + h) − cos x
h
= lim
h→0
(cos x) (cos h) − (sin x) (sin h) − cos x
h
= lim
h→0
(− sin x) ·
sin h
h
→ 1
−(cos x) ·
1 − cos h
h
→ 0
= (− sin x) . 1 − (cos x) . 0 = − sin x.
32
Derivace funkcí tg x a cotg x odvodíme z pravidla pro derivaci podílu (Věta 10(iv)):
(tg x)′
=
sin x
cos x
′
=
(cos x) . (cos x) − (sin x) . (− sin x)
(cos x)2
=
cos2
x + sin2
x
cos2 x
=
1
cos2 x
,
(cotg x)′
=
cos x
sin x
′
=
(− sin x) . (sin x) − (cos x) . (cos x)
(sin x)2
=
− sin2
x − cos2
x
sin2
x
= −
1
sin2
x
.
Všimněte si také, že derivaci cotg x lze spočítat z pravidla pro derivaci složené funkce (Věta 11),
protože platí
(cotg x)′
= (tg x)−1 ′
= (−1) (tg x)−2
·
1
cos2 x
= (−1)
1
tg2
x
·
1
cos2 x
= −
1
sin2
x
.
Dále uvedeme derivace exponenciálních a logaritmických funkcí. O číslu e více v Příkladu 17.
Tvrzení 3 (Derivace exponenciálních a logaritmických funkcí). Pro exponenciální a logaritmické
funkce platí
(ex
)′
= ex
, (ax
)′
= ax
ln a, (23)
(ln x)′
=
1
x
, (loga x)′
=
1
x ln a
. (24)
Důkaz. Derivace funkcí ex
a ax
vypočteme z definice (Definice 7) za použití základních limit (13) a
(15):
(ex
)′
= lim
h→0
ex+h
− ex
h
= lim
h→0
ex
. eh
− ex
h
= ex
. lim
h→0
eh
− 1
h
= 1
= ex
. 1 = ex
,
(ax
)′
= lim
h→0
ax+h
− ax
h
= lim
h→0
ax
. ah
− ax
h
= ax
. lim
h→0
ah
− 1
h
= ln a
= ax
. ln a.
Všimněte si, že derivaci funkce ax
je také možné vypočítat z derivace složené funkce pomocí
(ax
)′
= ex ln a ′
= ex ln a
. ln a = ax
ln a.
Derivace funkcí ln x a loga x vypočteme z definice (Definice 7) za použití základní limity (14):
(ln x)′
= lim
h→0
ln(x + h) − ln x
h
= lim
h→0
ln x+h
x
h
= lim
h→0
ln 1 + h
x
h
x
= 1
·
1
x
= 1 .
1
x
=
1
x
,
(loga x)′
=
ln x
ln a
′
=
1
ln a
· (ln x)′
=
1
x ln a
.
Všimněte si, že derivaci funkce ln x lze také spočítat z derivace funkce inverzní (Věta 12), neboť pro
y = f−1
(x) = ln x a pro x = f(y) = ey
máme f′
(y) = ey
, takže podle Věty 12 je
(ln x)′
=
1
f′(y)
=
1
ey
=
1
eln x
=
1
x
.
33
Důsledek 2 (Derivace mocniny). Pro libovolné r ∈ R platí
(xr
)′
= rxr−1
, x > 0.
Důkaz. Z pravidla pro derivaci složené funkce (Věta 11) a z derivace logaritmu plyne, že
(xr
)′
= er ln x ′
= er ln x
. (r ln x)′
= xr
. r
1
x
= rxr
. x−1
= rxr−1
.
Poznámka 8. V Příkladech 24, 25, 26, 27, 28 a 29 jsme ukázali, že
lim
h→0
sin h
h
= 1, lim
h→0
1 − cos h
h
= 0,
lim
h→0
eh
− 1
h
= 1, lim
h→0
ln(1 + h)
h
= 1,
lim
h→0
ah
− 1
h
= ln a, lim
h→0
loga(1 + h)
h
=
1
ln a
.
.
Tyto limity ale nevyjadřují nic jiného, než derivace funkcí sin x, cos x, ex
, ax
v bodě 0 a derivace
funkcí ln x, loga x v bodě 1, neboť
(sin x)′
x=0
= lim
h→0
sin h
h
= 1, (cos x)′
x=0
= lim
h→0
cos h − 1
h
= 0,
(ex
)′
x=0
= lim
h→0
eh
− 1
h
= 1, (ln x)′
x=1
= lim
h→0
ln(1 + h)
h
= 1,
(ax
)′
x=0
= lim
h→0
ah
− 1
h
= ln a, (loga x)′
x=1
= lim
h→0
loga(1 + h)
h
=
1
ln a
.
Tvrzení 4 (Derivace cyklometrických funkcí). Pro cyklometrické funkce platí
(arcsin x)′
=
1
√
1 − x2
, (arccos x)′
= −
1
√
1 − x2
, (25)
(arctg x)′
=
1
1 + x2
, (arccotg x)′
= −
1
1 + x2
. (26)
Důkaz. Derivace všech těchto cyklometrických funkcí vypočteme z pravidla pro derivování inverzní
funkce (Věta 12).
• Pro y = f−1
(x) = arcsin x a pro x = f(y) = sin y máme f′
(y) = cos y, a proto podle Věty 12
platí, že
(arcsin x)′
=
1
f′(y)
=
1
cos y
=
1
cos(arcsin x)
.
Protože ale pro libovolné y ∈ R je (cos y)2
+ (sin y)2
= 1 (zejména tedy pro y = arcsin x), je
1 = cos(arcsin x)
2
+ sin(arcsin x)
= x
2
= cos2
(arcsin x) + x2
,
⇒ cos(arcsin x) =
√
1 − x2.
A tedy platí, že
(arcsin x)′
=
1
cos(arcsin x)
=
1
√
1 − x2
.
34
• Pro y = f−1
(x) = arccos x a pro x = f(y) = cos y máme f′
(y) = − sin y, a proto podle Věty 12
platí, že
(arccos x)′
=
1
f′(y)
=
1
− sin y
= −
1
sin(arccos x)
.
Protože ale pro libovolné y ∈ R je (cos y)2
+ (sin y)2
= 1 (zejména tedy pro y = arccos x), je
1 = cos(arccos x)
= x
2
+ sin(arccos x)
2
= x2
+ sin2
(arccos x),
⇒ sin(arccos x) =
√
1 − x2.
A tedy platí, že
(arccos x)′
= −
1
sin(arccos x)
= −
1
√
1 − x2
.
• Pro y = f−1
(x) = arctg x a pro x = f(y) = tg y máme f′
(y) = 1
cos2 y
, a proto podle Věty 12
platí, že
(arctg x)′
=
1
f′(y)
= cos2
y = cos2
(arctg x).
Protože ale pro libovolné y ∈ R je (cos y)2
+ (sin y)2
= 1 (zejména tedy pro y = arctg x), je
1 = cos(arctg x)
2
+ sin(arctg x)
2
.
Vydělením obou stran této rovnosti výrazem cos(arctg x)
2
dostaneme
1
cos2(arctg x)
= 1 +
sin(arctg x)
cos(arctg x)
2
= 1 + tg(arctg x)
= x
2
= 1 + x2
,
⇒ cos2
(arctg x) =
1
1 + x2
.
A tedy platí, že
(arctg x)′
= cos2
(arctg x) =
1
1 + x2
.
• Pro y = f−1
(x) = arccotg x a pro x = f(y) = cotg y máme f′
(y) = − 1
sin2 y
, a proto podle
Věty 12 platí, že
(arccotg x)′
=
1
f′(y)
= − sin2
y = − sin2
(arccotg x).
Protože ale pro libovolné y ∈ R je (cos y)2
+ (sin y)2
= 1 (zejména tedy pro y = arccotg x), je
1 = cos(arccotg x)
2
+ sin(arccotg x)
2
.
Vydělením obou stran této rovnosti výrazem sin(arccotg x)
2
dostaneme
1
sin2
(arccotg x)
=
cos(arccotg x)
sin(arccotg x)
2
+ 1 = cotg(arccotg x)
= x
2
+ 1 = x2
+ 1,
⇒ sin2
(arccotg x) =
1
1 + x2
.
A tedy platí, že
(arccotg x)′
= − sin2
(arccotg x) = −
1
1 + x2
.
35
Příklad 54. Zkuste si promyslet, jak by se vypočítaly derivace funkcí typu [f(x)]g(x)
, jako např.
xx
, xln x
, xsin x
, (sin x)x
, atd.
2.10. Věty o střední hodnotě.
Věta 13 (Rolleova). Nechť f(x) je spojitá na [a, b], f(x) je diferencovatelná na (a, b) a nechť
f(a) = f(b). Potom existuje (alespoň jeden) bod c ∈ (a, b) s vlastností
f′
(c) = 0 (tj. tečna v bodě x = c je vodorovná).
Důkaz. Viz obr.
Věta 14 (Lagrangeova). Nechť f(x) je spojitá na [a, b] a f(x) je diferencovatelná na (a, b). Potom
existuje (alespoň jeden) bod c ∈ (a, b) s vlastností
f′
(c) =
f(b) − f(a)
b − a
(tj. tečna v bodě x = c je rovnoběžná s přímkou
procházející body [a, f(a)] a [b, f(b)])
.
Důkaz. Viz obr.
Věty o střední hodnotě mají celou řadu důsledků týkajících se vlastnosti funkcí. Např.:
• Které funkce mají nulovou derivaci? – Pouze konstantní funkce.
• Které funkce mají stejnou derivaci? – Právě ty funkce, které se navzájem liší o konstantu.
Důsledek 3. Je-li f(x) diferencovatelná na (a, b) a je-li f′
(x) = 0 na (a, b), potom
f(x) ≡ c na (a, b).
Důkaz. Pro libovolné dva body x1, x2 ∈ (a, b), x1 < x2, platí, že f(x) je spojitá na [x1, x2] (podle
Věty 9, neboť existuje vlastní f′
(x)) a diferencovatelná na (x1, x2). Podle Lagrangeovy věty (Věta 14)
je pak pro nějaký bod c ∈ (x1, x2)
f(x2) − f(x1)
x2 − x1
= f′
(c) = 0, ⇒ f(x1) = f(x2).
A protože byly body x1 a x2 vybrány libovolně v intervalu (a, b), musí být nutně f(x) konstantní na
intervalu (a, b).
Důsledek 4. Jsou-li f(x) a g(x) diferencovatelné na (a, b) a je-li f′
(x) = g′
(x) na (a, b), potom
f(x) = g(x) + c na (a, b) (f(x) a g(x) se liší o konstantu).
Důkaz. Funkce (f − g)(x) je diferencovatelná na (a, b) a (f − g)′
(x) = f′
(x) − g′
(x) = 0 na (a, b).
Podle Důsledku 3 je pak
f(x) − g(x) ≡ c na (a, b), tj. f(x) = g(x) + c na (a, b).
36
2.11. L’Hospitalovo pravidlo. Některé limity typu 0
0
nebo ±∞
±∞
lze řešit pomocí tzv. l’Hospitalova
pravidla. (Případně i typu k
±∞
, tyto limity jsou ale automaticky rovny 0.)
Věta 15 (L’Hospitalovo pravidlo). Buď x0 ∈ R∗
a nechť je
lim
x→x0
f(x)
g(x)
typu
0
0
nebo
±∞
±∞
. (27)
Existuje-li (vlastní nebo nevlastní) limita
lim
x→x0
f′
(x)
g′(x)
= L,
potom existuje také limita (27) a tyto dvě limity jsou si rovny, tj.
lim
x→x0
f(x)
g(x)
= lim
x→x0
f′
(x)
g′(x)
= L (∈ R∗
). (28)
Příklad 55.
(a)
lim
x→0+
x ln x typ 0 . (−∞) = lim
x→0+
ln x
1
x
typ
−∞
∞
l’Hosp.
= lim
x→0+
(ln x)′
1
x
′
= lim
x→0+
1
x
− 1
x2
= lim
x→0+
(−x) = 0.
(b)
lim
x→0+
xx
typ 00
= lim
x→0+
ex ln x spojitost ex
= elimx→0+ x ln x (a)
= e0
= 1.
Poznámka 9. L’Hospitalovo pravidlo říká, že jestliže existuje limita podílu derivací, potom existuje
také limita podílu funkcí (a tyto dvě limity jsou si rovny)! Nic víc.
(i) L’Hospitalovo pravidlo nelze použít, pokud limita podílu derivací neexistuje. Např. limita
podílu funkcí
lim
x→∞
sin x
x
typ
ohr.
∞
= 0,
ale limita podílu derivací neexistuje, protože
lim
x→∞
(sin x)′
(x)′
= lim
x→∞
cos x
1
= lim
x→∞
cos x (neexistuje).
(ii) L’Hospitalovo pravidlo nelze použít na typ limity cokoliv
0
! Pokud je ve jmenovateli typ 0, musí
pak být i v čitateli typ 0 (aby bylo možné l’Hospitalovo pravidlo použít). Např. limita podílu
funkcí
lim
x→∞
arctg x
arccotg x
typ
π
2
0+
= ∞,
ale limita podílu derivací je jiná, protože
lim
x→∞
(arctg x)′
(arccotg x)′
= lim
x→∞
1
1+x2
− 1
1+x2
= −1.
37
Poznámka 10.
(i) Limity typu ∞ − ∞ lze převést na typ 0
0
následovně:
lim
x→x0
[f(x) − g(x)] typ ∞ − ∞ = lim
x→x0
1
1
f(x)
−
1
1
g(x)
= lim
x→x0
1
g(x)
− 1
f(x)
1
f(x)
· 1
g(x)
typ
0
0
.
(ii) Limity typu 0 . ∞ lze převést na typ 0
0
(viz Příklad 55(a)) nebo na typ ∞
∞
následovně:
lim
x→x0
[f(x) . g(x)] typ 0 . ∞ = lim
x→x0
f(x)
1
g(x)
typ
0
0
,
nebo
= lim
x→x0
g(x)
1
f(x)
typ
∞
∞
.
(iii) Limity typu 00
, ∞0
, 1∞
lze převést na typ 0 . ∞ přes exponenciální funkci (viz např. Příklad
55(b)):
lim
x→x0
f(x)g(x)
= lim
x→x0
eg(x) ln f(x)
= elimx→x0 g(x) ln f(x)
typ 0 . ∞ nebo ∞ . 0 .
2.12. Derivace implicitně zadaných funkcí. Pokud máme zadánu funkci f(x) vzorcem y = f(x),
hovoříme o jejím explicitním zadání. Obecnějším zadáním funkce je rovnice F(x, y) = 0, kde závislá
proměnná y představuje „neznámou funkci. Pokud tuto rovnici nelze (nebo to nepotřebujeme)
vyřešit vzhledem k y, pak hovoříme o funkci zadané implicitně. Avšak i v tomto obecnějším případě
budeme schopni vypočítat y′
(x) (aniž bychom znali explicitní vzorec pro y(x)), a to pomocí pravidla
pro derivaci složené funkce (Věta 11).
Příklad 56. Rovnice y2
= x definuje dvě diferencovatelné funkce
y1 =
√
x, y2 = −
√
x ⇒ y′
1 =
1
2
√
x
, y′
2 = −
1
2
√
x
(x > 0).
Avšak i bez znalosti samotných funkcí y1 a y2 lze derivováním rovnice y2
= x spočítat, že
(y2
)′
= (x)′
⇒ 2yy′
= 1 ⇒ y′
=
1
2y
,
což je jediný vzorec pro y′
obsahující jak y1 tak y2.
Při derivování implicitně zadaných funkcí obsahuje výsledná derivace y′
jak proměnnou x tak
proměnnou y (na rozdíl od „normálního derivování funkce, kdy je ve výsledku pouze proměnná x).
Při derivování implicitně zadaných funkcí musíme brát závislou proměnnou (obvykle) y jako funkci
proměnné x, tedy jakýkoliv složitější výraz s y musíme derivovat pomocí pravidla pro derivaci složené
funkce (Věta 11), viz Příklad 56.
38
Příklad 57. Určete směrnici tečny ke kružnici x2
+ y2
= 25 v bodě P = [−3, 4].
Řešení. Derivováním zadané rovnice podle proměnné x dostaneme
(x2
+ y2
)′
= (25)′
⇒ 2x + 2yy′
= 0 ⇒ y′
= −
x
y
.
A proto je směrnice tečny v bodě P (=derivace v bodě P) rovna
y′
= −
−3
4
=
3
4
.
V Příkladech 56 a 57 bylo možné neznámou funkci y explicitně vypočítat (i když jsme to nepotřebovali)
a najít tak y′
původním způsobem. V následujícím příkladu ale y již vyjádřit nelze, a tudíž
je implicitní derivování jediným možným způsobem, jak y′
najít.
Příklad 58. Určete derivaci funkce y = f(x), která je zadaná rovnicí 4y = x3
+ cos y.
Řešení. Derivováním zadané rovnice podle proměnné x dostaneme
(4y)′
= (x3
+ cos y)′
⇒ 4y′
= 3x2
− (sin y) y′
⇒ y′
=
3x2
4 + sin y
.
Tímto způsobem lze počítat i derivace vyšších řádů.
Příklad 59. Určete první a druhou derivaci funkce y = f(x), která je zadaná rovnicí 3x4
− 4y3
= 1.
Řešení. Derivováním zadané rovnice podle proměnné x dostaneme
(3x4
− 4y3
)′
= (1)′
⇒ 12x3
− 12y2
y′
= 0 ⇒ x3
− y2
y′
= 0 ⇒ y′
=
x3
y2
.
Opětovným derivováním předposlední uvedené rovnice podle proměnné x dostaneme
(x3
− y2
y′
)′
= (0)′
⇒ 3x2
− (2yy′
. y′
+ y2
. y′′
) = 0 ⇒ 3x2
− 2y (y′
)2
− y2
y′′
= 0
⇒ y′′
=
3x2
− 2y (y′
)2
y2
.
Všimněte si, že pro derivaci výrazu y2
y′
musíme použít pravidlo součinu, protože obě funkce y2
a y′
jsou funkce proměnné x. Ve výsledku samozřejmě ještě můžeme dosadit za y′
z předchozího výpočtu,
tj.
y′′
=
3x2
− 2y x3
y2
2
y2
=
3x2
y3
− 2x6
y5
.
39
2.13. Jednoduché slovní úlohy s derivacemi. Následující slovní úlohy jsou převzaty z [8].
Příklad 60. Jak rychle klesá voda ve válcové nádrži, jestliže vytéká rychlostí 3000 l/min (viz obr.)?
Řešení. Označme r poloměr nádrže [m], h(t) výšku vody v nádrži [m], t čas [min], V (t) objem vody v
nádrži [m3
]. Víme, že V ′
(t) = −3000 l/min, tj. V ′
(t) = −3 m3
/min (objem se zmenšuje, jeho derivace
je tedy záporná). Hledáme h′
(t). Z rovnice pro objem válce
V (t) = π r2
h(t)
určíme derivováním podle t
V ′
(t) = π r2
h′
(t), tj. h′
(t) =
V ′
(t)
π r2
=
−3
π r2
.
Voda tedy klesá (protože je derivace objemu záporná) rychlostí 3/(π r2
) m/min. Pro malé r bude
voda klesat rychle, pro velké r bude voda klesat pomalu. Např. pro r = 10 cm, tj. r = 0.1 m, je
h′
(t) = −300/π = −95 m/min, naproti tomu pro r = 10 m je h′
(t) = −3/(100 π) = −0.0095 m/min,
tj. h′
(t) = −9.5 mm/min.
Příklad 61. Horkovzdušný balón stoupá kolmo vzhůru. Je zachycen radarem, který je 500 metrů
od místa vzletu a který v té chvíli udává elevační úhel π
4
, přičemž úhel roste rychlostí 0.14 rad/min.
Jak rychle v tomto okamžiku balón stoupá (viz obr.)?
Řešení. Označme t čas [min], h(t) výška balónu nad zemí [m], ϕ(t) vertikální elevační úhel radaru
[rad]. Potom víme, že ϕ′
(t) = 0.14 rad/min, když je ϕ = π
4
. Hledáme h′
(t) pro ϕ = π
4
. Z pravoúhlého
trojúhelníka vidíme, že
tg ϕ(t) =
h(t)
500
, tj. h(t) = 500 tg ϕ(t).
Derivováním podle t určíme
h′
(t) = 500
1
cos2 ϕ(t)
ϕ′
(t),
tj. v uvedeném okamžiku je
h′
(t) = 500
1
cos2 π
4
(0.14) = 140 m/min.
V daném okamžiku stoupá balón rychlostí 140 m/min.
Příklad 62. Policejní auto sleduje auto lupičů. Přijíždí k pravoúhlé křižovatce ze severu, přičemž
auto lupičů již ujíždí od křižovatky na východ. Když je policejní auto 0.6 km od křižovatky a auto
lupičů 0.8 km od křižovatky, udává radar v policejním autě, že se auto lupičů vzdaluje od jejich auta
rychlostí 40 km/h. Policejní auto jede v té chvíli rychlostí 120 km/h. Určete rychlost auta lupičů v
tomto okamžiku.
Řešení. Označme (viz obr.) x(t) pozici auta lupičů (vodorovně) [km], y(t) pozici policejního auta
(svisle) [km], t čas [h], s(t) vzdušnou vzdálenost mezi auty [km]. Potom víme, že s′
(t) = 40 km/h
pro x = 0.8 km a y = 0.6 km a y′
(t) = −120 km/h (policejní auto se ke křižovatce přibližuje, proto
je derivace jejich pozice y(t) záporná). Hledáme x′
(t) v témže okamžiku. Z rovnice
s2
(t) = x2
(t) + y2
(t)
40
obdržíme derivováním podle t
2 s(t) s′
(t) = 2 x(t) x′
(t) + 2 y(t) y′
(t), tj. x′
(t) =
s(t) s′
(t) − y(t) y′
(t)
x(t)
.
Dosazením údajů pro daný okamžik dostaneme
x′
(t) =
(0.6)2 + (0.8)2 · 40 − (0.6) (−120)
0.8
= 140 km/h.
Auto lupičů ujíždí v daném okamžiku od křižovatky rychlostí 140 km/h.
Příklad 63. Policejní vrtulník letí 3 km nad rovnou cestou v obci rychlostí 120 km/h. Pilot vidí
protijedoucí auto a radarem zjistí, že když je auto od něj 5 km daleko, jejich vzdálenost klesá rychlostí
160 km/h. Určete rychlost auta v tomto okamžiku.
Řešení. Označme (viz obr.) x(t) pozici auta (vodorovná) [km], y(t) pozici vrtulníku (vodorovná)
[km], t čas [h], s(t) vzdušnou vzdálenost vrtulníku a auta [km]. Potom víme, že y′
(t) = 120 km/h a
s′
(t) = −160 km/h pro s = 5 km (jejich vzdušná vzdálenost se zmenšuje, proto je derivace záporná).
Hledáme x′
(t) v tomto okamžiku. Z rovnice
[x(t) − y(t)]2
+ 32
= s2
(t)
dostaneme derivováním podle t
2 [x(t) − y(t)] [x′
(t) − y′
(t)] = 2 s(t) s′
(t), tj. x′
(t) = y′
(t) +
s(t) s′
(t)
x(t) − y(t)
.
Pro s = 5 km je x − y =
√
52 − 32 = 4 km, tedy dosazením do výše uvedeného vztahu dostaneme
pro daný okamžik, že
x′
(t) = 120 +
5 · (−160)
4
= −80 km/h.
Auto jede (přibližuje se z pohledu pilota vrtulníku) v obci rychlostí 80 km/h.
Příklad 64. Žebřík délky 13 metrů je opřený o stěnu domu. Dolní část žebříku začne klouzat směrem
od domu. Když je dolní část žebříku 12 metrů od domu, pohybuje se tato dolní část rychlostí 5 m/s. (a)
Jak rychle se pohybuje horní část žebříku v tomto okamžiku? (b) Jak rychle se mění plocha vymezená
žebříkem, zemí a stěnou domu v tomto okamžiku? (c) Jak rychle se mění úhel mezi žebříkem a zemí
v tomto okamžiku?
Řešení. Označme (viz obr.) x(t) pozici dolní části žebříku (vodorovná) [m], y(t) pozici horní části
žebříku (svislá) [m], t čas [s], A(t) plochu mezi žebříkem, zemí a stěnou domu, ϕ(t) úhel mezi žebříkem
a zemí. Potom víme, že x′
(t) = 5 m/s pro x = 12 m. Hledáme (a) y′
(t) pro x = 12 m, (b) A′
(t) pro
x = 12 m, (c) ϕ′
(t) pro x = 12 m. Z pravoúhlého trojúhelníka vidíme, ze platí rovnice
x2
(t) + y2
(t) = 132
= 169.
Derivováním podle t obdržíme
2 x(t) x′
(t) + 2 y(t) y′
(t) = 0, tj. y′
(t) = −
x(t)
y(t)
x′
(t).
Pro x = 12 m je y =
√
132 − 122 = 5 m, tedy po dosazení
y′
(t) = −
12
5
· 5 = −12 m/s.
41
Horní část žebříku klesá v daném okamžiku rychlostí 12 m/s. Pro druhou otázku máme rovnici
A(t) =
1
2
x(t) y(t),
jejíž derivací podle t (pozor, jde o derivaci součinu) a dosazením dostaneme
A′
(t) =
1
2
[x′
(t) y(t) + x(t) y′
(t)] =
1
2
[5 · 5 + 12 · (−12)] = −
119
2
= −59.5 m2
/s.
Velikost plochy klesá v daném okamžiku rychlostí 59.5 m2
/s. Pro třetí otázku máme rovnici
tg ϕ(t) =
y(t)
x(t)
.
Derivací této rovnice podle t dostaneme (pozor, na pravé straně jde o derivaci podílu)
1
cos2 ϕ(t)
ϕ′
(t) =
y′
(t) x(t) − y(t) x′
(t)
x2(t)
.
Pro x = 12 (a tedy y = 5) je cos ϕ(t) = 12
13
a dosazením do předchozí rovnice plyne, že
ϕ′
(t) = cos2
ϕ(t) ·
y′
(t) x(t) − y(t) x′
(t)
x2(t)
=
144
169
·
(−12) · 12 − 5 · 5
144
= −1 rad/s.
Úhel v daném okamžiku klesá rychlostí 1 rad/s.
Příklad 65. Člověk výšky 180 cm jde rychlostí 1.5 m/s k pouliční lampě, která je 4.8 metrů nad
zemí. (a) Jakou rychlostí se pohybuje špička jeho stínu? (b) Jakou rychlostí se mění délka jeho stínu,
když je ten člověk 3 metry od stojanu lampy?
Řešení. Označme (viz obr.) x(t) pozici člověka [m], y(t) pozici špičky jeho stínu [m], t čas [s].
Potom víme, že x′
(t) = −1.5 m/s (vzdálenost od lampy se zmenšuje, proto je tato derivace záporná).
Hledáme (a) y′
(t), (b) [y(t) − x(t)]′
pro x = 3 m. Z podobnosti pravoúhlých trojúhelníků vyplývá, že
4.8
y(t)
=
1.8
y(t) − x(t)
, tj. (4.8) [y(t) − x(t)] = (1.8) y(t), tj. y(t) = (1.6) x(t).
Derivováním podle t obdržíme
y′
(t) = (1.6) x′
(t), tj. po dosazení y′
(t) = (1.6) · (−1.5) = −2.4 m/s.
Špička stínu se pohybuje rychlostí 2.4 m/s (přibližuje se k lampě). Pro druhou otázku máme
y(t) − x(t) =
1.8
4.8
y(t) = (0.375) y(t),
tj. po derivování a dosazení
[y(t) − x(t)]′
= (0.375) y′
(t) = (0.375) · (−2.4) = −0.9 m/s.
Délka stínu klesá rychlostí 0.9 m/s (a tato rychlost nezávisí na vzdálenosti člověka od lampy).
42
2.14. Monotonie funkce a extrémy.
Definice 8 (Monotonie funkce). Funkce f(x) je
• rostoucí na intervalu I, pokud f(x1) < f(x2) pro každé x1, x2 ∈ I, x1 < x2,
• klesající na intervalu I, pokud f(x1) > f(x2) pro každé x1, x2 ∈ I, x1 < x2,
• neklesající na intervalu I, pokud f(x1) ≤ f(x2) pro každé x1, x2 ∈ I, x1 < x2,
• nerostoucí na intervalu I, pokud f(x1) ≥ f(x2) pro každé x1, x2 ∈ I, x1 < x2.
Věta 16 (Monotonie funkce). Nechť f(x) má vlastní derivaci na otevřeném intervalu I. Potom
platí následující.
(i) Funkce f(x) je neklesající na intervalu I ⇔ f′
(x) ≥ 0 ∀x ∈ I.
(ii) Funkce f(x) je rostoucí na intervalu I ⇔ f′
(x) ≥ 0 ∀x ∈ I, přičemž rovnost f′
(x) = 0
neplatí na žádném podintervalu intervalu I.
(iii) Funkce f(x) je nerostoucí na intervalu I ⇔ f′
(x) ≤ 0 ∀x ∈ I.
(iv) Funkce f(x) je klesající na intervalu I ⇔ f′
(x) ≤ 0 ∀x ∈ I, přičemž rovnost f′
(x) = 0
neplatí na žádném podintervalu intervalu I.
Důkaz. Všechna tvrzení plynou z (Lagrangeovy) věty o střední hodnotě (Věta 14), neboť
f(x2) − f(x1)
x2 − x1
> 0
= f′
(c),
a tedy výraz f(x2) − f(x1) má stejné znaménko jako f′
.
Příklad 66. Funkce f(x) = x + cos x má derivaci f′
(x) = 1 − sin x pro každé x ∈ R. Protože je
hodnota sin x ∈ [−1, 1], je f′
(x) ∈ [0, 2] a tedy je f′
(x) ≥ 0 na celém R. Tedy podle Věty 16(i) je
funkce f(x) neklesající na R. Navíc, protože rovnost f′
(x) = 0 znamená, že sin x = 1 a tato rovnost
evidentně neplatí na žádném podintervalu R, je podle Věty 16(ii) funkce f(x) rostoucí na R.
Důsledek 5. Nechť f(x) má vlastní derivaci na otevřeném intervalu I. Potom platí následující.
(i) Jestliže f′
(x) > 0 ∀x ∈ I, potom je funkce f(x) je rostoucí na intervalu I.
(ii) Jestliže f′
(x) < 0 ∀x ∈ I, potom je funkce f(x) je klesající na intervalu I.
Tedy pro určení intervalů monotonie funkce f(x) stačí určit body, kdy f′
(x) mění znaménko.
Zejména to jsou body, ve kterých je f′
(x) = 0 nebo ve kterých f′
(x) neexistuje .
43
Příklad 67. Určete intervaly monotonie funkce
f(x) =
x
x2 − 6x − 16
=
x
(x − 8) (x + 2)
.
Řešení. Vypočteme derivaci:
f′
(x) =
x
x2 − 6x − 16
′
= · · · =
−x2
− 16
(x − 8)2 (x + 2)2
< 0, pro x = −2, 8.
(Viz tabulka.) Tedy je tato funkce klesající na intervalu (−∞, −2), na intervalu (−2, 8) a na intervalu
(8, ∞).
Příklad 68. Určete intervaly monotonie funkce
f(x) = ex3−6x
.
Řešení. Vypočteme derivaci:
f′
(x) = ex3−6x
. (3x2
− 6) = 3 ex3−6x
. (x2
− 2), pro x ∈ R.
Vidíme, že f′
(x) = 0 pouze pro x = ±
√
2. Na každém z intervalů (−∞, −
√
2), (−
√
2,
√
2), (
√
2, ∞)
určíme znaménko derivace např. výběrem nějakého bodu z tohoto intervalu, protože víme, že se
znaménko f′
(x) v těchto intervalech již nemění (viz tabulka). Tedy
f(x) je rostoucí na intervalu (−∞, −
√
2] a na intervalu [
√
2, ∞),
f(x) je klesající na intervalu [−
√
2,
√
2].
Definice 9 (Lokální extrémy). Funkce f(x) má v bodě x0 ∈ D(f)
• lokální maximum, pokud f(x) ≤ f(x0) pro všechna x z nějakého okolí bodu x0,
• lokální minimum, pokud f(x) ≥ f(x0) pro všechna x z nějakého okolí bodu x0,
• ostré lokální maximum, pokud f(x) < f(x0) pro všechna x z nějakého ryzího okolí bodu x0,
• ostré lokální minimum, pokud f(x) > f(x0) pro všechna x z nějakého ryzího okolí bodu x0.
Následující věta říká, že tečna v bodech lokálních extrémů (pokud tedy existuje vlastní derivace v
takových bodech) musí nutně být vodorovná.
Věta 17. Existuje-li vlastní derivace f′
(x0) v bodě x0, kde má funkce f(x) lokální extrém, potom je
nutně f′
(x0) = 0 .
Body, kde f′
(x) = 0, se nazývají stacionární body funkce f(x).
Opačné tvrzení k Větě 17 neplatí, tj. z f′
(x0) = 0 neplyne extrém v bodě x0. Nejjednodušším
příkladem je funkce f(x) = x3
, která v počátku nemá extrém, ale je f′
(0) = 3x2
x=0
= 0 (tj. tečna v
bodě x0 = 0 je vodorovná).
44
Důsledek 6. Funkce f(x) může mít lokální extrémy pouze ve svých stacionárních bodech nebo v
bodech, kde f′
(x) neexistuje.
Zda v daném stacionárním bodě x0 nebo v bodě, kde f′
(x0) neexistuje, je nebo není lokální extrém,
můžeme určit z chování znaménka f′
(x) v okolí bodu x0.
Věta 18 (Lokální extrémy a derivace). Nechť f(x) je spojitá v bodě x0 ∈ D(f) a existuje vlastní
derivace f′
(x) na nějakém ryzím okolí bodu x0.
(i) Má-li f′
(x) v levém a pravém okolí bodu x0 opačná znaménka, potom je v bodě x0 lokální
extrém. Přitom
• je-li změna f′
(x) z ⊖ do ⊕, potom je v bodě x0 lokální minimum,
• je-li změna f′
(x) z ⊕ do ⊖, potom je v bodě x0 lokální maximum.
(ii) Má-li f′
(x) v levém a pravém okolí bodu x0 stejná znaménka, potom není v bodě x0 lokální
extrém. Přitom
• má-li f′
(x) v okolí bodu x0 kladné znaménko, potom je f(x) v bodě x0 rostoucí,
• má-li f′
(x) v okolí bodu x0 záporné znaménko, potom je f(x) v bodě x0 klesající.
Příklad 69. Určete lokální extrémy funkce
f(x) = x − 1 − |x|, D(f) = R.
Řešení. Protože
x ≥ 0 : f(x) = x − 1 −
√
x ⇒ f′
(x) = 1 − 1
2
√
x
= 0 ⇒ x = 1
4
,
x < 0 : f(x) = x − 1 −
√
−x ⇒ f′
(x) = 1 − 1
2
√
−x
· (−1) = 0 žádné řešení pro x < 0.
Tedy kandidáti na lokální extrémy jsou: stacionární bod x = 1
4
a bod, kde neexistuje f′
(x), tj.
x = 0.
Volbou např. x = −1, x = 1
9
a x = 1 určíme znaménko f′
(x) v každém z intervalů (−∞, 0), (0, 1
4
)
a (1
4
, ∞) (viz tabulka). Tedy je
ostré lok. max. v x = 0,
ostré lok. min. v x = 1
4
.
Věta 19 (Lokální extrémy a druhá derivace). Nechť x0 je stacionární bod funkce f(x), tj.
f′
(x0) = 0, a nechť existuje f′′
(x0).
(i) Je-li f′′
(x0) > 0, potom je v bodě x0 ostré lokální minimum.
(ii) Je-li f′′
(x0) < 0, potom je v bodě x0 ostré lokální maximum.
45
Důkaz. (i) f′′
(x0) > 0 a f′
(x0) = 0 znamená, že f′
(x) roste v bodě x0 z ⊖ do ⊕ hodnot, tedy funkce
f(x) samotná klesá a pak roste. Tedy je v bodě x0 ostré lokální minimum.
(ii) f′′
(x0) < 0 a f′
(x0) = 0 znamená, že f′
(x) klesá v bodě x0 z ⊕ do ⊖ hodnot, tedy funkce f(x)
samotná roste a pak klesá. Tedy je v bodě x0 ostré lokální maximum.
Příklad 70. Stejně jako v Příkladu 69 je
f′′ 1
4
=
1
4
x− 3
2
x= 1
4
= 2 > 0 ⇒ ostré lok. min. v x0 =
1
4
.
Poznámka 11. Obecněji, je-li
f′
(x0) = f′′
(x0) = · · · = f(k−1)
(x0) = 0 a f(k)
(x0) = 0,
potom
• pro k sudé je ostrý lokální extrém v bodě x0, přičemž
– pro f(k)
(x0) > 0 je v bodě x0 ostré lokální minimum,
– pro f(k)
(x0) < 0 je v bodě x0 ostré lokální maximum,
• pro k liché není lokální extrém v bodě x0, přičemž
– pro f(k)
(x0) > 0 funkce f(x) roste v bodě x0,
– pro f(k)
(x0) < 0 funkce f(x) klesá v bodě x0.
Všechny tyto případy si můžete lehce ilustrovat na mocninných funkcích x2
, x3
, x4
, x5
, atd. v bodě
x0 = 0.
Definice 10 (Globální extrémy). Funkce f(x) má v bodě x0 ∈ D(f)
• globální maximum na množině M ⊆ D(f), pokud f(x) ≤ f(x0) pro všechna x ∈ M,
• globální minimum na množině M ⊆ D(f), pokud f(x) ≥ f(x0) pro všechna x ∈ M.
Poznámka 12.
(i) Místo globální max/min se také používá termín absolutní max/min.
(ii) Globální max/min nemusí být jediné. Např. funkce f(x) = x2
na intervalu [−1, 1] má globální
max 1 v bodech x = −1 a x = 1, kdežto globální min 0 v bodě x = 0.
(iii) Globální max/min nemusí ani existovat (viz Poznámka 3).
(iv) Weierstrassova věta (Věta 6) zaručuje existenci globálního max/min – za předpokladu spojitosti
funkce f(x) na intervalu [a, b].
(v) Pokud víme, že globální extrémy existují, potom musí tyto globální extrémy být
46
ve stacionárních bodech nebo v bodech, kde neexistuje f′
(x), nebo v krajních bodech
daného intervalu. Nemusíme již pak určovat, jestli jsou ve stacionárních bodech lokální extrémy
či nikoliv.
Poznámka 13. Z Poznámky 12(v) plyne postup pro nalezení globálních extrémů spojité funkce f(x)
na intervalu [a, b] (z Weierstrassovy věty víme, že globální max/min existuje):
• Najdeme stacionární body funkce f(x) a body, kde neexistuje f′
(x).
• V těchto bodech a v krajních bodech intervalu určíme funkční hodnoty.
• Vybereme z nich max a min hodnotu.
Příklad 71. Určete globální extrémy funkce
f(x) = x − 1 − |x|, na intervalu [−1, 1].
Řešení. Protože je f(x) spojitá na intervalu [−1, 1], globální extrémy v tomto intervalu existují. Z
Příkladu 69 víme, že x = 1
4
je jediný stacionární bod a x = 0 je bod, kde neexistuje f′
(x), v intervalu
[−1, 1]. Máme tedy
stacionární body: x = 1
4
, f 1
4
= 1
4
− 1 − 1
2
= −5
4
,
∃ f′
(x) x = 0, f(0) = −1, ← max
krajní body: x = −1, f(−1) = −1 − 1 − 1 = −3, ← min
x = 1, f(1) = 1 − 1 − 1 = −1. ← max
Tedy je
globální min −3 v bodě x = −1,
globální max −1 v bodech x = 0, x = 1.
2.15. Konvexnost, konkávnost, inflexe. Pojmy konvexnost, konkávnosti a inflexních bodů slouží
ke studiu toho, jak daná funkce (či přesněji její graf) „zatáčí . Tyto pojmy budeme uvažovat pouze
pro diferencovatelné funkce.
Definice 11 (Konvexnost, konkávnost). Nechť má funkce f(x) vlastní derivaci na intervalu
I ⊆ D(f). Funkce f(x) se nazývá
• konvexní na intervalu I, pokud je f′
(x) neklesající na I,
• konkávní na intervalu I, pokud je f′
(x) nerostoucí na I.
Poznámka 14. To, že funkce f′
(x) je neklesající na intervalu I (tj. f(x) je konvexní), znamená, že
tečny mají „neklesající směrnici , tj. (viz obr.)
47
graf funkce f(x) „zatáčí doleva a tečny leží pod grafem.
To, že funkce f′
(x) je nerostoucí na intervalu I (tj. f(x) je konkávní), znamená, že tečny mají
„nerostoucí směrnici , tj. (viz obr.)
graf funkce f(x) „zatáčí doprava a tečny leží nad grafem.
Příklad 72.
(a) Funkce f(x) = x2
má derivaci f′
(x) = 2x, což je funkce rostoucí (tudíž neklesající) na R. A
proto je x2
konvexní na R (viz obr.).
(b) Funkce f(x) = x3
má derivaci f′
(x) = 3x2
, což je na intervalu [0, ∞) funkce rostoucí (tudíž
neklesající). A proto je x3
konvexní na [0, ∞) (viz obr.).
(c) Funkce f(x) = x3
má derivaci f′
(x) = 3x2
, což je na intervalu (−∞, 0] funkce klesající (tudíž
nerostoucí). A proto je x3
konkávní na (−∞, 0] (viz obr.).
(d) Funkce f(x) = ax + b má derivaci f′
(x) = a, což je funkce konstantní (tudíž neklesající) na
R. A proto je ax + b konvexní na R. Současně je konstantní funkce f′
(x) = a nerostoucí na
R, a proto je ax + b také konkávní na R.
Věta 20 (Konvexnost a konkávnost a druhá derivace). Nechť I ⊆ D(f) je otevřený interval
a nechť má funkce f(x) druhou derivaci f′′
(x) na I.
(i) Je-li f′′
(x) > 0 na I, potom je f(x) konvexní na intervalu I.
(ii) Je-li f′′
(x) < 0 na I, potom je f(x) konkávní na intervalu I.
Důkaz. (i) Je-li f′′
(x) > 0 na intervalu I, potom je podle Důsledku 5(i) (který aplikujeme na funkci
f′
(x)) funkce f′
(x) rostoucí na intervalu I. Tedy je podle Definice 11 funkce f(x) konvexní na
intervalu I.
(ii) Je-li f′′
(x) < 0 na intervalu I, potom je podle Důsledku 5(ii) (který aplikujeme na funkci
f′
(x)) funkce f′
(x) klesající na intervalu I. Tedy je podle Definice 11 funkce f(x) konkávní na I.
Tam, kde se mění konvexnost na konkávnost nebo naopak, se nacházejí tzv. inflexní body funkce.
Definice 12 (Inflexní bod). Nechť má funkce f(x) vlastní nebo nevlastní derivaci f′
(x0). Je-li
f′
(x0) nevlastní, potom navíc předpokládejme, že je f(x) spojitá v bodě x0. Bod x0 je inflexní bod
funkce f(x), pokud v nějakém levém okolí bodu x0 je funkce f(x) konvexní a v nějakém pravém okolí
bodu x0 je funkce f(x) konkávní, nebo naopak (viz obr.)
Věta 21 (Vlastnosti inflexních bodů).
(i) Pokud existuje vlastní druhá derivace f′′
(x0) v inflexním bodě x0, potom je f′′
(x0) = 0.
(ii) Je-li f′′
(x0) = 0 a f′′
(x) mění znaménko v bodě x0, potom je x0 inflexní bod.
(iii) Je-li f′′
(x0) = 0 a f′′′
(x0) = 0, potom je x0 inflexní bod.
48
Zejména část (ii) v předchozí větě ukazuje, jak inflexní body najít. Současně ze změny znaménka
f′′
(x) (tedy jestli se jedná o změnu z ⊖ do ⊕ nebo o změnu z ⊕ do ⊖) poznáme, kterým směrem
graf funkce f(x) v bodě x0 „zatáčí .
Příklad 73. Určete monotonii, lokální extrémy, konvexnost/konkávnost a inflexní body funkce
f(x) = x + sin x na intervalu [0, 4π].
Řešení.
• f′
(x) = 1 + cos x = 0 implikuje, že cos x = −1, tedy x = π, 3π jsou stacionární body (v
intervalu [0, 4π]). Body, kde neexistuje f′
(x) nejsou. V každém z intervalů (0, π), (π, 3π) a
(3π, 4π) vybereme jeden bod pro určení znaménka f′
(x) v těchto intervalech (viz tabulka).
Tedy
f(x) je rostoucí na [0, 4π],
f(x) nemá lokální extrémy.
• f′′
(x) = − sin x = 0 implikuje, že x = 0, π, 2π, 3π, 4π jsou kandidáti na inflexní body. V
každém z intervalů (0, π), (π, 2π), (2π, 3π) a (3π, 4π) vybereme jeden bod pro určení znaménka
f′′
(x) v těchto intervalech (viz tabulka). Tedy
f(x) je konvexní na [π, 2π] a na [3π, 4π],
f(x) je konkávní na [0, π] a na [2π, 3π],
f(x) má inflexi v bodech x = π, 2π, 3π.
• A protože můžeme jednoduše vypočítat funkční hodnoty a hodnoty derivace (pro sklon tečny)
ve zmiňovaných stacionárních, inflexních a krajních bodech,
f(0) = 0, f(π) = π, f(2π) = 2π, f(3π) = 3π, f(4π) = 4π,
f′
+(0) = 2, f′
(π) = 0, f′
(2π) = 2, f′
(3π) = 0, f′
−(4π) = 2,
můžeme také načrtnout graf této funkce na intervalu [0, 4π] (viz obr.).
2.16. Asymptoty. Funkce f(x) může mít jako asymptotu svislou přímku (asymptota bez směrnice)
nebo přímku se směrnicí. Ve druhém případě pak rozlišujeme asymptoty v ∞ a v −∞.
Definice 13 (Asymptoty funkce).
• Přímka x = x0 (svislá přímka) je asymptotou bez směrnice funkce f(x), pokud je alespoň
jedna jednostranná limita v bodě x0 nevlastní, tj.
lim
x→x+
0
f(x) = ±∞ nebo lim
x→x−
0
f(x) = ±∞.
• Přímka y = ax + b (a, b ∈ R) je asymptotou se směrnicí v ∞, pokud
lim
x→∞
[f(x) − (ax + b)] = 0,
případně je asymptotou se směrnicí v −∞, pokud
lim
x→−∞
[f(x) − (ax + b)] = 0.
49
Příklad 74.
(a) Funkce f(x) = 1
x
má asymptotu bez směrnice x = 0 a asymptotu se směrnicí y = 0 (v ±∞).
(b) Funkce f(x) = sin x
x
má asymptotu se směrnicí y = 0 (v ±∞), protože
lim
x→±∞
sin x
x
− 0 = lim
x→±∞
sin x
x
typ
ohr.
±∞
= 0.
(c) Funkce f(x) = ax + b je svou vlastní asymptotou (v ±∞).
Poznámka 15. Je zřejmé, že asymptoty bez směrnice mohou být pouze v bodech nespojitosti funkce
f(x). Viz např. Příklad 74(a). Samozřejmě ne každý bod nespojitosti zadává asymptotu, viz např.
Příklad 74(b) a bod x = 0.
Věta 22 (Asymptoty se směrnicí). Přímka y = ax + b je asymptotou funkce f(x) v ∞ ⇔
a = lim
x→∞
f(x)
x
, b = lim
x→∞
[f(x) − ax]. (29)
Podobně, přímka y = ax + b je asymptotou funkce f(x) v −∞ ⇔
a = lim
x→−∞
f(x)
x
, b = lim
x→−∞
[f(x) − ax]. (30)
Důkaz. Býti asymptotou v ∞ znamená, že
f(x) ≈ ax + b pro x → ∞. (31)
Tedy pokud obě strany podělíme výrazem x, dostaneme, že
f(x)
x
≈ a +
b
x
pro x → ∞.
A protože výraz b
x
→ 0 pro x → ∞, dostáváme odtud vzoreček pro hodnotu koeficientu a.
Dále, známe-li koeficient a, potom z vzorce (31) plyne, že
f(x) − ax ≈ b pro x → ∞,
tj. dostáváme odtud vzoreček pro hodnotu koeficientu b.
Podobně to platí pro x → −∞.
Poznámka 16. Protože se může snadno stát, že limity v (29) a (30) se např. pro koeficient a nebo
pro koeficient b liší, používáme ve výpočtu těchto koeficientů značení
a+, b+ pro limity v ∞ a a−, b− pro limity v −∞.
Tedy
a+ = lim
x→∞
f(x)
x
, b+ = lim
x→∞
[f(x) − a+ . x], (32)
a− = lim
x→−∞
f(x)
x
, b− = lim
x→−∞
[f(x) − a− . x]. (33)
50
Samozřejmě, pokud alespoň jedna z limit definujících koeficienty a, b je nevlastní nebo neexistuje,
tak potom daná funkce asymptotu v příslušném ∞ nebo −∞ nemá.
Příklad 75. Určete asymptoty funkce
f(x) =
(x − 2)3
(x + 2)2
.
Řešení.
• Asymptoty bez směrnice: Protože je funkce f(x) spojitá na intervalech (−∞, −2) a (−2, ∞),
asymptota bez směrnice může být teoreticky pouze v bodě x = −2 (viz Poznámka 15).
Spočteme proto jednostranné limity v tomto bodě:
lim
x→−2+
(x − 2)3
(x + 2)2
typ
−64
0+
= −∞, lim
x→−2−
(x − 2)3
(x + 2)2
typ
−64
0+
= −∞.
Tedy
x = −2 je asymptota bez směrnice .
• Asymptoty se směrnicí:
a+ = lim
x→∞
f(x)
x
= lim
x→∞
(x − 2)3
x (x + 2)2
= · · · = 1,
b+ = lim
x→∞
[f(x) − a+ . x] = lim
x→∞
(x − 2)3
(x + 2)2
− x = lim
x→∞
(x − 2)3
(x + 2)2
−
x . (x + 2)2
(x + 2)2
= lim
x→∞
−10x2
+ 8x − 8
(x + 2)2
= −10.
Tedy
y = x − 10 je asymptota v ∞ .
Výpočty pro a− a b− jsou naprosto stejné:
a− = lim
x→−∞
f(x)
x
= lim
x→−∞
(x − 2)3
x (x + 2)2
= · · · = 1,
b− = lim
x→−∞
[f(x) − a− . x] = lim
x→−∞
(x − 2)3
(x + 2)2
− x = lim
x→−∞
(x − 2)3
(x + 2)2
−
x . (x + 2)2
(x + 2)2
= lim
x→−∞
−10x2
+ 8x − 8
(x + 2)2
= −10.
Tedy
y = x − 10 je asymptota v −∞ .
(Viz obr.)
51
2.17. Celkový průběh funkce.
Příklad 76. Vyšetřete celkový průběh funkce
f(x) = −
x2
x + 1
, D(f) = R \ {−1}.
Řešení. Určíme (viz demonstrativní cvičení)
• definiční obor (pokud již není zadán),
• první derivaci f′
(x) a vše co z ní lze určit, tj. stacionární body, body kde neexistuje f′
(x),
intervaly monotonie (rostoucí a klesající f(x)), lokální extrémy (pokud použijeme Větu 18 či
Důsledek 5),
• druhou derivaci f′′
(x) a vše co z ní lze určit, tj. konvexnost, konkávnost a inflexní body,
případně lokální extrémy (pokud použijeme Větu 19),
• asymptoty bez směrnice a se směrnicí,
• hodnoty funkce f(x) a derivace f′
(x) ve všech „význačných bodech (např, stacionárních a
inflexních bodech, kde neexistuje f′
(x) nebo f′′
(x), v krajních bodech, atd.),
• a nakonec ze všech těchto informací sestrojíme graf funkce f(x).
Příklad 77. Vyšetřete celkový průběh funkce
f(x) =
1
x
+ ln x.
Řešení.
• Definiční obor je D(f) = (0, ∞) .
• První derivace
f′
(x) =
1
x
+ ln x
′
= −
1
x2
+
1
x
=
x − 1
x2
= 0,
tedy x = 1 je jediný stacionární bod. Protože f′
(x) < 0 na intervalu (0, 1) a f′
(x) > 0 na
intervalu (1, ∞) (viz tabulka),
f(x) je klesající na (0, 1],
f(x) je rostoucí na [1, ∞),
f(x) má lokální min v bodě x = 1.
[Vzhledem k okolnostem je zřejmě v bodě x = 1 globální minimum funkce f(x) na intervalu
(0, ∞).]
52
• Druhá derivace
f′′
(x) = −
1
x2
+
1
x
′
=
2
x3
−
1
x2
=
2 − x
x3
= 0,
tedy x = 2 je jediný kandidát na inflexní bod. Protože f′′
(x) > 0 na intervalu (0, 2) a
f′′
(x) < 0 na intervalu (2, ∞) (viz tabulka),
f(x) je konvexní na (0, 2],
f(x) je konkávní na [2, ∞),
f(x) má inflexi v bodě x = 2.
• Asymptoty bez směrnice:
lim
x→0+
1
x
+ ln x typ ∞ − ∞ = lim
x→0+
1 + x ln x
x
typ
1
0+
= ∞,
protože podle Příkladu 55(a) je limx→0+ x ln x = 0. Tedy
x = 0 je asymptota bez směrnice .
Asymptoty se směrnicí:
a = lim
x→∞
f(x)
x
= lim
x→∞
1
x
+ ln x
x
= lim
x→∞
1
x2
= 0
+ lim
x→∞
ln x
x
typ
∞
∞
l’Hosp.
= lim
x→∞
1
x
1
= lim
x→∞
1
x
= 0,
b = lim
x→∞
[f(x) − ax] = lim
x→∞
1
x
+ ln x typ 0 + ∞ = ∞.
Tedy
Funkce f(x) nemá asymptotu v ∞ .
• Hodnoty funkce f(x) a derivace f′
(x) ve všech „význačných bodech:
f(1) = 1, f′
(1) = 0, f(2) =
1
2
+ ln 2 ≈ 1.19, f′
(2) =
1
4
.
• a nakonec ze všech těchto informací sestrojíme graf funkce f(x):
<graf prubeh funkce.pdf>
53
2.18. Optimalizace. V tomto odstavci uvidíme, jak využít znalostí o průběhu funkce či globálních
extrémů funkce pro aplikace v „běžném životě .
Příklad 78 (Papírová krabice). Z kartonu tvaru čtverce o straně délky 54 cm vyřízněte v každém
rohu stejný čtverec tak, abyste mohli sestrojit krabici (bez víka) s co největším objemem (viz obr.).
Řešení. Označme jako x (v cm) délku strany čtverců, které musíme vyříznout. Potom má zbývající
podstava rozměry 54 − 2x cm × 54 − 2x cm, přičemž výška krabice bude právě x cm.
Pro objem krabice dostaneme proto vztah
V = V (x) = (54 − 2x)2
x = (2916 − 216x + 4x2
) x = 4 (729x − 54x2
+ x3
) .
Délka strany vyřízlých čtverců může být nejvýše 54/2 = 27 cm, a proto musíme najít maximum
funkce V (x) na intervalu [0, 27].
Protože je funkce V (x) spojitá na intervalu [0, 27], její maximum existuje (Weierstrassova věta –
Věta 6). Podle Poznámky 13 musíme najít stacionární body:
V ′
(x) = 4 (729 − 108x + 3x2
) = 12 (243 − 36x + x2
) = 12 (27 − x) (9 − x) = 0,
⇒ x1 = 27, x2 = 9.
Body, kde V ′
(x) neexistuje, nejsou.
Body x1 = 27 a x2 = 9 jsou tedy stacionárními body funkce V (x) v intervalu [0, 27], přičemž bod
x1 = 27 je současně krajním bodem tohoto intervalu. Hodnoty funkce V (x) v těchto bodech jsou
stacionární body: x = 27, V (27) = (54 − 54)2
27 = 0,
x = 9, V (9) = (54 − 18)2
9 = 11664, ← max
krajní body: x = 0, V (0) = 0,
x = 27, V (27) = 0.
Tedy maximální objem je 11664 cm3
(téměř 12 litrů) pro krabici o rozměrech 36 cm × 36 cm × 9
cm, tj. v každém rohu musíme vyříznout čtverec o straně 9 cm .
Všimněte si, že maximum můžeme také ověřit testem s první derivací (např. Důsledek 5): pro
x ∈ [0, 9) je V ′
(x) > 0, tedy V (x) je rostoucí na intervalu [0, 9], zatímco pro x ∈ (9, 27) je V ′
(x) < 0
a tedy V (x) je klesající na intervalu [9, 27].
Všimněte si také, že funkce V (x) je konkávní na intervalu [0, 18], konvexní na intervalu [18, 27] a
v bodě x = 18 má inflexní bod.
Příklad 79 (Výroba plechovky). Určete rozměry litrové plechovky válcového tvaru tak, aby
spotřeba materiálu na její výrobu byla co nejmenší.
Řešení. Označme si jako h (v cm) výšku plechovky a jako r (v cm) poloměr jejího dna (či víčka).
Potom je na výrobu takové plechovky potřeba
S = S(h, r) = 2 πr2
dno + víčko
+ 2πrh
stěna
cm2
materiálu.
Protože ale musí mít plechovka objem 1 litr = 1000 cm3
, musí platit
V = πr2
h = 1000 ⇒ h =
1000
πr2
,
54
a tedy je
S = S(r) = 2πr2
+ 2πr
1000
πr2
= 2πr2
+
2000
r
, pro r > 0.
Hledáme tedy minimum funkce S(r) pro r ∈ (0, ∞). Všimněte si, že daný interval není uzavřený
ani ohraničený, a proto pro existenci extrému nelze použít Weierstrassovu větu (Věta 6).
Určeme nejdříve stacionární body:
S′
(r) = (2πr2
+ 2000 r−1
)′
= 4πr − 2000 r−2
= 4πr −
2000
r2
= 0,
⇒ πr3
= 500, ⇒ r = r0 :=
3 500
π
≈ 5.42.
Dále, protože je
S′′
(x) = (4πr − 2000 r−2
)′
= 4π + 4000 r−3
= 4π +
4000
r3
> 0 pro r > 0,
je funkce S(r) konvexní na celém intervalu (0, ∞). A proto je bod r0 globální minimum.
Odpovídající výška plechovky je pak
h0 =
1000
πr2
0
=
1000
π 3 500
π
2
= 2
500
π
3 500
π
2
= 2
3 500
π
= 2 r0 ≈ 10.84.
Spotřeba materiálu je tedy minimální, pokud
výška plechovky je rovna průměru podstavy .
2.19. Diferenciál funkce. Diferenciál funkce je pojem, který se pro funkce jedné proměnné využívá
pouze pro potřeby integrování (viz následující kapitola) nebo pro přibližné výpočty. Pro funkce
více proměnných má mnohem větší význam (viz MB103).
Definice 14 (Diferenciál). Nechť x0 ∈ D(f) je bod, ve kterém existuje vlastní derivace f′
(x0)
funkce y = f(x). Potom definujeme
• diferenciál dx (diferenciál nezávislé proměnné) jako dx = x − x0 (pro x blízko x0),
• diferenciál dy (diferenciál závislé proměnné) jako dy = f′
(x0) . dx .
Alternativní značení pro dy je df, případně df(x0) pokud chceme zdůraznit, že se jedná o diferenciál
v bodě x0.
Uvědomte si, že pokud je x napravo od x0, je dx = x − x0 > 0, pokud je ale x nalevo od x0, je
dx = x − x0 < 0.
Příklad 80.
y = sin x, dy = (sin x)′
. dx = (cos x) dx,
y = −x + x ln x, dy = (−x + x ln x)′
. dx = (ln x) dx.
55
Co to vlastně ten diferenciál je (nepleťte si s diferenciálem v automobilu)?
Pokud se podíváme na rovnici tečny v bodě x0 (viz Poznámka 5), potom máme
y − y0 = f′
(x0) (x − x0), kde y0 = f(x0),
y − f(x0) = f′
(x0) dx
dy
= df(x0). (34)
Vidíme tedy, že diferenciál dy je změna funkčních hodnot na tečně (viz obr.). A protože hodnoty na
tečně aproximují funkční hodnoty f(x) pro x blízko bodu x0, plyne z (34) vzoreček pro přibližné
výpočty:
f(x) ≈ f(x0) + df(x0) , tj. f(x) ≈ f(x0) + f′
(x0) (x − x0). (35)
(Jedná se vlastně o rovnici tečny trošku zapsanou jiným způsobem). Tedy hodnoty funkce f(x) pro
x „blízko bodu x0 se přibližně rovnají hodnotám na tečně v bodě x0, přičemž pro tento výpočet
musíme znát hodnotu funkce f(x0) a derivace f′
(x0) v bodě x0.
Diferenciál je tedy přibližná změna funkčních hodnot pro x blízko x0.
Příklad 81. Pomocí diferenciálu přibližně vypočtěte
√
85.
Řešení. Protože známe
√
81 = 9, položíme x0 = 81 a x = 85, tj. dx = x − x0 = 4. Tedy pro
f(x) =
√
x potom je f′
(x) = 1
2
√
x
, a tedy f(81) = 9 a f′
(81) = 1
2
√
81
= 1
18
. Ze vzorce (35) potom
plyne, že
f(85) ≈ f(81) + df(81) = f(81) + f′
(81) dx, tj.
√
85 ≈ 9 +
1
18
· 4 = 9 +
2
9
=
83
9
= 9.2222 . . . .
(Pro srovnání je přesná hodnota
√
85 = 9.2195 . . . .)
Příklad 82. Poloměr kruhu se mění z 20 m na 20, 1 m. Odhadněte nárůst jeho plochy.
Řešení. Obsah kruhu je P = P(r) = πr2
. Položíme r0 = 20, r = 20.1, a pak dr = r−r0 = 20.1−20 =
0.1. Protože je P(r0) = P(20) = 400π a P′
(r0) = P′
(20) = 2πr r=20
= 40π, je podle vzorce (35)
P(r) ≈ P(r0) + P′
(r0) dr = 400π + 40π . (0.1) = 404π. ⇒ dP(r0) = 4π ≈ P(r) − P(r0).
Odhad nárůstu plochy je asi 4π m2
.
Přibližný procentuální nárůst plochy (vzhledem k původní ploše) je pak
dP(r0)
P(r0)
=
4π
400π
=
1
100
= 1%.
Tedy plocha vzroste přibližně o 1%.
56
2.20. Taylorův polynom. Viděli jsme, že pro aproximaci funkce pomocí lineárního polynomu slouží
tečna (tedy diferenciál). Lze ale použít i aproximace vyšších řádů. V tomto obecnějším případě potom
hovoříme o Taylorově polynomu.
Definice 15 (Taylorův polynom). Nechť x0 ∈ D(f) je bod, ve kterém existují vlastní derivace
f′
(x0), f′′
(x0), . . . , f(n)
(x0) funkce f(x) až do řádu n. Taylorův polynom stupně n funkce f(x) se
středem v bodě x0 je polynom
T(x) = Tn(x) = Tf
n (x) = Tf
n (x; x0)
definovaný jako
T(x) := f(x0) + f′
(x0) (x − x0) +
f′′
(x0)
2
(x − x0)2
+
f′′′
(x0)
3!
(x − x0)3
+ · · · +
f(n)
(x0)
n!
(x − x0)n
.
Alternativně zapisujeme Taylorův polynom pomocí sumy
T(x) =
n
k=0
f(k)
(x0)
k!
(x − x0)k
,
přičemž pro k = 0 klademe 0! := 1 a f(0)
(x) := f(x).
Poznámka 17.
(i) Taylorův polynom stupně n = 0 se středem v bodě x0 je tedy polynom
T0(x) = f(x0),
tedy jedná se o konstantní funkci.
(ii) Taylorův polynom stupně n = 1 se středem v bodě x0 je tedy polynom
T1(x) = f(x0) + f′
(x0) (x − x0).
Vidíme tedy, že tento polynom je přesně rovnice tečny (viz Poznámka 5) nebo také vyjadřuje
aproximaci funkce f(x) pomocí diferenciálu (viz vzorec (35)).
Příklad 83. Určete Taylorův polynom stupně n = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 se středem v bodě x0 = 0 pro
funkci
f(x) = sin x .
Řešení. Pro funkci f(x) = sin x máme
f′
(x) = cos x, f′′
(x) = − sin x, f′′′
(x) = − cos x,
f(4)
(x) = sin x = f(x), f(5)
(x) = cos x = f′
(x), f(6)
(x) = − sin x = f′′
(x).
Hodnoty funkce a derivací v bodě x0 = 0 tedy jsou
f(0) = 0, f′
(0) = 1, f′′
(0) = 0, f′′′
(x) = −1,
f(4)
(0) = 0 = f(0), f(5)
(0) = 1 = f′
(0), f(6)
(0) = 0 = f′′
(0).
Všimněte si, že všechny derivace sudého řádu jsou v bodě x0 = 0 rovny 0, a tedy sudé mocniny x se
ve výsledných polynomech nebudou vyskytovat.
57
Příslušné Taylorovy polynomy Tn(x) stupňů n = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 jsou tedy
T0(x) = f(0) = 0,
T1(x) = T0(x) + f′
(0) x = x,
T2(x) = T1(x) +
f′′
(0)
2
x2
= x,
T3(x) = T2(x) +
f′′′
(0)
3!
x3
= x −
1
6
x3
,
T4(x) = T3(x) +
f(4)
(0)
4!
x4
= x −
1
6
x3
,
T5(x) = T4(x) +
f(5)
(0)
5!
x5
= x −
1
6
x3
+
1
120
x5
,
T6(x) = T5(x) +
f(6)
(0)
6!
x6
= x −
1
6
x3
+
1
120
x5
.
Aproximace funkce sin x pomocí těchto polynomů je zobrazena v přiloženém souboru
<tayloruv polynom sinus.pdf>
Příklad 84. Určete Taylorův polynom stupně n = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 se středem v bodě x0 = 0 pro
funkci
f(x) = cos x .
Řešení. Pro funkci f(x) = cos x máme
f′
(x) = − sin x, f′′
(x) = − cos x, f′′′
(x) = sin x,
f(4)
(x) = cos x = f(x), f(5)
(x) = − sin x = f′
(x), f(6)
(x) = − cos x = f′′
(x).
Hodnoty funkce a derivací v bodě x0 = 0 tedy jsou
f(0) = 1, f′
(0) = 0, f′′
(0) = −1, f′′′
(x) = 0,
f(4)
(0) = 1 = f(0), f(5)
(0) = 0 = f′
(0), f(6)
(0) = −1 = f′′
(0).
Všimněte si, že všechny derivace lichého řádu jsou v bodě x0 = 0 rovny 0, a tedy liché mocniny x
se ve výsledných polynomech nebudou vyskytovat.
58
Příslušné Taylorovy polynomy Tn(x) stupňů n = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 jsou tedy
T0(x) = f(0) = 1,
T1(x) = T0(x) + f′
(0) x = 1,
T2(x) = T1(x) +
f′′
(0)
2
x2
= 1 −
1
2
x2
,
T3(x) = T2(x) +
f′′′
(0)
3!
x3
= 1 −
1
2
x2
,
T4(x) = T3(x) +
f(4)
(0)
4!
x4
= 1 −
1
2
x2
+
1
24
x4
,
T5(x) = T4(x) +
f(5)
(0)
5!
x5
= 1 −
1
2
x2
+
1
24
x4
,
T6(x) = T5(x) +
f(6)
(0)
6!
x6
= 1 −
1
2
x2
+
1
24
x4
−
1
720
x6
.
Aproximace funkce cos x pomocí těchto polynomů je zobrazena v přiloženém souboru
<tayloruv polynom kosinus.pdf>
Příklad 85. Určete Taylorův polynom stupně n = 0, 1, 2, 3, 4 se středem v bodě x0 = 0 pro funkci
f(x) = ex
.
Řešení. Pro funkci f(x) = ex
máme
f(x) = f′
(x) = f′′
(x) = f′′′
(x) = f(4)
(x) = ex
.
Hodnoty funkce a derivací v bodě x0 = 0 tedy jsou všechny rovny e0
= 1.
Příslušné Taylorovy polynomy Tn(x) stupňů n = 0, 1, 2, 3, 4 jsou tedy
T0(x) = f(0) = 1,
T1(x) = T0(x) + f′
(0) x = 1 + x,
T2(x) = T1(x) +
f′′
(0)
2
x2
= 1 + x +
1
2
x2
,
T3(x) = T2(x) +
f′′′
(0)
3!
x3
= 1 + x +
1
2
x2
+
1
6
x3
,
T4(x) = T3(x) +
f(4)
(0)
4!
x4
= 1 + x +
1
2
x2
+
1
6
x3
+
1
24
x4
.
Aproximace funkce ex
pomocí těchto polynomů je zobrazena v přiloženém souboru
<tayloruv polynom exp.pdf>
59
Příklad 86. Určete Taylorův polynom stupně n = 0, 1, 2, 3, 4 se středem v bodě x0 = 0 pro funkci
f(x) = ln(1 + x) .
Řešení. Pro funkci f(x) = ln(1 + x) máme
f′
(x) = (1 + x)−1
=
1
1 + x
, f′′
(x) = (−1) (1 + x)−2
=
−1
(1 + x)2
,
f′′′
(x) = (−1) (−2) (1 + x)−3
=
2
(1 + x)3
, f(4)
(x) = 2 (−3) (1 + x)−4
=
−6
(1 + x)4
.
Hodnoty funkce a derivací v bodě x0 = 0 tedy jsou
f(0) = 0, f′
(0) = 1, f′′
(0) = −1, f′′′
(0) = 2, f(4)
(0) = −6.
Příslušné Taylorovy polynomy Tn(x) stupňů n = 0, 1, 2, 3, 4 jsou tedy
T0(x) = f(0) = 0,
T1(x) = T0(x) + f′
(0) x = x,
T2(x) = T1(x) +
f′′
(0)
2
x2
= x −
1
2
x2
,
T3(x) = T2(x) +
f′′′
(0)
3!
x3
= x −
1
2
x2
+
1
3
x3
,
T4(x) = T3(x) +
f(4)
(0)
4!
x4
= x −
1
2
x2
+
1
3
x3
−
1
4
x4
.
Aproximace funkce ex
pomocí těchto polynomů je zobrazena v přiloženém souboru
<tayloruv polynom ln.pdf>
Vidíme tedy, že funkce f(x) je aproximována Taylorovým polynomem. Můžeme se ovšem ptát, jak
vypadá přesné vyjádření funkce f(x) pomocí Taylorova polynomu. Potom nutně musíme zahrnout
do výpočtu výraz pro chybu aproximace – a dostaneme tzv. Taylorův rozvoj se zbytkem.
Věta 23 (Taylorův rozvoj se zbytkem). Nechť f(x) má spojité derivace f′
(x), f′′
(x), . . . , f(n)
(x)
na uzavřeném intervalu [a, b] a nechť existuje vlastní derivace f(n+1)
(x) na otevřeném intervalu (a, b).
Potom pro každý bod x ∈ (a, b) existuje bod c ∈ (a, x) tak, že platí rovnost
f(x) = Tn(x) + Rn(x) , kde Rn(x) =
f(n+1)
(c)
(n + 1)!
(x − a)n+1
, (36)
kde Tn(x) je Taylorův polynom stupně n funkce f(x) se středem v bodě a.
Důkaz. Toto důležité tvrzení je důsledkem Rolleovy věty o střední hodnotě (Věta 13). Podrobnosti
jsou ve skriptech prof. Slováka.
Výraz Rn(x) ve vzorci (36) se nazývá Taylorův zbytek (se středem v bodě x0) a vyjadřuje chybu
aproximace Taylorovým polynomem Tn(x). O odhadu velikosti Rn(x) (a tudíž velikosti chyby aproximace
Taylorovým polynomem) je celá matematická teorie.
60
Příklad 87. Pro funkci f(x) = ex
a Taylorův polynom Tn(x) se středem v bodě 0 (viz Příklad 85)
je zřejmě pro libovolné x ∈ R
Rn(x) =
ec
(n + 1)!
xn+1
, kde c leží mezi 0 a x.
Všimněte si, že pro x > 0 je vždy ec
< ex
(neboť c ∈ (0, x) a exponenciální funkce je rostoucí), a
tedy platí odhad
Rn(x) ≤
ex
(n + 1)!
xn+1
, x > 0,
zatímco pro x < 0 je vždy ec
< 1 (neboť v tomto případě je c ∈ (x, 0)), a tedy platí odhad
Rn(x) ≤
1
(n + 1)!
|x|n+1
, x < 0.
V obou dvou případech (jak pro x > 0 tak pro x < 0) ale vidíme, že pro pevně zvolené x se bude s
rostoucím n výraz Rn(x) blížit k nule, protože lze ukázat, že pro libovolné x ∈ R je
lim
n→∞
xn+1
(n + 1)!
= 0.
Poznámka 18. S rostoucím n se stupeň Taylorova polynomu zvyšuje, až se pro n → ∞ dostáváme
v polynomu Tn(x) k součtu nekonečně mnoha členů – tzv. nekonečné řadě. Více o tomto tématu
probereme v odstavci 4.5.
Příklad 88. Odhadněte chybu v bodě x = π
4
Taylorova polynomu stupně n = 6 funkce f(x) = cos x
se středem v bodě x0 = 0.
Řešení. Z Příkladu 84 víme, že příslušný Taylorův polynom je
T6(x) = 1 −
1
2
x2
+
1
24
x4
−
1
720
x6
,
přičemž f(6)
(x) = − cos x.
Pro zbytek R6(x) pak podle vzorce (36) platí, že
R6(x) =
f(7)
(c)
7!
x7
=
sin c
7!
x7
,
kde číslo c leží mezi 0 a x. A protože pro libovolné c ∈ R platí | sin c| ≤ 1, potom pro x = π
4
máme
R6
π
4
≤
1
7!
π
4
7
≈ 0.0000366.
61
3. Integrální počet
Integrální počet se zabývá studiem funkcí a jejich aplikací, pokud známe hodnotu derivace.
3.1. Primitivní funkce. Základní otázkou tohoto odstavce je následující: Známe-li funkci f(x), jak
lze najít (pokud vůbec existuje) funkci F(x) tak, že F′
(x) = f(x)?
Příklad 89. Pro jakou funkci F(x) platí, že F′
(x) = f(x) , kde
(a) f(x) = x2
, (b) f(x) = cos x.
Řešení.
(a)
F(x) =
x3
3
,
x3
3
+ 1,
x3
3
− π, neboť F′
(x) =
3x2
3
+ 0 = x2
= f(x),
či nejobecněji
F(x) =
x3
3
+ C, kde C je libovolná konstanta.
(b)
F(x) = sin x, sin x + 1, sin x − π, neboť F′
(x) = cos x + 0 = cos x = f(x),
či nejobecněji
F(x) = sin x + C, kde C je libovolná konstanta.
Definice 16 (Primitivní funkce). Nechť f(x) a F(x) jsou funkce definované na intervalu I. Funkce
F(x) je primitivní k funkci f(x) na intervalu I, pokud
F′
(x) = f(x) pro všechna x ∈ I. (37)
Příklad 90. Z pravidel pro derivování elementárních funkcí (odstavec 2.9) snadno dostáváme násle-
dující.
(a) Funkce xn+1
n+1
je primitivní k funkci xn
na R.
(b) Funkce ln x je primitivní k funkci 1
x
na (0, ∞). Funkce ln(−x) je primitivní k funkci 1
x
na
(−∞, 0). Dohromady zapsáno: Funkce ln |x| je primitivní k funkci 1
x
na (−∞, 0) a na (0, ∞).
(c) Funkce arctg x je primitivní k funkci 1
1+x2 na R.
(d) Funkce arcsin x je primitivní k funkci 1√
1−x2 na (−1, 1).
(e) Funkce C (konstantní funkce) je primitivní k funkci 0 na R.
Kdy k dané funkci f(x) existuje primitivní funkce F(x)? Ne vždy!
62
Věta 24 (O existenci primitivní funkce). Je-li funkce f(x) spojitá na intervalu I, potom k ní
existuje na tomto intervalu funkce primitivní.
Důkaz. Uvedeme později, viz Poznámka 28(ii) v odstavci 3.4.
Poznámka 19.
(i) Věta 24 udává postačující podmínku pro existenci primitivní funkce. Spojitost není nutnou
podmínkou pro existenci primitivní funkce. Např. funkce
f(x) :=
2x sin 1
x
− cos 1
x
, pro x = 0,
0, pro x = 0,
není spojitá v bodě x = 0, protože
lim
x→0
f(x) = lim
x→0
2x sin
1
x
→ 0
− cos
1
x
neexistuje
neexistuje.
Na druhé straně, funkce
F(x) :=
x2
sin 1
x
, pro x = 0,
0, pro x = 0,
(38)
je primitivní k f(x) na celém R, neboť pro x = 0 je
F′
(x) = 2x sin
1
x
+ x2
cos
1
x
. −
1
x2
= 2x sin
1
x
− cos
1
x
= f(x),
a pro x = 0 je
F′
(0) = lim
x→0
F(x) − F(0)
x − 0
= lim
x→0
x2
sin 1
x
x
= lim
x→0
x sin
1
x
= 0 = f(0).
(ii) Je-li F(x) primitivní k funkci f(x) na intervalu I, potom je F(x) + C také primitivní k f(x)
na intervalu I pro libovolnou konstantu C ∈ R.
(iii) Jsou-li F(x) a G(x) primitivní k funkci f(x) na I, potom existuje konstanta C ∈ R tak, že
F(x) = G(x) + C pro všechna x ∈ I (tedy funkce F(x) a G(x) se liší o konstantu na celém
intervalu I).
(iv) Důsledkem částí (ii) a (iii) je, že je-li F(x) primitivní k f(x) na intervalu I, potom
F(x) + C, C ∈ R
je množina všech primitivních funkcí k f(x) na intervalu I. Tuto množinu budeme nazývat
neurčitý integrál.
Příklad 91. Protože mají funkce F(x) = arctg x a G(x) = − arccotg x stejnou derivaci f(x) = 1
1+x2
(viz Tvrzení 4), musí se tyto funkce lišit o konstantu, tj.
arctg x = − arccotg x + C ∀x ∈ R.
Konstantu C můžeme určit např. z hodnot těchto funkcí v bodě x = 0,
arctg 0 = 0, arccotg 0 =
π
2
, ⇒ C =
π
2
,
63
neboli platí
arctg x + arccotg x =
π
2
, ∀x ∈ R.
Definice 17 (Neurčitý integrál). Množina všech primitivních funkcí k funkci f(x) na intervalu
I se nazývá neurčitý integrál z funkce f(x) na intervalu I. Tuto množinu budeme značit (zkráceně)
jako
f(x) dx := F(x) + C, C ∈ R = F(x) + C,
tedy symbol množiny { } budeme (kvůli stručnosti) vynechávat.
Příklad 92. Z pravidel pro derivování elementárních funkcí (odstavec 2.9, viz také Příklad 90)
snadno dostáváme následující.
xn
dx =
xn+1
n + 1
+ C,
sin x dx = − cos x + C,
cos x dx = sin x + C,
ex
dx = ex
+ C,
ax
dx =
ax
ln a
+ C,
1
x
dx = ln |x| + C, (39)
1
1 + x2
dx = arctg x + C,
1
√
1 − x2
dx = arcsin x + C,
f′
(x)
f(x)
dx = ln f(x) + C.
Ve vzorci (39) si všimněte, že na pravé straně je v logaritmu absolutní hodnota, neboť pro x > 0
je (ln x)′
= 1
x
a pro x < 0 je [ln(−x)]′
= 1
−x
· (−1) = 1
x
.
3.2. Základní integrační metody.
Věta 25 (Pravidla pro neurčitý integrál).
(i) Pravidlo konstantního násobku:
c . f(x) dx = c f(x) dx.
Neboli, je-li F(x) primitivní k f(x), potom je c . F(x) primitivní k c . f(x).
64
(ii) Pravidlo součtu a rozdílu:
f(x) ± g(x) dx = f(x) dx ± g(x) dx.
Neboli, je-li F(x) primitivní k f(x) a je-li G(x) primitivní k g(x), potom je F(x) ± G(x)
primitivní k f(x) ± g(x).
Důkaz. Obě pravidla jsou jednoduchým důsledkem příslušného pravidla pro derivace (viz Věta 10):
[c . F(x)]′
= c . F′
(x) = c . f(x)
[F(x) ± G(x)]′
= F′
(x) ± G′
(x) = f(x) ± g(x).
Příklad 93.
(a)
(x3
− 3x2
+ 5) dx =
x4
4
− x3
+ 5x + C,
(b)
√
x +
1
3
√
x
+ 2x6
dx = x
1
2 + x− 1
3 + 2x6
dx =
x
3
2
3
2
+
x
2
3
2
3
+ 2
x7
7
+ C,
(c)
2x
−
2
x
dx =
2x
ln 2
− 2 ln |x| + C,
(d)
2
√
1 − x2
+
5
x2 + 1
dx = 2 arcsin x + 5 arctg x + C,
= −2 arccos x − 5 arccotg x + C.
Další integrační pravidlo umožňuje integrovat součiny funkcí, přičemž integrál z daného součinu
se vhodně převede na integrál z „jednoduššího součinu (viz příklady dále).
Věta 26 (Metoda per-partes pro neurčitý integrál). Nechť funkce u(x) a v(x) mají derivaci
na intervalu I. Potom platí
u′
(x) . v(x) dx = u(x) . v(x) − u(x) . v′
(x) dx.
Důkaz. Tato metoda je jednoduchým důsledkem pravidla pro derivaci součinu (viz Věta 10(iii)) a
pravidla pro integrál součtu (viz Věta 25(ii)):
[u v]′
= u′
v + u v′
, ⇒ [u v]′
= (u′
v + u v′
) ⇒ u v + C = u′
v + u v′
.
Příslušné výpočty pro metodu per partes budeme stejně jako u typu limity psát ve výpočtu
mezi dvě svislé čáry, viz následující příklad.
65
Příklad 94.
(a)
x cos x dx
u′
= cos x u = sin x
v = x v′
= 1
= x sin x − sin x dx
= x sin x − (− cos x) + C = x sin x + cos x + C .
(b)
x ln x dx
u′
= x u = x2
2
v = ln x v′
= 1
x
=
x2
2
ln x −
x2
2
·
1
x
dx
=
x2
2
ln x −
x
2
dx =
x2
2
ln x −
x2
4
+ C .
(c)
ln x dx = 1 . ln x dx
u′
= 1 u = x
v = ln x v′
= 1
x
= x ln x − x ·
1
x
dx = x ln x − 1 dx = x ln x − x + C .
(d)
ex
sin x dx
označme jako I
u′
= ex
u = ex
v = sin x v′
= cos x
= ex
sin x − ex
cos x dx
u′
= ex
u = ex
v = cos x v′
= − sin x
= ex
sin x − ex
cos x − ex
(− sin x) dx
= ex
sin x − ex
cos x − ex
sin x dx
= I
Tedy pro neznámý integrál I dostáváme rovnici
I = ex
(sin x − cos x) − I ⇒ 2I = ex
(sin x − cos x) ⇒ I =
1
2
ex
(sin x − cos x),
a proto je
ex
sin x dx =
1
2
ex
(sin x − cos x) + C .
Ve všech příkladech ověřte, že zpětným derivováním výsledku dostanete příslušnou funkci v inte-
grálu.
Poznámka 20.
66
(i) Metoda per-partes vede k cíli zejména pro integrály typu
xn
eax
dx, xn
cos(ax) dx, xn
sin(ax) dx,
xn
arctg(ax) dx, xn
arccotg(ax) dx, xa
lnn
x dx.
(ii) Metoda per-partes vede někdy na rovnici pro neznámý integrál (viz Příklad 94(d)), např.
eax
cos(bx) dx, eax
sin(bx) dx.
(iii) Metoda per-partes vede někdy na rekurentní formuli pro neznámý integrál (viz následující
Příklad 95).
Příklad 95. Určete
Kn(x) :=
1
(x2 + 1)n
dx.
Řešení. Zřejmě je
K0(x) = 1 dx = x + C ,
K1(x) =
1
x2 + 1
dx = arctg x + C .
Neznámý integrál Kn (pro n ≥ 2) vypočítáme metodou per-partes:
Kn(x) = 1 . (x2
+ 1)−n
dx
u′
= 1 u = x
v = (x2
+ 1)−n
v′
= −n(x2
+ 1)−n−1
. 2x
= x (x2
+ 1)−n
− x . (−n) (x2
+ 1)−n−1
. 2x dx
=
x
(x2 + 1)n
+ 2n
x2
(x2 + 1)n+1
dx
=
x
(x2 + 1)n
+ 2n
x2
+ 1 − 1
(x2 + 1)n+1
dx
=
x
(x2 + 1)n
+ 2n
1
(x2 + 1)n
−
1
(x2 + 1)n+1
dx
=
x
(x2 + 1)n
+ 2n [Kn(x) − Kn+1(x)] =
x
(x2 + 1)n
+ 2n Kn(x) − 2n Kn+1(x).
Tedy platí vztah
2n Kn+1(x) =
x
(x2 + 1)n
+ (2n − 1) Kn(x) ⇒ Kn+1(x) =
1
2n
·
x
(x2 + 1)n
+
2n − 1
2n
· Kn(x) .
Např. volbou n = 1 vypočítáme integrál K2(x):
1
(x2 + 1)2
dx = K2(x) =
1
2
·
x
x2 + 1
+
1
2
· K1(x) =
1
2
·
x
x2 + 1
+
1
2
arctg x + C .
67
Další dvě integrační metody (Věta 27 a Věta 28) jsou založeny na pravidle pro derivování složené
funkce (Věta 11).
Věta 27 (Substituce pro neurčitý integrál). Nechť je funkce f(t) definovaná na intervalu I a
nechť ϕ(x) je definovaná na intervalu J a ϕ(J) ⊆ I. Je-li funkce F(t) primitivní k funkci f(t) na
intervalu I, potom je funkce (F ◦ ϕ)(x) primitivní k funkci [(f ◦ ϕ)(x)] . ϕ′
(x) na intervalu J, tj.
f ϕ(x) . ϕ′
(x) dx = f(t) dt = F(t) = F ϕ(x) .
Neboli v daném integrálu volíme substituci t = ϕ(x) .
Důkaz. Tato metoda je jednoduchým důsledkem pravidla pro derivaci složené funkce (viz Věta 11):
[F ϕ(x) ]′
= F′
ϕ(x) . ϕ′
(x) = f ϕ(x) . ϕ′
(x) ⇒ [F ϕ(x) ]′
dx
= F ϕ(x)
= f ϕ(x) . ϕ′
(x) dx.
Substituční metodu budeme opět zapisovat do našeho výpočtu mezi dvě svislé čáry.
Příklad 96.
(a)
2x
(x2 + 1)2
dx
t = x2
+ 1
dt = 2x dx
=
1
t2
dt = t−2
dt =
t−1
−1
= −
1
t
+ C = −
1
x2 + 1
+ C
(b)
x2
cos x3
dx
t = x3
dt = 3x2
dx
=
1
3
cos t dt =
1
3
sin t + C =
1
3
sin x3
+ C .
Poznámka 21.
(i) Ve výpočtu pomocí substituční metody se používá vzoreček pro diferenciál (viz Definice 14),
neboli
t = ϕ(x) ⇒ dt = ϕ′
(x) dx .
(ii) Substituce uvedená ve Větě 27 je tedy tvaru
„nová proměnná t = funkce „staré proměnné x.
Integrál po substituci již nesmí obsahovat „starou proměnnou x a musí již být zapsán pouze
pomocí „nové proměnné t.
(iii) Pokud bychom jako „novou proměnnou zvolili jiné písmenko, např. s = ϕ(x), potom je
samozřejmě ds = ϕ′
(x) dx a nový integrál bude v proměnné s.
Druhá substituční metoda je opět důsledkem pravidla o derivaci součinu.
68
Věta 28 (Substituce pro neurčitý integrál). Nechť je funkce f(x) definovaná na intervalu I a
nechť ψ(t) má nenulovou derivaci na intervalu J a ψ(J) = I. Je-li funkce F(t) primitivní k funkci
[(f ◦ ψ)(t)] . ψ′
(t) na intervalu J, potom je funkce (F ◦ ψ−1
)(x) primitivní k funkci f(x) na intervalu
I, tj.
f(x) dx = f ψ(t) . ψ′
(t) dt = = F(t) = F ψ−1
(x) .
Neboli v daném integrálu volíme substituci x = ψ(t) , tj. t = ψ−1
(x) (inverzní funkce).
Poznámka 22.
(i) Taktéž ve výpočtu pomocí druhé substituční metody se používá vzoreček pro diferenciál (viz
Definice 14), neboli
x = ψ(t) ⇒ dx = ψ′
(t) dt .
(ii) Substituce uvedená ve Větě 28 je tedy tvaru
„stará proměnná x = funkce „nové proměnné t.
Integrál po substituci již nesmí obsahovat „starou proměnnou x a musí již být zapsán pouze
pomocí „nové proměnné t.
(iii) Pokud bychom jako „novou proměnnou zvolili jiné písmenko, např. x = ψ(u), potom je
samozřejmě dx = ψ′
(u) du a nový integrál bude v proměnné u.
(iv) U druhé substituční metody (tj. ve Větě 28) je nutné dávat pozor na interval, kde ψ′
(t) = 0.
Tato podmínka zaručuje monotonii funkce ψ(t) a tedy existenci inverzní funkce ψ−1
(x).
Příklad 97.
√
1 − x2 dx
x = sin t
dx = (cos t) dt
= 1 − sin2
t
= cos t
. cos t dt
dx
= cos2
t dt =
1 + cos(2t)
2
dt =
1
2
+
1
2
cos(2t) dt
=
t
2
+
1
2
·
sin(2t)
2
+ C =
t
2
+
1
2
(sin t) (cos t) + C
=
t
2
+
1
2
(sin t) 1 − sin2
t + C t = arcsin x
=
1
2
arcsin x +
1
2
x
√
1 − x2 + C .
Ověřte si derivováním výsledku, že je tento výpočet skutečně správně.
69
3.3. Integrování racionálních lomených funkcí. Je-li R(x) = P(x)
Q(x)
= polynom
polynom
racionální lomená
funkce (viz odstavec 1.6), provedeme nejprve dělení, abychom dostali ryze racionální lomenou funkci.
Příklad 98.
x3
+ x2
x2 + 1
= x + 1
umíme
integrovat
−
x + 1
x2 + 1
Dále ryze racionální lomenou funkci rozložíme na parciální zlomky, přičemž v odstavci 1.6 jsme
viděli, že tyto parciální zlomky mají jeden z následujících tvarů.
• Pro reálný jednoduchý kořen x0:
A
x − x0
, ⇒
A
x − x0
dx = A ln |x − x0| .
• Pro reálný vícenásobný kořen x0 (n ≥ 2):
A
(x − x0)n
,
B
(x − x0)n−1
, . . . ,
C
x − x0
⇒ pro k = 2, . . . , n:
A
(x − x0)k
dx = A (x − x0)−k
dx = A
(x − x0)−k+1
−k + 1
=
A
(1 − k) (x − x0)k−1
.
• Pro dvojici jednoduchých komplexně sdružených kořenů α ± βi:
Bx + C
(x − α)2 + β2
, ⇒
Bx + C
(x − α)2 + β2
dx
Výraz ve jmenovateli upravíme vytýkáním na tvar t2
+ 1, kde t = x−α
β
. Výsledný integrál je
po této substituci tvaru
Dt + E
t2 + 1
dt = D
t
t2 + 1
dt + E
1
t2 + 1
dt =
D
2
ln(t2
+ 1) + E arctg t .
• Pro dvojici vícenásobných komplexně sdružených kořenů α ± βi (n ≥ 2):
Bx + C
[(x − α)2 + β2]n
,
Dx + E
[(x − α)2 + β2]n−1
, . . . ,
Fx + G
(x − α)2 + β2
⇒ pro k = 2, . . . , n:
Bx + C
[(x − α)2 + β2]k
dx
Výraz ve jmenovateli upravíme vytýkáním na tvar (t2
+ 1)k
, kde t = x−α
β
. Výsledný integrál
je po této substituci tvaru
Ht + J
(t2 + 1)k
dt = H
t
(t2 + 1)k
dt + J
1
(t2 + 1)k
dt,
přičemž první z uvedených integrálů vypočteme substitucí s = t2
+ 1 (potom ds = 2t dt) a
druhý z uvedených integrálů je integrál Kn(x) z Příkladu 95 (přesněji v tomto případě Kk(t)),
který vede na rekurentní formuli.
70
Příklad 99. Vypočtěte
x3
+ 6x2
+ 5
(x + 1)2 (x2 + 4)
dx.
Řešení. Rozkladem na parciální zlomky zjistíme
x3
+ 6x2
+ 5
(x + 1)2 (x2 + 4)
=
A
(x + 1)2
+
B
x + 1
+
Cx + D
x2 + 4
.
Odsud plyne, že A = 2, B = −1, C = 2, D = 1 a tedy je
x3
+ 6x2
+ 5
(x + 1)2 (x2 + 4)
dx =
2
(x + 1)2
−
1
x + 1
+
2x + 1
x2 + 4
dx
=
−2
x + 1
− ln |x + 1| +
2x
x2 + 4
dx +
1
x2 + 4
dx
=
−2
x + 1
− ln |x + 1| + ln(x2
+ 4) +
1
2
arctg
x
2
+ C ,
přičemž předposlední integrál jsme spočítali pomocí substituce t = x2
+ 4 (tj. dt = 2x dx) a poslední
integrál pomocí substituce t = x
2
(tj. dt = 1
2
dx).
Mnoho dalších typů integrálů vede přes vhodné substituce na integrály z racionálních lomených
funkcí, některé ukázky jsou ve skriptech prof. Slováka.
Poznámka 23. Někdy ani nelze daný integrál vůbec spočítat (tj. vyjádřit pomocí elementárních
funkcí), např.
sin x
x
dx,
cos x
x
dx,
x
ln x
dx, sin(x2
) dx, cos(x2
) dx,
ex
x
dx, ex2
dx.
Z věty o existenci primitivní funkce (Věta 24) ale víme, že k uvedeným funkcím existuje primitivní
funkce, protože tyto funkce jsou spojité. Tyto primitivní funkce se pak nazývají vyšší funkce (jsou
nevyjádřitelné pomocí elementárních funkcí).
Pozn.: Pozor ale na
ln x
x
dx =
1
2
ln2
x + C, (není to vyšší funkce)!
71
3.4. Riemannův integrál. V tomto odstavci budou uvažované funkce vždy ohraničené.
Základní otázka tohoto odstavce zní: Jaká je plocha mezi f(x) a osou x (na intervalu [a, b])?
Příklad 100.
(a) f(x) = 2 pro x ∈ [−1, 1] (viz obr.), P = 4 .
(b) f(x) = k pro x ∈ [a, b] (viz obr.), P = k (b − a) .
(c) f(x) = x pro x ∈ [0, 4] (viz obr.), P = 1
2
42
= 8 .
(d) f(x) = x pro x ∈ [2, 4] (viz obr.), P = 1
2
42
− 1
2
22
= 8 − 2 = 6 .
(e) f(x) = x pro x ∈ [a, b] (viz obr.), P = 1
2
b2
− 1
2
a2
.
(f) f(x) =
√
1 − x2 pro x ∈ [−1, 1] (viz obr.), P = 1
2
π 12
=
π
2
.
(g) f(x) = −2x + 1 pro x ∈ [1, 2] (viz obr.), P = 1
2
· 3
2
· 3 − 1
2
· 1
2
· 1 = 2. Ale protože je plocha
pod osou x, klademe P = −2 .
(h) f(x) = x3
pro x ∈ [−1, 1] (viz obr.), plocha je stejná nad i pod osou x, a proto klademe
P = 0 .
Tato „orientovaná plocha se nazývá určitý integrál (též Riemannův integrál) z funkce f(x) přes
interval [a, b] a značíme ji
P =
b
a
f(x) dx =
orientovaná plocha mezi grafem
funkce f(x) a osou x
.
Příklad 101. Tedy výpočty uvedené v Příkladu 100 můžeme alternativně zapsat následovně:
(a)
1
−1
2 dx = 4 ,
(b)
b
a
k dx = k (b − a) ,
(c)
4
0
x dx = 8 ,
(d)
4
2
x dx = 6 ,
(e)
b
a
x dx = 1
2
b2
− 1
2
a2
,
(f)
1
−1
√
1 − x2 dx = π
2
,
(g)
1
−1
(−2x + 1) dx = −2 ,
72
(h)
1
−1
x3
dx = 0 .
Skutečnou plochu mezi f(x) a osou x odhadneme pomocí „vepsaných a „opsaných obdélníků
(viz obr.), čímž dostaneme dolní odhad s(D, f) pro skutečnou plochu a horní odhad S(D, f) pro
skutečnou plochu.
Definice 18 (Dělení intervalu). Nechť a, b ∈ R, a < b. Dělením intervalu [a, b] je konečná množina
bodů D ⊆ [a, b] s vlastností a, b ∈ D. Tedy
D = {x0, x1, . . . , xn}, kde x0 = a, xn = b.
Body x0, x1, . . . , xn se nazývají dělící body a interval [xk−1, xk] se nazývá dělící (pod)interval.
Délka největšího dělícího podintervalu je pak norma dělení D, tj. je to číslo
n(D) := max
k=1,...,n
{xk − xk−1}. (40)
Množinu všech dělení intervalu [a, b] označujeme jako D[a, b] či jenom jako D.
Pro ohraničenou funkci f(x) na [a, b] a dělení D intervalu [a, b] zaveďme označení
mk := inf f(x), x ∈ [xk−1, xk] , (viz obr.)
Mk := sup f(x), x ∈ [xk−1, xk] , (viz obr.)
s(D, f) :=
n
k=1
mk (xk − xk−1), dolní součet funkce f(x) při dělení D,
S(D, f) :=
n
k=1
Mk (xk − xk−1), horní součet funkce f(x) při dělení D.
Tvrzení 5. Nechť c ≤ f(x) ≤ d pro každé x ∈ [a, b]. Potom pro každá dvě dělení D1, D2 ∈ D[a, b]
platí
c (b − a) ≤ s(D1, f) ≤ S(D2, f) ≤ d (b − a),
tj. dolní součet libovolného dělení je nejvýše roven hornímu součtu libovolného dělení, přičemž všechny
dolní součty jsou zdola ohraničeny číslem c (b−a) a všechny horní součty jsou shora ohraničeny číslem
d (b − a) (viz obr.).
Při vzrůstajícím počtu dělících bodů xk v dělení D1, D2 se bude dolní součet s(D1, f) zvětšovat a
zároveň horní součet S(D2, f) zmenšovat.
Definice 19 (Dolní a horní integrál). Číslo
b
a
f := sup s(D, f), D ∈ D
nazýváme dolním (Riemannovým) integrálem z funkce f(x) na intervalu [a, b].
73
Číslo
b
a
f := inf S(D, f), D ∈ D
nazýváme horním (Riemannovým) integrálem z funkce f(x) na intervalu [a, b].
Současně víme, že vždy je
b
a
f ≤
b
a
f.
Navíc, pokud je c ≤ f(x) ≤ d na intervalu [a, b], potom podle Tvrzení 5 je
c (b − a) ≤
b
a
f ≤
b
a
f ≤ d (b − a). (41)
Definice 20 (Určitý (Riemannův) integrál). Je-li
b
a
f =
b
a
f,
potom říkáme, že funkce f(x) je integrovatelná (v Riemannově smyslu) na [a, b] a toto společné číslo
značíme
b
a
f :=
b
a
f =
b
a
f.
Množinu všech (riemannovsky) integrovatelných funkcí na intervalu [a, b] značíme jako R[a, b].
Je-li
b
a
f <
b
a
f,
potom říkáme, že funkce f(x) není integrovatelná na [a, b].
Riemannův integrál přes interval [a, b] je tedy číslo. Zápis pro Riemannův integrál budeme používat
také ve tvaru s integrační proměnnou, např.
b
a
f(x) dx,
b
a
f(t) dt, a podobně.
Příklad 102.
(a) Pro konstantní funkci f(x) = c máme mk = Mk = c pro všechny k a tedy je
s(D, f) = c (b − a), S(D, f) = c (b − a) (viz obr.), ∀D ∈ D, ⇒
b
a
k = sup{c (b − a)} = c (b − a),
b
a
k = inf{c (b − a)} = c (b − a) ⇒
c ∈ R[a, b] a platí
b
a
c =
b
a
k =
b
a
k = c (b − a) .
Viz Příklad 101(b).
74
(b) Dirichletova funkce χ [chí]
χ(x) :=
1, pro x ∈ Q ∩ [a, b],
0, pro x ∈ I ∩ [a, b],
Potom mk = 0 a Mk = 1 pro všechna k a tedy je
s(D, χ) = 0, S(D, χ) = b − a (viz obr.), ∀D ∈ D, ⇒
b
a
χ = sup{s(D, χ)} = sup{0} = 0,
b
a
k = inf{S(D, χ)} = inf{b − a} = b − a ⇒
b
a
χ <
b
a
χ a tedy χ ∈ R[a, b] (χ není integrovatelná).
Jak ale obecně určíme, zda je daná funkce integrovatelná (a pak jakou hodnotu má její určitý
integrál) či nikoliv?
Nulová posloupnost dělení Dk ∈ D je taková posloupnost dělení, která splňuje n(Dk) → 0 pro
k → ∞, neboli norma dělení (viz vzorec (40)) jde k nule.
Věta 29. Nechť je funkce f(x) ohraničená na intervalu [a, b]. Potom pro libovolnou nulovou posloupnost
dělení Dk ∈ D platí, že
s(Dk, f) →
b
a
f, S(Dk, f) →
b
a
f, pro k → ∞.
Je-li navíc f(x) integrovatelná na [a, b], potom dolní součty s(Dk, f) i horní součty S(Dk, f) konvergují
(ve smyslu existence vlastní limity) k číslu
b
a
f.
Z Věty 29 vyplývá, že pokud víme, že je f(x) integrovatelná na [a, b], potom lze
b
a
f určit limitním
přechodem pomocí libovolné nulové posloupnosti dělení intervalu [a, b].
Příklad 103. Víme-li, že je funkce f(x) = x2
integrovatelná na intervalu [0, 1] (viz např. Věta 30
uvedená níže), potom určete
1
0
x2
dx.
Řešení. Připomeňme si vzorec
12
+ 22
+ 32
+ · · · + n2
=
n
k=1
k2
=
n (n + 1) (2n + 1)
6
. (42)
Rozdělíme interval [0, 1] na n stejných dělících intervalů délky 1
n
. Potom jsou dělící body xk = k
n
pro k = 0, 1, . . . , n (viz obr.) a norma takového dělení je právě číslo 1
n
. Tedy jedná se o nulovou
posloupnost dělení.
75
Navíc, protože je funkce x2
rostoucí, je její infimum na k–tém dělícím intervalu dosaženo v levém
krajním bodě. Tedy platí, že pro libovolné k = 1, 2, . . . , n je mk = x2
k−1 = (k−1)2
n2 , a proto
s(Dk, f) =
n
k=1
mk . (xk − xk−1) =
n
k=1
(k − 1)2
n2
·
1
n
=
1
n3
n
k=1
(k − 1)2
=
1
n3
n−1
k=1
k2 (42) s n−1
=
1
n3
·
(n − 1) n (2n − 1)
6
→
2
6
=
1
3
.
A proto je
1
0
x2
dx =
1
3
.
Zásadní otázku, které funkce jsou vlastně (riemannovsky) integrovatelné, zodpovídá následující
tvrzení.
Věta 30.
(i) Každá spojitá funkce na intervalu [a, b] je zde také integrovatelná, neboli
C[a, b] ⊆ R[a, b] .
(ii) Každá monotónní funkce na intervalu [a, b] je zde také integrovatelná.
Poznámka 24. Riemannův integrál (tj. vlastně orientovaná plocha) se zřejmě nezmění, pokud je
integrovatelná funkce f(x) nespojitá či není definována v konečně mnoha bodech (či obecněji na
množině „míry nula ), viz obr. Tímto dostáváme určitý integrál přes otevřený nebo polouzavřený
interval. Zejména pro (ohraničené) intervaly všech typů (a, b), (a, b] i [a, b) je příslušný určitý integrál
přes tento interval roven již dříve definovanému číslu
b
a
f, tj. Riemannově integrálu přes uzavřený
interval [a, b].
Příklad 104. Pro nespojitou funkci sgn x (viz Příklad 18(a)) platí (viz obr.)
3
−2
sgn x dx = 3 + (−2) = 1 .
Obdobně lze ukázat (rozvažte si to), že pro a < 0 < b je
b
a
sgn x dx = a + b.
76
3.5. Vlastnosti Riemannova integrálu. V tomto odstavci odvodíme základní vlastnosti Riemannova
integrálu. Stále mějte na paměti, že se vlastně jedná o „orientovanou plochu mezi grafem
funkce a osou x.
Věta 31. Je-li funkce f(x) integrovatelná a ohraničená na intervalu [a, b], tj. c ≤ f(x) ≤ d pro
všechna x ∈ [a, b], potom
c (b − a) ≤
b
a
f ≤ d (b − a),
(viz obr.).
Důkaz. Toto tvrzení je bezprostředním důsledkem nerovnosti (41), neboť nyní předpokládáme, že je
funkce f(x) integrovatelná.
Důsledek 7. Je-li f ∈ R[a, b], potom platí
f(x) ≥ 0 na [a, b] ⇒
b
a
f ≥ 0,
(tj. orientovaná plocha pod nezápornou
funkcí je nezáporná),
f(x) ≤ c na [a, b] ⇒
b
a
f ≤ c (b − a).
Věta 32 (Pravidla pro určitý integrál). Nechť f, g ∈ R[a, b] (f(x) a g(x) jsou integrovatelné) a
c ∈ R je konstanta.
(i) Pravidlo konstantního násobku: c . f ∈ R[a, b] a platí
b
a
c . f(x) dx = c
b
a
f(x) dx.
(ii) Pravidlo součtu a rozdílu: f ± g ∈ R[a, b] a platí
b
a
f(x) ± g(x) dx =
b
a
f(x) dx ±
b
a
g(x) dx.
(iii) Pravidlo monotonie: je-li f(x) ≤ g(x) na [a, b], potom
b
a
f ≤
b
a
g.
(iv) Pravidlo absolutní hodnoty: |f| ∈ R[a, b] a platí
b
a
f ≤
b
a
|f|.
(v) Pravidlo součinu: f . g ∈ R[a, b].
(vi) Pravidlo podílu: je-li g(x) ≥ c na intervalu [a, b] pro nějaké c > 0, potom je f
g
∈ R[a, b].
(vii) Pravidlo návaznosti: je-li a < c < b, potom je f ∈ R[a, c], f ∈ R[c, b] a platí (viz obr.)
b
a
f =
c
a
f +
b
c
f.
77
Poznámka 25. Všimněte si, že pravidla (i) a (ii) vlastně říkají, že operace „určitý integrál je
lineární. Tj. zobrazení
I : R[a, b] → R, I(f) :=
b
a
f
je lineární zobrazení mezi vektorovými prostory R[a, b] a R (viz MB101).
Poznámka 26.
(i) V pravidle součinu (Věta 32(v)) pro určitý integrál je zřejmě (obecně)
b
a
f . g =
b
a
f .
b
a
g .
(ii) V pravidle podílu (Věta 32(vi)) nestačí, aby g(x) > 0 na intervalu [a, b], tj. je nutné, aby byla
funkce ve jmenovateli „odražena od 0 . Např. pro funkce
f(x) := 1 na [0, 1], g(x) :=
1, pro x = 0,
x, pro x ∈ (0, 1],
platí, že f ∈ R[0, 1], g ∈ R[0, 1], protože
1
0
f = 1 a
1
0
g = 1
2
. Dále je g(x) > 0 na celém
intervalu [0, 1], ale funkce
f
g
(x) =
1, pro x = 0,
1
x
, pro x ∈ (0, 1],
není integrovatelná na intervalu [0, 1], protože
1
0
f
g
=
1
0
1
x
dx = ∞, (viz odstavec 3.10).
Funkci g(x) nelze „odrazit od 0 , protože se k nule blíží (a tedy je funkce 1
g(x)
neohraničená).
(iii) Pravidlo návaznosti (Věta 32(vii)) lze jednoduše rozšířit na libovolné hodnoty a, b, c ∈ R
(dokonce mohou být některá tato čísla stejná), pokud definujeme
a
a
f := 0, (tj. „plocha pod jediným bodem je nulová),
a
b
f := −
b
a
f. (tj. záměna integračních mezí mění znaménko určitého integrálu).
Potom podle pravidla návaznosti zřejmě platí
b
a
f +
a
b
f =
a
a
f = 0.
Příklad 105.
(a) Podle pravidla součtu a podle Příkladů 103 a 101(e) je
1
0
(x2
+ x) dx =
1
0
x2
dx +
1
0
x dx =
1
3
+
1
2
=
5
6
.
78
(b) Podle pravidla konstantního násobku a podle Příkladu 103 je
1
0
2x2
dx = 2
1
0
x2
dx = 2 ·
1
3
=
2
3
.
(c) Podle pravidla rozdílu a podle Příkladu 103 je (viz obr.)
1
0
(1 − x2
) dx =
1
0
1 dx −
1
0
x2
dx = 1 −
1
3
=
2
3
.
3.6. Věty o střední hodnotě. Stejně tak jako má diferenciální počet své věty o střední hodnotě
(viz odstavec 2.10), jsou podobné věty důležité i v integrálním počtu.
Začněme následujícím motivačním příkladem. Pokud máme konečně mnoho čísel a1, . . . , an, potom
jejich průměrná hodnota je
a1 + · · · + an
n
=
1
n
n
k=1
ak.
Tedy průměrná hodnota čísel f(c1), . . . , f(cn) je pak
1
n
n
k=1
f(ck).
Položme si otázku, co by se stalo, kdybychom nahradili konečně mnoho čísel f(c1), . . . , f(cn)
nekonečně mnoha funkčními hodnotami f(x), tj. analyzujme limitu
lim
n→∞
1
n
n
k=1
f(ck) = lim
n→∞
1
b − a
n
k=1
f(ck) ·
b − a
n
délka dělících
subintervalů
= lim
n→∞
1
b − a
· Riemannův součet, ale místo mk či Mk je zde f(ck)
→
1
b − a
b
a
f.
Definice 21 (Průměr funkce). Nechť f ∈ R[a, b]. Potom číslo
av(f) = av[a,b](f) :=
1
b − a
b
a
f
nazýváme průměrnou hodnotou (též střední hodnotou) funkce f(x) na intervalu [a, b]. Označení je z
angličtiny „average value .
Příklad 106.
79
(a) Pro funkci f(x) = c na intervalu [a, b] platí
av(f) =
1
b − a
b
a
c dx =
1
b − a
· c (b − a) = c ,
tj. průměrná hodnota konstantní funkce je samozřejmě tatáž konstanta.
(b) Pro funkci f(x) = x na intervalu [a, b] platí (viz Příklad 101(e))
av(f) =
1
b − a
b
a
x dx =
1
b − a
·
b2
− a2
2
=
b + a
2
.
(c) Pro funkci f(x) = x2
na intervalu [0, 1] platí
av(f) =
1
1 − 0
1
0
x2
dx =
1
3
.
V dalším textu označme
m := inf f(x), x ∈ [a, b] , M := sup f(x), x ∈ [a, b] ,
tj. platí pak m ≤ f(x) ≤ M na intervalu [a, b].
Nyní uvedeme důležitou větu o střední hodnotě integrálního počtu. I když tato věta plyne až z
následující věty, uvádíme ji jako první, protože bude pro nás velmi důležitá.
Věta 33 (O střední hodnotě integrálního počtu).
(i) Nechť f ∈ R[a, b]. Potom existuje číslo c ∈ R, m ≤ c ≤ M, takové, že
b
a
f = c (b − a), tj. c = av(f),
tj. plocha mezi grafem funkce f(x) a osou x je rovna obsahu obdélníka se základnou [a, b] a
výškou c (viz obr.).
(ii) Je-li navíc funkce f(x) spojitá na [a, b], potom existuje bod x0 ∈ [a, b] s vlastností, že
f(x0) = c = av(f) =
1
b − a
b
a
f,
tj. spojitá funkce f(x) nabývá svou průměrnou hodnotu v intervalu [a, b].
Důkaz. Plyne z následující Věty 34 volbou g(x) ≡ 1 na [a, b].
Příklad 107. Funkce f(x) = 4 − x2
má na intervalu [0, 3] průměrnou hodnotu
av(f) =
1
3
3
0
(4 − x2
) dx =
1
3
3
0
4 dx −
3
0
x2
dx =
1
3
· (12 − 9) = 1,
(Integrál
3
0
x2
dx = 9 lze spočítat podobně jako Příklad 103.)
Podle Věty 33(i) tedy pro číslo c = av(f) = 1 platí, že
3
0
(4 − x2
) dx = c (b − a) = 1 . 3 = 3.
80
Dále, protože je funkce 4 − x2
spojitá na intervalu [0, 3], existuje podle Věty 33(ii) bod x0 ∈ [0, 3]
s vlastností, že f(x0) = 4 − x2
0 = 1. Zřejmě se jedná o bod x0 =
√
3, viz obr.
Poznámka 27. To, že spojitá funkce nabývá svou průměrnou hodnotu, je vlastnost, která obecně
neplatí pro konečně mnoho hodnot. Je to velmi důležitá vlastnost!
Příklad 108. Pokud je funkce f(x) nespojitá na intervalu [a, b], potom svou průměrnou hodnotu
nabývat nemusí. Např. pro funkci f(x) na intervalu [−1, 1] definovanou jako
f(x) :=
−1, pro x ∈ [−1, 0),
1, pro x ∈ [0, 1],
je (viz obr.)
av(f) =
1
2
1
−1
f =
1
2
· 0 = 0,
ale funkce f(x) nenabývá hodnotu 0 nikde v intervalu [−1, 1].
Věta 34. Nechť f, g ∈ R[a, b] a g(x) ≥ 0 na [a, b].
(i) Existuje číslo c ∈ R, m ≤ c ≤ M, takové, že
b
a
f . g = c
b
a
g.
(ii) Je-li navíc funkce f(x) spojitá na [a, b], potom existuje bod x0 ∈ [a, b] s vlastností, že f(x0) =
c, tj.
b
a
f . g = f(x0)
b
a
g.
Důkaz. (i) Protože je m ≤ f(x) ≤ M a současně g(x) ≥ 0 na intervalu [a, b], platí nerovnosti
m . g(x) ≤ f(x) . g(x) ≤ M . g(x) pro x ∈ [a, b].
Je-li
b
a
g = 0, potom z pravidla monotonie určitého integrálu (Věta 32(iii)) je
0 = m
b
a
g ≤
b
a
f . g ≤ M
b
a
g = 0, ⇒
b
a
f . g = 0
a tudíž číslo c můžeme zvolit libovolně.
Je-li
b
a
g > 0 (neboť g(x) ≥ 0 na [a, b]), potom platí nerovnosti
m
b
a
g ≤
b
a
f . g ≤ M
b
a
g, ⇒ m ≤
b
a
f . g
b
a
g
≤ M,
a tudíž číslo
c :=
b
a
f . g
b
a
g
splňuje tvrzení této věty.
(ii) Je-li f(x) spojitá na [a, b], potom podle Weierstrassovy věty (Věta 6) nabývá f(x) svého
maxima (=M) a minima (=m) v intervalu [a, b]. Dále, podle Bolzanovy věty (Věta 7) nabývá f(x)
všech hodnot mezi m a M, a tedy nabývá i hodnotu c, tj. f(x0) = c pro nějaký bod x0 ∈ [a, b].
81
3.7. Integrál jako funkce horní meze. Je-li funkce f(x) integrovatelná na [a, b], potom je podle
Věty 32(vii) také integrovatelná na intervalu [a, x] pro každé x ∈ [a, b]. Tedy předpis
F(x) :=
x
a
f =
x
a
f(t) dt
definuje funkci F(x), která je řádně definovaná pro všechna x ∈ [a, b].
Zřejmě je
F(a) =
a
a
f = 0 a F(b) =
b
a
f.
V tomto odstavci budeme studovat vlastnosti této funkce F(x).
Zřejmě je hodnota F(x) obsah (orientované) plochy mezi grafem funkce f(t) na intervalu [a, x]
(viz obr.).
Příklad 109. Pro (nespojitou) funkci
f(x) :=
5, pro x ∈ [0, 1),
10, pro x ∈ [1, 2],
je (viz obr.)
F(x) :=
5x, pro x ∈ [0, 1],
10x − 5, pro x ∈ [1, 2],
V následujích dvou tvrzeních uvidíme, že funkce F(x) „vylepšuje vlastnosti funkce f. Viz např.
předchozí Příklad 109, kdy z nespojité funkce f(x) dostaneme spojitou funkci F(x).
Věta 35. Nechť f ∈ R[a, b] (tedy funkce f(x) může být i nespojitá). Potom je funkce
F(x) :=
x
a
f
spojitá na intervalu [a, b].
Důkaz. Důkaz provedeme pro ohraničenou funkci f(x), tj. |f(x)| ≤ c na intervalu [a, b] pro nějaké
c > 0. Obecný případ (bez předpokladu ohraničenosti funkce f(x)) lze najít v literatuře o integrálním
počtu.
Nechť x0 ∈ [a, b] je libovolný bod. Chceme ukázat, že limx→x0 F(x) = F(x0), neboli že
F(x) − F(x0) → 0 pro x → x0.
Platí, že (viz obr.)
F(x) − F(x0) =
x
a
f −
x0
a
f =
x
x0
f ≤
x
x0
|f| ≤
x
x0
c = c |x − x0|
→ 0
→ 0.
Tedy je funkce F(x) spojitá v bodě x0. A protože byl tento bod vybrán v intervalu [a, b] libovolně,
je F(x) spojitá na [a, b].
Další otázkou je, jak rychle se mění funkce F(x)? Takto jednuduše položená otázka je ale jednou
z nejdůležitějších v tomto předmětu. Odpověď zní: Tak rychle, jaké jsou hodnoty funkce f(x).
82
Věta 36. Je-li f(x) spojitá na nějakém okolí bodu x0, potom má funkce F(x) :=
x
a
f derivaci v
bodě x0 a platí
F′
(x0) = f(x0).
Důkaz. Podle Poznámky 4(v) je
F′
(x0) = lim
h→0
F(x0 + h) − F(x0)
h
= lim
h→0
x0+h
a
f −
x0
a
f
h
= lim
h→0
1
h
x0+h
x0
f
= lim
h→0
průměrná hodnota
funkce f(t) na
intervalu [x0, x0 + h]
= lim
h→0
av[x0,x0+h](f) = lim
h→0
f(t0),
přičemž poslední rovnost plyne z věty o střední hodnotě integrálního počtu (f(x) je spojitá na
intervalu [x0, x0 + h] pro h dostatečně malé, a tudíž nabývá v tomto intervalu svou střední hodnotu,
viz Věta 33(ii)), kde bod t0 leží mezi body x0 a x0 + h.
Všimněte si, že číslo h ve výše uvedené limitě nemusí být nutně kladné. Ale i pro h < 0 či pro
h = 0 jsme příslušné integrály definovali v Poznámce 26(iii).
Tedy platí, že
x0 ≤ t0 ≤ x0 + h pro h > 0,
x0 + h ≤ t0 ≤ x0 pro h < 0.
Odsud ale plyne, že jakmile h → 0, pak t0 → x0. A protože je funkce f(x) spojitá v bodě x0, platí
f(t0) → f(x0), neboli
F′
(x0) = lim
h→0
f(t0) = lim
t0→x0
f(t0) = f(x0).
Důsledek 8 (Fundamentální vztah integrálního počtu). Je-li funkce f(x) spojitá na intervalu
[a, b], potom má funkce F(x) :=
x
a
f spojitou derivaci F′
(x) = f(x) na [a, b], tj. platí vztah
x
a
f(t) dt
′
= f(x) . (43)
Poznámka 28.
(i) Vztah (43) v sobě soustřeďuje poznatky o
• derivaci – protože tento vztah obsahuje derivaci,
• neurčitém integrálu – protože je funkce
x
a
f(t) dt primitivní k funkci f(x),
• určitém integrálu – protože tento vztah obsahuje určitý integrál,
• spojitosti – protože je tento vztah založen na spojitosti funkce f(x).
(ii) Důsledek 8 je vlastně důkaz věty o existenci primitivní funkce (Věta 24), protože říká nejen
to, že primitivní funkce F(x) ke spojité funkci na [a, b] existuje, ale dokonce udává návod,
jakým způsobem tuto primitivní funkci zkonstruovat (pomocí určitého integrálu s proměnnou
horní mezí).
83
(iii) Místo
x
a
f můžeme vzít také F(x) =
x
c
f pro libovolné c ∈ [a, b], protože podle pravidla
návaznosti (Věta 32(vii)) je
x
c
f(t) dt
′
=
a
c
f(t) dt
konstanta
vzhledem k x
+
x
a
f(t) dt
′
= 0 +
x
a
f(t) dt
′
= f(x).
(iv) Vzorec (43) udává, že operace určitého integrování (= výpočet plochy) a derivování jsou
v tomto pořadí inverzní, tj. když začneme se spojitou funkcí f(t) na [a, b], kterou nejprve
integrujeme přes interval [a, x] (tím vznikne funkce F(x) udávající orientovanou plochu pod
f(t) na intervalu [a, x] a poté funkci F(x) zderivujeme, tak se vždy opět vrátíme k původní
funkci f(x). Opačné pořadí operací, tj. diferencovatelnou funkci f(x) napřed zderivujeme, a
pak její derivaci f′
(t) integrujeme (Riemannovým integrálem) na [a, x], pak výsledná funkce
nemusí být rovna původní funkci f(x), tj. obecně je
x
a
f′
(t) dt = f(x) − f(a).
Toto je jedna z „vad Riemannova integrálu, která je odstraněna obecnějšími typy integrálů,
např. integrálem Lebesgueovým. Takováto funkce f(t) musí mít ale dostatečně „škaredou
derivaci f′
(t). Pro „pěkné funkce f(t), např. pro funkce se spojitou derivací f′
(t) na [a, b],
výše uvedný vztah platí jako rovnost.
Poznámka 29. Vztah (43) lze jednoduše použít pro rychlý zápis primitivní funkce, např. primitivní
funkce k funkci
(a) x2
je F(x) =
x
0
t2
dt, (b)
1
x
je F(x) =
x
1
1
t
dt.
Tyto primitivní funkce lze ovšem vypočítat (viz následující odstavec 3.8), např.
(a)
x
0
t2
dt =
t3
3
x
0
=
x3
3
−
0
3
=
x3
3
, tedy
x
0
t2
dt
′
=
x3
3
′
= x2
,
(b)
x
1
1
t
dt = ln t
x
1
= ln x − ln 1 = ln x, tedy
x
1
1
t
dt
′
= (ln x)′
=
1
x
.
a ověřit tak přímo platnost vztahu (43).
Na druhou stranu lze vztah (43) využít i pro konstrukci primitivních funkcí k vyšším funkcím (viz
Poznámka 23), např. primitivní funkce k funkci
(a)
sin x
x
je F(x) =
x
1
sin t
t
dt, (b) cos(x2
) je F(x) =
x
0
cos(t2
) dt,
kde dané integrály vypočítat nelze.
(Výše uvedené integrály je možné ale vyjádřit pomocí nekonečné mocninné řady, viz dále odstavec
4.5.)
84
Příklad 110. Bez výpočtu, tedy pouze na základě znalosti vztahu (43), můžeme proto psát např.
x
0
t2
sin t dt
′
= x2
sin x,
x
1
et
t
dt
′
=
ex
x
.
Protože je
x
c
f = −
c
x
f , pro integrál jako funkci dolní meze platí
G(x) :=
c
x
f, G′
(x) =
c
x
f
′
= −
x
c
f
′
= −
x
c
f
′
= −f(x),
a tedy je
c
x
f(t) dt
′
= −f(x) . (44)
To znamená, že
při derivování integrálu podle horní meze dostaneme původní funkci f(x),
zatímco při derivování integrálu podle dolní meze dostaneme −f(x).
Příklad 111. Pro pokročilejší: Zkuste si rozmyslet, jak by vypadala derivace funkcí
F(x) =
x2
1
1
t
dt, G(x) =
1
sin x
arcsin t dt, H(x) =
x2
x
ln t dt.
Řešení. Podle pravidla pro derivování složené funkce (Věta 11) je
F′
(x) =
x2
1
1
t
dt
′
=
1
x2
· (x2
)′
=
1
x2
· 2x =
2
x
,
G′
(x) =
1
sin x
arcsin t dt
′
= −(arcsin sin x
= x
) . (sin x)′
= −x cos x,
H′
(x) =
x2
x
ln t dt
′
=
1
x
ln t dt +
x2
1
ln t dt
′
=
1
x
ln t dt
′
+
x2
1
ln t dt
′
= − ln x + (ln x2
) . (x2
)′
= − ln x + 2 (ln x) . 2x = (4x − 1) ln x.
85
3.8. Metody výpočtu určitého integrálu. To, že jsme schopni najít primitivní funkci pomocí
určitého integrálu, vede k jednoduché metodě výpočtu určitého integrálu pomocí libovolné primitivní
funkce k funkci f(x).
Věta 37 (Newton–Leibnizův vzorec). Je-li f ∈ R[a, b] a je-li F(x) libovolná primitivní funkce
k f(x) na (a, b), přičemž F(x) je spojitá na [a, b], potom je
b
a
f(x) dx = F(b) − F(a) .
Důkaz. Všimněte si, že ve větě stačí f(x) integrovatelná, nemusí být spojitá. Důkaz ale provedeme
pouze pro spojitou funkci f(x), obecnější důkaz lze najít v literatuře.
Je-li f(x) spojitá na [a, b], potom má f(x) podle Věty 24 na [a, b] primitivní funkci, označme ji
F(x). Dále, protože je podle Důsledku 8 funkce
x
a
f také primitivní k f(x) na [a, b], musí se tyto dvě
primitivní funkce navzájem lišit o konstantu, viz Poznámka 19(iii). Tedy platí, že F(x) =
x
a
f + C
pro každé x ∈ [a, b], a proto je
F(b) − F(a) =
b
a
f + C −
a
a
f + C =
b
a
f.
Výpočet určitého integrálu podle Newton–Leibnizova vzorce značíme jako
b
a
f(x) dx = F(x)
b
a
= F(b) − F(a). (45)
Příklad 112. Protože je funkce x3
3
primitivní k funkci x2
na [0, 1], platí
1
0
x2
dx =
x3
3
1
0
=
13
3
−
03
3
=
1
3
,
viz také Příklad 103.
Věta 38 (Metoda per-partes pro určitý integrál). Nechť funkce u(x) a v(x) mají derivaci na
intervalu [a, b] a u′
, v′
∈ R[a, b]. Potom platí
b
a
u′
(x) . v(x) dx = u(x) . v(x)
b
a
−
b
a
u(x) . v′
(x) dx.
Důkaz. Podle Věty 26 je funkce
F(x) := u(x) . v(x) −
x
a
u . v′
primitivní k funkci f(x) = u′
(x) . v(x) dx na intervalu [a, b]. A proto podle Newton–Leibnizova vzorce
(45) je
b
a
u′
. v = F(b) − F(a) = u(b) . v(b) −
b
a
u . v′
− u(a) . v(a) −
a
a
u . v′
= u . v
b
a
−
b
a
u . v′
.
86
Pomocí Věty 38 lze tedy počítat daný integrál metodou per-partes přímo. Druhá možnost je pak
vypočítat nejprve primitivní funkci pomocí metody per-partes pro neurčitý integrál (Věta 26) a
potom aplikovat Newton–Leibnizův vzorec (45).
Příklad 113. (Srovnejte s Příkladem 94.)
(a)
π
0
x cos x dx
u′
= cos x u = sin x
v = x v′
= 1
= x sin x
π
0
−
π
0
sin x dx
= π sin π
= 0
− 0 sin 0
= 0
− − cos x
π
0
= cos x
π
0
= cos π − cos 0 = −1 − 1 = −2 .
(b)
e
1
x ln x dx
u′
= x u = x2
2
v = ln x v′
= 1
x
=
x2
2
ln x
e
1
−
e
1
x2
2
·
1
x
dx
=
e2
2
ln e
= 1
−
1
2
ln 1
= 0
−
1
2
e
1
x dx =
e2
2
−
1
2
x2
2
e
1
=
e2
2
−
1
2
e2
2
−
1
2
=
e2
+ 1
4
.
Věta 39 (Substituce pro určitý integrál). Nechť je funkce f(t) spojitá na intervalu [c, d] a nechť
má funkce ϕ(x) integrovatelnou derivaci na intervalu [a, b] a ϕ([a, b]) ⊆ [c, d]. Potom platí
b
a
f ϕ(x) . ϕ′
(x) dx =
ϕ(b)
ϕ(a)
f(t) dt.
Neboli v daném integrálu volíme substituci t = ϕ(x) a transformujeme nejen integrál, ale i meze (v
tomtéž pořadí mezí).
Příklad 114. Vypočtěte
1
0
√
1 − x2 dx.
Řešení. Tento příklad můžeme vyřešit dvěma způsoby. Buď přímo z Newton–Leibnizova vzorce (45)
(výpočtem primitivní funkce se substitucí v neurčitém integrálu) nebo pomocí substituce v určitém
integrálu.
1. způsob: Z Příkladu 97 víme, že
√
1 − x2 dx =
1
2
arcsin x +
1
2
x
√
1 − x2 + C.
Potom je
1
0
√
1 − x2 dx =
1
2
arcsin 1
= π
2
+
1
2
1
√
1 − 12 −
1
2
arcsin 0 +
1
2
0
√
1 − 02 =
π
4
.
87
2. způsob: Při substituci v určitém integrálu transformujeme i meze (a již se pak ke „staré proměnné
x nevracíme), tj.
1
0
√
1 − x2 dx
x = sin t
dx = (cos t) dt
x = 0 ⇒ t = 0
x = 1 ⇒ t = π
2
=
π
2
0
1 − sin2
t
= cos t
. cos t dt
dx
=
π
2
0
cos2
t dt =
π
2
0
1 + cos(2t)
2
dt =
π
2
0
1
2
+
1
2
cos(2t) dt
=
t
2
+
1
2
·
sin(2t)
2
π
2
0
=
π
4
+
sin π
4
= 0
−
0
2
+
sin 0
4
=
π
4
.
Protože je jedná o obsah čtvrtkruhu s poloměrem r = 1, je výsledná hodnota π
4
očekávaná.
Příklad 115. Vypočtěte obsah kruhu s poloměrem r > 0.
Řešení. Obsah kruhu vypočítáme jako 2–krát obsah půlkruhu nebo jako 4–krát obsah čtvrtkruhu.
Podle první možnosti je pak
P = 2
r
−r
√
r2 − x2 dx
x = r sin t
dx = (r cos t) dt
x = −r ⇒ t = −π
2
x = r ⇒ t = π
2
= 2
π
2
− π
2
r2 − r2 sin2
t
= r cos t
. r cos t dt
dx
= 2
π
2
− π
2
r2
cos2
t dt = 2 r2
π
2
− π
2
1 + cos(2t)
2
dt = 2 r2
π
2
− π
2
1
2
+
1
2
cos(2t) dt
= 2 r2 t
2
+
1
2
·
sin(2t)
2
π
2
− π
2
= 2 r2 π
4
+
sin π
4
= 0
− −
π
4
+
sin(−π)
4
= 0
= 2 r2 π
4
+
π
4
= πr2
.
3.9. Aplikace určitého integrálu. Víme, že určitý integrál
b
a
f byl zkonstruován jako orientovaná
plocha mezi grafem funkce f(x) a osou x na intervalu [a, b]. Tato orientovaná plocha je zřejmě rovna
skutečné ploše, pokud je f(x) ≥ 0 na [a, b].
• Plocha mezi dvěma grafy. Pokud nás zajímá velikost plochy mezi grafy funkcí f(x) a g(x), viz
obr., určíme ji pomocí vepsaných a opsaných obdélníků (stejně jako při konstrukci Riemannova
integrálu v odstavci 3.4), avšak nyní bude obsah každého takového obdélníka tvaru
[f(ck) − g(ck)] (xk − xk−1), Riemannův součet je pak
n
k=1
[f(ck) − g(ck)] (xk − xk−1).
Tyto úvahy vedou k odvozeni následujícího vzorce.
88
Tvrzení 6 (Plocha mezi grafy). Nechť f, g ∈ R[a, b] a f(x) ≥ g(x) na [a, b]. Potom má plocha
mezi grafy těchto funkcí na intervalu [a, b] velikost
P =
b
a
[f(x) − g(x)] dx =
b
a
[ horní funkce − dolní funkce ] dx.
V tomto případě je zřejmě vždy P ≥ 0!
Příklad 116. Určete plochu mezi grafy funkcí y = 1 − x2
a y = −3.
Řešení. Oba grafy se protínají v bodech x = −2 a x = 2, přičemž funkce y = 1 − x2
je horní funkce
na intervalu [−2, 2] (viz obr.). A proto je hledaná plocha
P =
2
−2
[(1 − x2
) − (−3)] dx =
2
−2
(4 − x2
) dx = 4x −
x3
3
2
−2
= 8 −
8
3
− − 8 −
−8
3
= 16 −
16
3
=
32
3
.
Příklad 117. Určete plochu mezi grafy funkcí y = sin x a y = 2 sin x na intervalu [π, 2π].
Řešení. Oba grafy se protínají v bodech x = π a x = 2π, přičemž funkce y = sin x je horní funkce
na tomto intervalu (viz obr.). A proto je hledaná plocha
P =
2π
π
(sin x − 2 sin x) dx =
2π
π
(− sin x) dx = cos x
2π
π
= cos 2π − cos π = 1 − (−1) = 2 .
• Délka křivky. Křivka C v rovině, C : [α, β] → R2
, je zadána parametricky jako zobrazení
C : t → [x(t), y(t)].
Příklad 118. Křivka C : t → [cos t, sin t] pro t ∈ [0, 2π] je kružnice o poloměru r = 1 se středem v
počátku (viz obr.).
Zvolme libovolné dělení D = {α = t0, t1, . . . , tn−1, tn = β} intervalu [α, β]. Na křivce C vyznačíme
body odpovídající hodnotám parametru t = tk (viz obr.).
Zvolme nyní nějaké dva dělící body tk−1 a tk a označme příslušné body na křivce C jako M =
[x(tk−1), y(tk−1)] a N = [x(tk), y(tk)]. Podle Pythagorovy věty má potom úsečka MN velikost
|MN| = [x(tk) − x(tk−1)]2 + [y(tk) − y(tk−1)]2.
89
Délka celé křivky je pak aproximována délkou lomené čáry při dělení D, tedy číslem
n
k=1
x(tk) − x(tk−1)
2
+ y(tk) − y(tk−1)
2
=
n
k=1
x(tk) − x(tk−1)
tk − tk−1
2
(tk − tk−1)2 +
y(tk) − y(tk−1)
tk − tk−1
2
(tk − tk−1)2
=
n
k=1
x(tk) − x(tk−1)
tk − tk−1
2
+
y(tk) − y(tk−1)
tk − tk−1
2
· (tk − tk−1)
= Riemannův součet s výškou „obdélníka danou výrazem
x(tk) − x(tk−1)
tk − tk−1
2
+
y(tk) − y(tk−1)
tk − tk−1
2
Tedy pro n → ∞ (zvyšující se počet dělících bodů a normu dělení n(D) → 0) je
x(tk) − x(tk−1)
tk − tk−1
→ x′
(t),
y(tk) − y(tk−1)
tk − tk−1
→ y′
(t), tk − tk−1 → dt,
a proto dostáváme následující vzorec.
Tvrzení 7 (Délka křivky v rovině). Nechť C je křivka v rovině a [x(t), y(t)] pro t ∈ [α, β] její
parametrizace. Mají-li souřadné funkce x(t) a y(t) spojitou derivaci na intervalu [α, β], potom má
křivka C konečnou délku a platí
d(C) =
β
α
[x′(t)]2 + [y′(t)]2 dt .
Příklad 119. Určete délku jednotkové půlkružnice (tj. r = 1, viz obr.).
Řešení. Půlkružnice má parametrizaci [x(t), y(t)] = [cos t, sin t] pro t ∈ [0, π]. Tyto funkce mají
spojitou derivaci [x′
(t), y′
(t)] = [− sin t, cos t] na [0, π], a proto je délka půlkružnice rovna
d =
π
0
[x′(t)]2 + [y′(t)]2 dt =
π
0
(− sin t)2 + (cos t)2 dt =
π
0
1 dt = t
π
0
= π .
(Obvod celé jednotkové kružnice je pak zřejmě 2π.)
Příklad 120. Určete obvod kružnice o poloměru r > 0.
Řešení. Kružnice má parametrizaci [x(t), y(t)] = [r cos t, r sin t] pro t ∈ [0, 2π]. Tyto funkce mají
spojitou derivaci [x′
(t), y′
(t)] = [−r sin t, r cos t] na [0, 2π], a proto je obvod kružnice roven
d =
2π
0
[x′(t)]2 + [y′(t)]2 dt =
2π
0
(−r sin t)2 + (r cos t)2 dt
=
2π
0
r2 (sin2
t + cos2 t) dt =
2π
0
r dt = r t
2π
0
= 2πr .
90
Graf funkce f(x) můžeme chápat jako množinu bodů [x, f(x)], tedy je to speciální případ křivky
v rovině, která má parametrizaci [t, f(t)] pro t ∈ [a, b] (v tomto případě tuto parametrizaci ale
píšeme s proměnnou x). A protože má tato parametrizace derivaci [(t)′
, f′
(t)] = [1, f′
(t)], dostáváme
z Tvrzení 7 následující vzorec.
Důsledek 9 (Délka grafu). Má-li funkce f(x) spojitou derivaci na intervalu [a, b], potom má její
graf na intervalu [a, b] konečnou délku a platí
d(Gr f) =
b
a
1 + [f′(x)]2 dx .
Příklad 121. Určete délku grafu paraboly f(x) = 1
2
x2
na intervalu [0, 1].
Řešení. Délka grafu bude zřejmě číslo mezi 12 + (1
2
)2 =
√
5
2
≈ 1.12 a 1+ 1
2
= 1.5 (viz obr.). Protože
je f′
(x) = x spojitá funkce na intervalu [0, 1], je délka tohoto grafu rovna
d(Gr f) =
1
0
1 + [f′(x)]2 dx =
1
0
√
1 + x2 dx.
Ověřte si zpětným derivováním, že primitivní funkce k funkci
√
1 + x2 je
F(x) =
1
2
x
√
1 + x2 +
1
2
ln x +
√
1 + x2 .
A proto je podle Newton–Leibnizova vzorce (45)
d(Gr f) =
1
2
x
√
1 + x2 +
1
2
ln x +
√
1 + x2
1
0
=
1
2
1
√
2 +
1
2
ln 1 +
√
2 −
1
2
0
√
1 +
1
2
ln 1
= 0
=
√
2
2
+
1
2
ln 1 +
√
2 ≈ 1.15.
• Objem rotačního tělesa. Rotační těleso vznikne rotací plochy mezi grafem funkce f(x) a osou x
kolem osy x na intervalu [a, b] (viz obr.). Zřejmě má tato úloha smysl pouze pro nezápornou funkci
f(x) (či obecněji, pro funkci, která nemění znaménko na intervalu [a, b], tj. je buď stále nezáporná
nebo nekladná).
Zvolíme-li nějaké dělení D = {a = x0, x1, . . . , xn−1, xn = b} intervalu [a, b], potom má jeden
„objemový dílek šířku xk − xk−1 a poloměr f(ck) (viz obr.). Tedy objem takového dílu je
π [f(ck)]2
(xk − xk−1) (obsah „podstavy krát šířka).
Objem celého rotačního tělesa je pak aproximován číslem
n
k=1
π [f(ck)]2
(xk − xk−1) = Riemannův součet s výškou „obdélníka danou výrazem π [f(ck)]2
.
Tedy pro n → ∞ (zvyšující se počet dělících bodů a normu dělení n(D) → 0) dostáváme následující
vzorec.
91
Tvrzení 8 (Objem rotačního tělesa). Nechť f(x) je spojitá nezáporná funkce na intervalu [a, b].
Objem rotačního tělesa, které vznikne rotací plochy mezi Gr f a osou x na intervalu [a, b] kolem osy
x, je
V = π
b
a
f2
(x) dx .
Příklad 122. Určete objem jednotkové koule.
Řešení. Objem určíme jako dvojnásobek objemu polokoule, přičemž polokoule vznikne rotací funkce
f(x) =
√
1 − x2 kolem osy x na intervalu [0, 1]. Je tedy
V = 2 π
1
0
√
1 − x2 2
dx = 2π
1
0
(1 − x2
) dx = 2π x −
x3
3
1
0
= 2π 1 −
1
3
=
4
3
π .
Příklad 123. Určete objem koule o poloměru r.
Řešení. Objem určíme jako dvojnásobek objemu polokoule, přičemž polokoule vznikne rotací funkce
f(x) =
√
r2 − x2 kolem osy x na intervalu [0, r]. Je tedy
V = 2 π
r
0
√
r2 − x2 2
dx = 2π
r
0
(r2
− x2
) dx = 2π r2
x −
x3
3
r
0
= 2π r3
−
r3
3
=
4
3
πr3
.
Příklad 124. Určete objem rotačního tělesa, které vznikne rotací řetězovky f(x) = cosh x kolem
osy x na intervalu [−1, 1].
Řešení. Funkce cosh x je zadána pomocí exponenciální funkce jako aritmetický průměr ex
a e−x
, tj.
cosh x :=
ex
+ e−x
2
.
Je tedy
V = π
1
−1
cosh2
x dx = π
1
−1
ex
+ e−x
2
2
dx =
π
4
1
−1
e2x
+ 2ex
e−x
= 2
+e−2x
dx
=
π
4
e2x
2
+ 2x +
e−2x
−2
1
−1
=
π
4
e2
2
+ 2 +
e−2
−2
−
e−2
2
− 2 +
e2
−2
=
π
4
e2
− e−2
+ 4 ≈ 8.83865.
Uvedený integrál lze spočítat i pomocí hyperbolických funkcí. Objem je pak
V = π [(cosh 1) (sinh 1) + 1] ≈ 8.83865.
92
• Povrch (obsah pláště) rotačního tělesa. Zřejmě má tato úloha smysl pouze pro nezápornou funkci
f(x) (či obecněji, pro funkci, která nemění znaménko na intervalu [a, b], tj. je buď stále nezáporná
nebo nekladná).
Zvolíme-li nějaké dělení D = {a = x0, x1, . . . , xn−1, xn = b} intervalu [a, b], potom má jeden dílek
„šířku (délka grafu)
(xk − xk−1)2 + [f(xk) − f(xk−1)]2 = 1 +
f(xk) − f(xk−1)
xk − xk−1
2
(xk − xk−1)
≈ 1 + [f′(x)]2 dx
a poloměr f(ck) (viz obr.). Tedy obsah pláště takového dílu je
2π f(ck) 1 +
f(xk) − f(xk−1)
xk − xk−1
2
(xk − xk−1).
Objem celého rotačního tělesa je pak aproximován číslem
n
k=1
2π f(ck) 1 +
f(xk) − f(xk−1)
xk − xk−1
2
(xk − xk−1)
= Riemannův součet s výškou „obdélníka danou výrazem
2π f(ck) 1 +
f(xk) − f(xk−1)
xk − xk−1
2
.
Tedy pro n → ∞ (zvyšující se počet dělících bodů a normu dělení n(D) → 0) dostáváme následující
vzorec.
Tvrzení 9 (Obsah pláště rotačního tělesa). Nechť f(x) je nezáporná funkce se spojitou derivací
f′
(x) na intervalu [a, b]. Obsah pláště rotačního tělesa, které vznikne rotací křivky Gr f na intervalu
[a, b] kolem osy x, je
S = 2π
b
a
f(x) 1 + [f′(x)]2 dx .
Příklad 125. Určete povrch jednotkové koule.
Řešení. Povrch určíme jako dvojnásobek povrchu polokoule, přičemž polokoule vznikne rotací funkce
f(x) =
√
1 − x2 kolem osy x na intervalu [0, 1]. Protože platí
f′
(x) =
−x
√
1 − x2
,
je tedy
S = 2 . 2 π
1
0
√
1 − x2 1 +
−x
√
1 − x2
2
dx = 4π
1
0
√
1 − x2
(1 − x2) + x2
1 − x2
dx
= 4π
1
0
1 dx = 4π x
1
0
= 4π .
93
Příklad 126. Určete povrch koule o poloměru r.
Řešení. Povrch určíme jako dvojnásobek povrchu polokoule, přičemž polokoule vznikne rotací funkce
f(x) =
√
r2 − x2 kolem osy x na intervalu [0, r]. Protože platí
f′
(x) =
−x
√
r2 − x2
,
je tedy
S = 2 . 2 π
r
0
√
r2 − x2 1 +
−x
√
r2 − x2
2
dx = 4π
r
0
√
r2 − x2
(r2 − x2) + x2
r2 − x2
dx
= 4π
r
0
r dx = 4π rx
r
0
= 4πr2
.
Příklad 127. Určete obsah pláště rotačního tělesa, které vznikne rotací řetězovky f(x) = cosh x
kolem osy x na intervalu [−1, 1].
Řešení. Funkce cosh x je zadána v Příkladu 124. Hodnota v krajních bodech intervalu [−1, 1] je
cosh(±1) = (e + 1/e)/2 ≈ 1.54. Protože platí
f′
(x) = sinh x =
ex
− e−x
2
a cosh2
x − sinh2
x = 1,
je tedy
S = 2π
1
−1
cosh x 1 + (sinh x)2
= cosh x
dx = 2π
1
−1
cosh2
x dx
=
π
2
e2
− e−2
+ 4 ≈ 17.6773,
viz Příklad 124, kde jsme vypočítali integrál
1
−1
cosh2
x dx.
K tomuto příkladu ještě poznamenejme, že řetězovka vytváří těleso s nejmenším pláštěm mezi
všemi rotačními tělesy, jejichž „generující graf začíná a končí ve stejných bodech, jako uvedená
řetězovka (viz obr.). To se využívá např. při konstrukci visutých mostů (souvisí to s minimalizací
potenciální energie použitého materiálu). Více např. na
http://en.wikipedia.org/wiki/Catenary,
http://en.wikipedia.org/wiki/Catenoid,
http://xahlee.org/SpecialPlaneCurves_dir/Catenary_dir/catenary.html.
• Další aplikace určitého integrálu. Kromě geometrických aplikací (obsah plochy, délka křivky,
objem a obsah pláště rotačního tělesa) se určitý integrál využívá v mnoha fyzikálních aplikacích,
např.
– těžiště rovinného obrazce,
– těžiště tělesa,
94
– obsah plochy, délka křivky, objem a obsah pláště rotačního tělesa v polárních či parametrických
souřadnicích.
Podrobnosti jsou např. ve skriptech prof. Slováka.
3.10. Nevlastní integrály. Stejně tak jako
b
a
f je plocha mezi grafem (ohraničené) funkce f(x) a
osou x na (konečném) intervalu [a, b], můžeme chtít najít tuto plochu na neohraničeném intervalu
[a, ∞), (−∞, b], (−∞, ∞), případně i pro neohraničenou funkci f(x). Dostáváme se tak k pojmu
nevlastního integrálu
∞
a
f,
b
−∞
f,
∞
−∞
f.
Přitom, jak uvidíme, všechna pravidla pro výpočet integrálu zůstávají zachována, jen je potřeba
dávat pozor na neurčité výrazy (obsahující symbol ∞) a ty pak spočítat pomocí limity.
Příklad 128. Tyto příklady berte jako motivační.
(a) Plocha pod ohraničenou funkcí f(x) = 1
x2 na intervalu [1, ∞) je (viz obr.)
∞
1
1
x2
dx = −
1
x
∞
1
= −
1
∞
ve smyslu
limity
−(−1) = 0 + 1 = 1 .
(b) Plocha pod neohraničenou funkcí f(x) = 1
x2 na intervalu (0, 1] je (viz obr.)
1
0
1
x2
dx = −
1
x
1
0
= (−1) − −
1
0+
ve smyslu
limity
= −1 + ∞ = ∞ .
(c) Plocha pod ohraničenou funkcí f(x) = 1
x
na intervalu [1, ∞) je (viz obr.)
∞
1
1
x
dx = ln x
∞
1
= ln ∞
ve smyslu
limity
− ln 1 = ∞ − 0 = ∞ .
Definice 22 (Nevlastní integrál 1. druhu).
• Nechť je funkce f(x) definována na intervalu [a, ∞). Existuje-li vlastní limita
lim
b→∞
b
a
f(x) dx = L, (46)
potom říkáme, že nevlastní integrál
∞
a
f(x) dx konverguje a klademe
∞
a
f(x) dx = L.
95
Pokud existuje limita v (46) jako nevlastní (tj. L = ±∞), potom říkáme, že tento nevlastní
integrál diverguje a klademe
∞
a
f(x) dx = ±∞.
• Nechť je funkce f(x) definována na intervalu (−∞, b]. Existuje-li vlastní limita
lim
a→−∞
b
a
f(x) dx = L, (47)
potom říkáme, že nevlastní integrál
b
−∞
f(x) dx konverguje a klademe
b
−∞
f(x) dx = L.
Pokud existuje limita v (47) jako nevlastní (tj. L = ±∞), potom říkáme, že tento nevlastní
integrál diverguje a klademe
b
−∞
f(x) dx = ±∞.
Tedy příklady nevlastních integrálů v Příkladu 128 jsou spočítány matematicky správně, jen jsme
pro zápis výpočtu měli zvolit symbol limity. Tento symbol limity budeme uvádět, jen až je to nezbytně
nutné.
Příklad 129. Viz Příklad 128.
(a)
∞
1
1
x2
dx = −
1
x
∞
1
= − lim
x→∞
1
x
− (−1) = 0 + 1 = 1 .
(c)
∞
1
1
x
dx = ln x
∞
1
= lim
x→∞
ln x − ln 1 = ∞ .
Příklad 130. Vypočtěte nevlastní integrál pro jeden z typů parciálních zlomků (viz odstavec 1.6)
∞
0
x
(x2 + a2)2
dx, a = 0.
Řešení. Podle věty o substituci v určitém integrálu je
∞
0
x
(x2 + a2)2
dx
x2
= t
2x dx = dt
x = 0 ⇒ t = 0
x = ∞ ⇒ t = ∞
=
1
2
∞
0
1
(t + a2)2
dt =
1
2
−
1
t + a2
∞
0
=
1
2
− lim
t→∞
1
t + a2
= 0
− −
1
a2
=
1
2a2
.
96
Poznámka 30. Někdy lze podobným způsobem vypočítat i nevlastní integrál přes (oboustranně)
nekonečný interval (−∞, ∞),
∞
−∞
f(x) dx,
i když definice takového integrálu zahrnuje limitu funkce dvou proměnných
∞
−∞
f(x) dx := lim
[a,b]→[−∞,∞]
b
a
f(x) dx,
kterou jsme v tomto semestru neprobírali (viz MB103).
Tomuto problému se lze ale vyhnout za použití pravidla návaznosti (Věta 32(vii)), neboť platí
∞
−∞
f(x) dx =
a
−∞
f(x) dx +
∞
a
f(x) dx,
kde a ∈ R je pevně zvolené číslo (např. a = 0) a kde jsou zmíněné integrály nevlastní a 1. druhu.
Příklad 131. V pravděpodobnosti a statistice (viz asi MB104) se často používá nevlastní integrál
1
√
2π
∞
−∞
e− x2
2 dx = 1,
přičemž uvedená funkce
f(x) :=
1
√
2π
e− x2
2
se nazývá hustota pravděpodobnosti (standardního) normálního rozdělení (viz obr.). Protože je tato
funkce f(x) sudá, zřejmě je pak
∞
0
e− x2
2 dx =
√
2π
2
=
π
2
≈ 1.2533.
Současně si uvědomte, že primitivní funkce k této funkci f(x) je vyšší funkce (tedy nelze ji vypočítat
pomocí elementárních funkcí, viz Poznámka 23).
Podobně jako v Definici 22 můžeme postupovat i pro funkci f(x), která je neohraničená v okolí
bodu a nebo b.
Definice 23 (Nevlastní integrál 2. druhu).
• Nechť je neohraničená funkce f(x) definována na intervalu (a, b]. Existuje-li vlastní (pravostranná)
limita
lim
α→a+
b
α
f(x) dx = L, (48)
potom říkáme, že nevlastní integrál
b
a
f(x) dx konverguje a klademe
b
a
f(x) dx = L.
97
Pokud existuje limita v (48) jako nevlastní (tj. L = ±∞), potom říkáme, že tento nevlastní
integrál diverguje a klademe
b
a
f(x) dx = ±∞.
• Nechť je neohraničená funkce f(x) definována na intervalu [a, b). Existuje-li vlastní (levostranná)
limita
lim
β→b−
β
a
f(x) dx = L, (49)
potom říkáme, že nevlastní integrál
b
a
f(x) dx konverguje a klademe
b
a
f(x) dx = L.
Pokud existuje limita v (49) jako nevlastní (tj. L = ±∞), potom říkáme, že tento nevlastní
integrál diverguje a klademe
b
a
f(x) dx = ±∞.
Opět budeme symbol limity budeme uvádět, jen až je to nezbytně nutné.
Příklad 132. Viz Příklad 128(b).
1
0
1
x2
dx = −
1
x
1
0
= (−1) − − lim
x→0+
1
x
= ∞
= ∞ .
1
0
1
x
dx = ln x
1
0
= ln 1 − lim
x→0+
ln x
−∞
= ∞ .
Příklad 133. Určete plochu pod mezi grafem funkce f(x) = 1√
1−x2 na intervalu (−1, 1).
Řešení. Funkce f(x) = 1√
1−x2 je na intervalu (−1, 1) neohraničená a sudá (viz obr.). Plochu vypočítáme
jako dvojnásobek plochy na intervalu [0, 1) (nevlastní integrál 2. druhu):
P = 2
1
0
1
√
1 − x2
dx = 2 arcsin x
1
0
= 2 lim
x→1−
arcsin x
= arcsin 1
− arcsin 0
= 2 (arcsin 1 − arcsin 0) = 2
π
2
− 0 = π .
Všimněte si, že v tomto případě vlastně limita ve výpočtu ani není potřeba, protože je primitivní
funkce F(x) = arcsin x k funkci f(x) = 1√
1−x2 spojitá v bodě x = 1 (viz Věta 37). Tedy tento
konkrétní příklad lze spočítat i přímo jako
P =
1
−1
1
√
1 − x2
dx = arcsin x
1
−1
= arcsin 1 − arcsin(−1) =
π
2
− −
π
2
= π . (50)
98
Všimněte si také, že je
1
√
1 − x2
= 1 +
√
1 − x2 ′ 2
,
a tedy výpočet uvedený v (50) je shodný s výpočtem délky jednotkové půlkružnice (srovnejte s
Příkladem 119).
Pro výpočet nevlastních integrálů tedy budeme používat stejné metody jako pro výpočet (klasických)
určitých integrálů (např. metodu per-partes, viz Věta 38).
Příklad 134. V teorii pravděpodobnosti a statistiky (viz asi MB104) se používá funkce
f(x) := λ e−λx
, pro x ∈ (0, ∞),
která udává hustotu tzv. exponenciálního rozdělení, kde λ > 0 je pevně zvolený parametr. Potom
můžeme spočítat
∞
0
f(x) dx = −e−λx ∞
0
= − lim
x→∞
e−λx
− (−e0
) = − lim
x→∞
1
eλx
= 0
− (−1) = 1 ,
a také
∞
0
x f(x) dx =
∞
0
λ x e−λx
dx
u′
= λ e−λx
u = −e−λx
v = x v′
= 1
= −x e−λx ∞
0
−
∞
0
− e−λx
dx = − lim
x→∞
x
eλx
− (−0 e0
) +
∞
0
e−λx
dx
l’Hosp.
= − lim
x→∞
1
λ eλx
= 0
+
e−λx
−λ
∞
0
= − lim
x→∞
1
λ eλx
= 0
− −
1
λ
=
1
λ
.
Např. volbou parametru λ = 1 dostáváme, že plocha pod funkcí x e−x
na intervalu (0, ∞) je rovna
(viz obr.)
∞
0
x e−x
dx = 1 .
99
4. Nekonečné řady
V této kapitole se budeme věnovat součtům nekonečně mnoha sčítanců – buď čísel nebo mocnin.
Jako motivace nám může sloužit geometrická řada, kterou jistě znáte ze střední školy, případně
Taylorův polynom funkce f(x) pro libovolně velká n (viz odstavec 2.20 a zejména Poznámka 18).
To následně vede k vyjádření (tedy i obráceně, k možné definici) všech elementárních funkcí pomocí
polynomů „nekonečného stupně , tedy pomocí nekonečných mocninných řad.
4.1. Nekonečné číselné řady. V tomto odstavci budeme pracovat s posloupností reálných čísel
{a0, a1, a2, . . . , an, . . . } = an
∞
n=0
, případně s bn
∞
n=0
.
Definice 24 (Nekonečná řada). Součet tvaru
a0 + a1 + a2 + · · · + an + · · · =
∞
n=0
an
nazýváme nekonečnou (číselnou) řadou. Číslo an se nazývá n–tý člen.
Číslo
sn := a0 + a1 + a2 + · · · + an, n = 0, 1, 2, . . .
se nazývá n–tý částečný součet této nekonečné řady.
Poznámka 31. Všimněte si, že v Definici 24 je n–tý člen an v podstatě (n + 1)–ní v pořadí, protože
posloupnost an
∞
n=0
a řadu ∞
n=0 an začínáme indexovat od n = 0. V literatuře je možné nalézt i
indexování od n = 1, ale zde (a ve skriptech prof. Slováka) budeme indexovat od n = 0.
Nejprve si jako motivaci zopakujme úvahy o geometrické řadě.
Geometrická řada je součet tvaru
a + aq + aq2
+ aq3
+ · · · + aqn
+ · · · =
∞
n=0
aqn
,
kde a, q ∈ R jsou pevně zvolená čísla. Tedy je to nekonečná řada, kde an := aqn
pro n = 0, 1, 2, . . . .
Číslo q se nazývá kvocient geometrické řady, přičemž q může být kladné či záporné (viz Příklad 135).
Posloupnost částečných součtů pro geometrickou řadu odvodíme snadno:
sn = a + aq + aq2
+ · · · + aqn−1
+ aqn
, ⇒ qsn = aq + aq2
+ aq3
+ · · · + aqn
+ aqn+1
.
Odečtením druhé rovnice od první dostaneme
sn − qsn = a − aqn+1
, ⇒ sn (1 − q) = a (1 − qn+1
).
Je-li q = 1, potom je zřejmě sn = (n + 1) a .
Je-li q = 1, potom je
sn = a
1 − qn+1
1 − q
, q = 1. (51)
100
Příklad 135. Určete posloupnost částečných součtů dané geometrické řady:
(a)
∞
n=0
1
2n
= 1 +
1
2
+
1
4
+
1
8
+ · · · +
1
2n
+ . . . ,
(b)
∞
n=0
(−1)n
3n
= 1 −
1
3
+
1
9
−
1
27
+ · · · +
(−1)n
3n
+ . . . .
Řešení.
(a) Protože je a = 1 a q = 1
2
je podle vzorce (51) (nebo odvozeno přímo pro tuto konkrétní řadu)
sn =
1 − 1
2
n+1
1 − 1
2
=
2n+1
− 1
2n+1
· 2 =
2n+1
− 1
2n
= 2 −
1
2n
.
(b) Protože je a = 1 a q = −1
3
je podle vzorce (51) (nebo odvozeno přímo pro tuto konkrétní řadu)
sn =
1 − − 1
3
n+1
1 + 1
3
=
3n+1
− (−1)n+1
3n+1
·
3
4
=
1
4
·
3n+1
+ (−1)n
3n
=
3
4
+
(−1)n
4 . 3n
.
Chování posloupnosti částečných součtů, přesněji limita této posloupnosti, zřejmě určuje chování
celé nekonečné řady.
Definice 25 (Konvergence, divergence, oscilace nekonečné řady). Existuje-li vlastní limita
limn→∞ sn = s, potom říkáme, že nekonečná řada ∞
n=0 an konverguje k číslu s, nebo také že
má součet s, a píšeme
∞
n=0
an = s.
Existuje-li nevlastní limita limn→∞ sn = ±∞, potom říkáme, že nekonečná řada ∞
n=0 an diverguje
k ±∞ a píšeme
∞
n=0
an = ±∞.
Pokud limita limn→∞ sn neexistuje, potom říkáme, že nekonečná řada ∞
n=0 an osciluje.
Příklad 136.
• Geometrická řada s a = 0 (a q ∈ R libovolným) zřejmě konverguje (k 0), protože v tomto
případě je sn = 0.
• Geometrická řada s a = 0 a q = 1 zřejmě diverguje (k ±∞ podle znaménka čísla a), protože
v tomto případě je sn = (n + 1) a.
• Geometrická řada s a = 0 a q = −1 zřejmě osciluje, protože je v tomto případě sn =
{a, 0, a, 0, a, 0, . . . } a limita této posloupnosti neexistuje.
101
Příklad 137. Rozhodněte o konvergenci a případně určete součet dané geometrické řady
(a)
∞
n=0
1
2n
, (b)
∞
n=0
(−1)n
3n
.
Řešení. (a) Protože je sn = 2 − 1
2n (viz Příklad 135(a)), je
∞
n=0
1
2n
= lim
n→∞
2 −
1
2n
→ 0
= 2 ,
tj. uvedená řada konverguje . Konvergenci této řady lze také ukázat názorně na obrázku.
(b) Protože je sn = 3
4
+ (−1)n
4 . 3n (viz Příklad 135(b)), je
∞
n=0
(−1)n
3n
= lim
n→∞
3
4
+
(−1)n
4 . 3n
→ 0
=
3
4
,
tj. uvedená řada konverguje .
V Příkladu 136 jsme vyšetřili geometrickou řadu s |q| = 1. Ve vzorci (51) pro n–tý částečný součet
geometrické řady se vyskytuje posloupnost qn+1
, která zřejmě konverguje k 0 pro |q| < 1, konverguje
k ∞ pro q > 1, a nemá limitu pro q < −1. Odsud tedy plyne jednoduchá podmínka pro konvergenci
geometrické řady.
Tvrzení 10 (Konvergence a součet geometrické řady). Nechť a = 0. Potom geometrická řada
∞
n=0 aqn
konverguje ⇔ |q| < 1. V tomto případě (a také v případě a = 0) je pak její součet
∞
n=0
aqn
=
a
1 − q
, |q| < 1.
Příklad 138. V Příkladech 135 a 137 je
(a)
∞
n=0
1
2n
=
1
1 − 1
2
= 2 , (b)
∞
n=0
(−1)n
3n
=
1
1 − − 1
3
=
1
4
3
=
3
4
.
Příklad 139. Z výšky a = 2 metry nad rovným povrchem pustíme kouli. Pokaždé, když koule
dopadne na povrch z výšky h, odrazí se do výšky qh = h
3
(tedy q = 1
3
). Určete celkovou vzdálenost,
kterou koule urazí při nekonečně mnoha takových doskocích.
Řešení. Celková vzdálenost je (viz obr.)
s = 2 + 2 ·
2
3
+ 2 ·
2
9
+ 2 ·
2
27
+ · · · = 2 +
∞
n=0
4
3
·
1
3
n
.
Jedná se tedy o geometrickou řadu, kde a = 4
3
a q = 1
3
. Podle Tvrzení 10 je tedy
s = 2 +
4
3
1 − 1
3
= 2 +
4
3
2
3
= 4 metry .
102
Přepočítejte si tento příklad s obecnými parametry a > 0 a q ∈ (0, 1).
[Řešení je pak s = a 1+q
1−q
.]
Někdy se při výpočtu n–tého částečného součtu sn mnoho výrazů „pokrátí .
Příklad 140. Rozhodněte o konvergenci a případně určete součet nekonečné řady
∞
n=1
1
n (n + 1)
=
1
1 . 2
+
1
2 . 3
+
1
3 . 4
+
1
4 . 5
+ · · · =
∞
n=0
1
(n + 1) (n + 2)
.
Řešení. Protože platí (viz rozklad na parciální zlomky v odstavci 1.6)
1
(n + 1) (n + 2)
=
1
n + 1
−
1
n + 2
,
je n–tý částečný součet roven
sn =
1
1 . 2
+
1
2 . 3
+
1
3 . 4
+
1
4 . 5
+ · · · +
1
(n + 1) (n + 2)
= 1 −
1
2
+
1
2
−
1
3
+
1
3
−
1
4
+
1
4
−
1
5
+ · · · +
1
n + 1
−
1
n + 2
= 1 −
1
2
−
1
2
−
1
3
−
1
3
−
1
4
−
1
4
− · · · −
1
n + 1
−
1
n + 1
−
1
n + 2
= 1 −
1
n + 2
→ 1.
A proto uvedená nekonečná řada konverguje a její součet je
∞
n=1
1
n (n + 1)
= 1 .
Jestliže má daná nekonečná řada konvergovat, musí se zřejmě její členy postupně zmenšovat (v absolutní
hodnotě) k nule, jinak by posloupnost částečných součtů nemohla konvergovat ke konečnému
číslu. Platí tedy následující.
Věta 40 (Nutná podmínka konvergence řady). Jestliže nekonečná řada ∞
n=0 an konverguje,
potom nutně platí
lim
n→∞
an = 0. (52)
To znamená, že pokud limn→∞ an je různá od nuly nebo pokud tato limita neexistuje, potom
nekonečná řada ∞
n=0 an nekonverguje.
Příklad 141.
103
(a) Nekonečná řada
1 + 2 + 3 + · · · =
∞
n=0
n
nekonverguje, protože limn→∞ n = ∞ = 0. Zřejmě tato řada diverguje k ∞.
(b) Nekonečná řada
−1 + 2 − 3 + 4 − 5 + 6 − · · · =
∞
n=0
(−1)n
n
nekonverguje, protože limn→∞(−1)n
n neexistuje (a jedná se o neohraničenou posloupnost).
Zřejmě tato řada osciluje.
(c) Nekonečná řada
1 − 1 + 1 − 1 + 1 − · · · =
∞
n=0
(−1)n
nekonverguje, protože limn→∞(−1)n
neexistuje (a jedná se o ohraničenou posloupnost). Zřejmě
tato řada osciluje. Tato řada je geometrická s q = −1 a a = 1, viz Příklad 136.
(d) Nekonečná řada
−
1
3
−
2
5
−
3
7
−
4
9
− · · · =
∞
n=0
−n
2n + 1
nekonverguje, protože limn→∞
−n
2n+1
= −1
2
= 0. Zřejmě tato řada diverguje k −∞.
Podmínka (52) je obecně pouze podmínkou nutnou pro konvergenci nekonečné řady. Existují tedy
nekonečné řady, které nekonvergují, ale podmínku (52) splňují.
Příklad 142.
(a) Nekonečná řada
1
1 člen
+
1
2
+
1
2
2 členy
+
1
4
+
1
4
+
1
4
+
1
4
4 členy
+ · · · +
1
2n
+
1
2n
+ · · · +
1
2n
2n členů
+ . . .
nekonverguje, přestože limn→∞ an = 0. Zřejmě tato řada diverguje k ∞.
(b) Jak ukážeme později (viz Příklad 146), tzv. harmonická řada
1 +
1
2
+
1
3
+
1
4
+
1
5
+ · · · =
∞
n=1
1
n
nekonverguje, přestože limn→∞ an = 0. V Příkladu 146 ukážeme, že tato řada diverguje k ∞.
Pro konvergentní (a částečně i divergentní) nekonečné řady platí následující algebraická pravidla.
Věta 41 (Pravidla pro nekonečné řady). Nechť nekonečné řady ∞
n=0 an a ∞
n=0 bn konvergují
a nechť platí
∞
n=0
an = A,
∞
n=0
bn = B.
104
(i) Pravidlo konstantního násobku: pro libovolné c ∈ R nekonečná řada ∞
n=0 c . an konverguje a
platí
∞
n=0
c . an = c
∞
n=0
an = c . A.
(ii) Pravidlo součtu a rozdílu: nekonečná řada ∞
n=0 (an ± bn) konverguje a platí
∞
n=0
(an ± bn) =
∞
n=0
an ±
∞
n=0
bn = A ± B.
Příklad 143. Určete součet nekonečné řady
∞
n=0
3n
− 1
6n
.
Řešení. Podle Věty 41(ii) je
∞
n=0
3n
− 1
6n
=
∞
n=0
3n
6n
−
∞
n=0
1
6n
=
∞
n=0
1
2n
−
∞
n=0
1
6n
,
neboť obě uvedené nekonečné řady konvergují. Jsou to totiž geometrické řady s a = 1 a s q = 1
2
,
resp. s q = 1
6
, viz Tvrzení 10. Je tedy
∞
n=0
3n
− 1
6n
=
1
1 − 1
2
−
1
1 − 1
6
= 2 −
6
5
=
4
5
.
Poznámka 32. Pokud některá z řad diverguje k ±∞, chová se součtová/rozdílová řada podle pravidel
pro „počítání s nekonečny , jako např.
∞ + ∞ = ∞, −∞ − ∞ = −∞, ±∞ ± B = ±∞, A ± ∞ = ±∞, . . . .
Např. tedy jestliže řady ∞
n=0 an a ∞
n=0 bn divergují obě k ∞ nebo obě k −∞, potom nekonečná
řada ∞
n=0 (an + bn) také diverguje k ±∞.
Samozřejmě, výrazy typu ∞ − ∞ či −∞ + ∞ jsou neurčité a tímto způsobem je vyčíslit nelze.
Ve Větě 41 se nic neříká o součinu (a podílu) nekonečných řad. Tato problematika je mnohem
složitější, než se na první pohled zdá, a kolem součinu řad existuje celá teorie (protože existují různé
součiny nekonečných řad). Uvědomte si totiž, že při násobení mnohočlenů platí
(a0 + a1 + · · · + an) . (b0 + b1 + · · · + bn)
= a0b0 + a0b1 + · · · + a0bn + a1b0 + a1b1 + · · · + a1bn + · · · + anbn,
tedy dostáváme nejen „diagonální součiny aibi, ale také všechny „smíšené součiny aibj. A pro součin
takovýchto nekonečných mnohočlenů (tedy pro součin nekonečných řad) bude situace ještě mnohem
složitější, protože bude záležet na tom, jakým způsobem výsledný součet jednotlivých součinů uspořádáme
(srovnejte s Příklady 159 a 160 uvedenými dále).
105
4.2. Nekonečné řady s nezápornými členy. Pro nekonečné řady s nezápornými členy existuje
několik kritérií pro určení jejich konvergence/divergence. Všechna kritéria jsou založena na faktu, že
pro řadu s nezápornými členy je její posloupnost částečných součtů neklesající, tj.
sn = a0 + · · · + an, sn+1 = a0 + · · · + an + an+1 = sn + an+1
≥ 0
, ⇒ sn ≤ sn+1
(jednoduše proto, že do sn+1 přidáváme nezápornou hodnotu). A pokud je tedy neklesající posloupnost
sn
∞
n=0
shora ohraničená, musí mít limitu (rovnu svému supremu). Tedy každá nekonečná řada
s nezápornými členy buď konverguje nebo diverguje k ∞ (tj. nemůže divergovat k −∞ ani oscilovat).
Věta 42 (Srovnávací kritérium). Nechť an
∞
n=0
a bn
∞
n=0
jsou posloupnosti nezáporných čísel,
pro které platí
0 ≤ an ≤ bn pro všechna n = N, N + 1, N + 2, . . . (53)
pro nějaké N ∈ N ∪ {0}.
(i) Jestliže ∞
n=0 bn konverguje, potom také konverguje řada ∞
n=0 an.
(ii) Jestliže ∞
n=0 an diverguje k ∞, potom také řada ∞
n=0 bn diverguje k ∞.
Nerovnost (53) nemusí nutně platit pro všechna n ∈ N ∪ {0}. Uvedený předpoklad říká, že musí
být splněna od „jistého indexu počínaje . Pro použití srovnávacího kritéria je zřejmě potřeba mít
„v zásobě nějaký soubor nekonečných řad, o kterých víme, že jsou konvergentní/divergentní.
Příklad 144. Nekonečná řada
1 +
1
1!
+
1
2!
+
1
3!
+
1
4!
+ · · · =
∞
n=0
1
n!
konverguje podle Věty 42(i) (ve které můžeme vzít N = 0), protože všechny její členy lze shora
omezit příslušnými členy konvergentní řady
1 + 1 +
1
2
+
1
22
+
1
23
+ · · · = 1 +
∞
n=0
1
2n
.
Pro součet uvedené řady pak zřejmě platí odhad
∞
n=0
1
n!
< 1 +
∞
n=0
1
2n
= 1 +
1
1 − 1
2
= 1 + 2 = 3.
Příklad 145. Nekonečná řada
ln 1
1
+
ln 2
2
+
ln 3
3
+ · · · =
∞
n=1
ln n
n
diverguje k ∞ podle Věty 42(ii) (ve které můžeme vzít N = 3), protože její členy lze zdola omezit
příslušnými členy (divergentní) harmonické řady, tj. platí
ln n
n
≥
1
n
pro všechna n ≥ 3.
106
Dále uvedeme tři nejznámější kritéria (Věty 43, 44 a 45) pro konvergenci/divergenci nekonečných
řad s nezápornými či kladnými členy.
Věta 43 (Integrální kritérium). Nechť ∞
n=0 an je nekonečná řada s nezápornými členy. Nechť
f(x) je funkce definovaná na intervalu [N, ∞) pro nějaké N ∈ [0, ∞), která je na tomto intervalu
nezáporná, nerostoucí a platí
f(n) = an pro všechna n ≥ N.
Potom
∞
n=0
an konverguje ⇔
∞
N
f(x) dx konverguje,
∞
n=0
an diverguje k ∞ ⇔
∞
N
f(x) dx = ∞.
V integrálním kritériu se používá nevlastní integrál 1. druhu, viz Definice 22.
Příklad 146. Harmonická řada (viz Příklad 142(b))
∞
n=1
1
n
diverguje k ∞ podle Věty 43, protože pro funkce f(x) := 1
x
je na intervalu [1, ∞) kladná, klesající a
platí f(n) = 1
n
pro n ≥ 1, přičemž je nevlastní integrál
∞
1
1
x
dx = ∞,
viz Příklad 129(c), resp. Příklad 128(c).
Příklad 147. Určete, pro které mocniny p ∈ R nekonečná řada
∞
n=1
1
np
konverguje či diverguje.
Řešení.
• Pro p < 0 je jedná o řadu ∞
n=1 nq
, kde q := −p > 0. Tato řada nesplňuje nutnou podmínku
konvergence (52), a proto nekonverguje. Protože se jedná o řadu s nezápornými členy, tak
tato řada diverguje k ∞.
• Pro p = 0 se jedná o řadu ∞
n=1 1, která zřejmě diverguje k ∞.
• Pro p > 0 je funkce f(x) = 1
xp na intervalu [1, ∞) kladná, klesající a platí f(n) = 1
np pro
n ≥ 1. Vyšetříme konvergenci nevlastního integrálu
∞
1
1
xp
dx.
– Pro p = 1 je jedná o harmonickou řadu ∞
n=1
1
n
, která diverguje k ∞ (viz Příklad 146).
107
– Pro p = 1 máme
∞
1
1
xp
dx =
∞
1
x−p
dx =
x−p+1
−p + 1
∞
1
= lim
x→∞
x1−p
1 − p
−
1
1 − p
.
Uvedená limita závisí na tom, zda je exponent 1 − p kladný nebo záporný, protože
lim
x→∞
x1−p
1 − p
=
∞, pro 1 − p > 0,
0, pro 1 − p < 0.
A proto je
∞
1
1
xp
dx =
∞, pro p < 1, tj. tento nevlastní integrál diverguje k ∞,
1
p−1
, pro p > 1, tj. tento nevlastní integrál konverguje.
Podle integrálního kritéria (Věta 43 s N = 1) tedy platí, že pro p > 1 řada ∞
n=1
1
np
konverguje a pro p ∈ (0, 1) tato řada diverguje k ∞.
Celkově jsme tedy ukázali, že řada
∞
n=1
1
np
diverguje k ∞ pro p ≤ 1 a konverguje pro p > 1 .
Příklad 148. Zejména tedy konverguje řada
∞
n=1
1
n2
,
protože v Příkladu 147 vezmeme p = 2.
Součet této řady určíme v Příkladu 179.
Dále, protože je 1
n (n+1)
≤ 1
n2 pro všechna n ∈ N, plyne ze srovnávacího kritéria (Věta 42(i)) také
konvergence řady ∞
n=1
1
n (n+1)
, viz Příklad 140.
Věta 44 (Podílové kritérium). Nechť ∞
n=0 an je nekonečná řada s kladnými členy a předpokládejme,
že existuje (vlastní nebo nevlastní) limita
lim
n→∞
an+1
an
= q.
Potom
(i) tato řada konverguje, pokud je q < 1,
(ii) tato řada diverguje k ∞, pokud je q > 1 nebo q = ∞,
(iii) tento test nelze rozhodnout, pokud je q = 1.
V podílovém kritériu se tedy vyskytuje podíl dvou po sobě jdoucích členů nekonečné řady. A je
zřejmě jedno, jestli je řada indexována od n = 0 nebo od n = 1 (nebo případně od jiného indexu).
Příklad 149.
108
(a) Pro nekonečnou řadu
∞
n=1
n!
nn
=
1
1
+
2!
22
+
3!
33
+
4!
44
+ . . .
platí
an+1
an
=
(n+1)!
(n+1)n+1
n!
nn
=
(n + 1)! . nn
(n + 1)n+1 . n!
=
(n + 1) . n! . nn
(n + 1)n . (n + 1) . n!
=
nn
(n + 1)n
=
n
n + 1
n
=
1
n+1
n
n =
1
1 + 1
n
n →
1
e
< 1 ,
přičemž ve výpočtu jsme použili limitu definující Eulerovo číslo e (viz Příklad 17). Uvedená
řada tedy konverguje podle podílového kritéria (Věta 44(i)).
(b) Pro geometrickou řadu ∞
n=0 aqn
, kde a > 0 a q > 0, platí
an+1
an
=
aqn+1
aqn
= q → q,
a proto podle podílového kritéria (Věta 44) geometrická řada s kladnými členy konverguje
pro q < 1 a diverguje k ∞ pro q > 1. Viz také Tvrzení 10.
Příklad 150. Pro nekonečnou řadu ∞
n=1
nn
n!
platí (viz výpočet v Příkladu 149(a))
an+1
an
= · · · = 1 +
1
n
n
→ e > 1 ,
a proto uvedená řada diverguje k ∞ podle podílového kritéria (Věta 44(ii)).
Příklad 151. Pro nekonečnou řadu
∞
n=0
an =
1
21
+
1
22
+
3
23
+
1
24
+
5
25
+
1
26
+
7
27
+ . . . , tj. an =
n
2n , pro n liché,
1
2n , pro n sudé,
platí
an+1
an
=



1
2n+1
n
2n
=
2n
2n+1 . n
=
1
2n
, pro n liché,
n+1
2n+1
1
2n
=
(n + 1) . 2n
2n+1
=
n + 1
2
, pro n sudé.
Odtud je vidět, že limn→∞
an+1
an
neexistuje, a proto podílové kritérium vůbec nelze použít.
Všimněte si, že lze psát
an =
[(n + 1) mod 2] + (n mod 2) . n
2n
,
kde funkce x mod 2 dává zbytek po dělení čísla x číslem 2 (tedy jedničku, pokud je x liché, a nulu,
pokud je x sudé).
109
Věta 45 (Odmocninové kritérium). Nechť ∞
n=0 an je nekonečná řada s nezápornými členy pro
všechna n ≥ N pro nějaké N ∈ N ∪ {0} a předpokládejme, že existuje (vlastní nebo nevlastní) limita
lim
n→∞
n
√
an = q.
Potom
(i) tato řada konverguje, pokud je q < 1,
(ii) tato řada diverguje k ∞, pokud je q > 1 nebo q = ∞,
(iii) tento test nelze rozhodnout, pokud je q = 1.
Příklad 152. Pro nekonečnou řadu v Příkladu 151 platí
n
√
an =



n n
2n =
n√
n
2
, pro n liché,
n 1
2n = 1
2
, pro n sudé.
Tedy platí nerovnosti
1
2
≤ n
√
an ≤
n
√
n
2
pro všechna n ∈ N.
Limita na pravé straně se spočte přes exponenciální funkci a l’Hospitalovo pravidlo (Věta 15):
lim
n→∞
n
√
n = lim
n→∞
n
1
n = lim
n→∞
e
1
n
ln n Věta 5(ii)
= elimn→∞
ln n
n typ
∞
∞
l’Hosp.
= elimn→∞
1
n
1 = e0
= 1. (54)
Z věty o třech limitách (Věta 4) potom plyne, že
lim
n→∞
n
√
an =
1
2
< 1 .
Proto podle odmocninového kritéria (Věta 45(i)) uvedená řada konverguje.
Poznámka 33. V Příkladech 151 a 152 jsme viděli, že někdy podílové kritérium k výsledku nevede
zatímco odmocninové kritérium ano (pro nekonečnou řadu s kladnými členy). To platí i obecně, neboť
pro libovolnou posloupnost an
∞
n=0
kladných čísel platí nerovnosti
lim inf
n→∞
an+1
an
≤ lim inf
n→∞
n
√
an ≤ lim sup
n→∞
n
√
an ≤ lim sup
n→∞
an+1
an
.
To znamená, že pokud existuje limita limn→∞
an+1
an
= a, potom také existuje limita limn→∞
n
√
an a
tyto dvě limity jsou si rovny.
Tedy pokud je podílové kritérium nerozhodnutelné (tj. platí limn→∞
an+1
an
= 1), potom je také
odmocninové kritérium nerozhodnutelné (tj. platí limn→∞
n
√
an = 1). Říkáme, že odmocninové kritérium
je silnější, než podílové kritérium (každý příklad, který lze spočítat podílovým kritériem, lze
spočítat i odmocninovým kritériem, ale ne naopak).
110
Příklad 153. Pro nekonečnou řadu
∞
n=1
2n
n2
=
2
12
+
22
22
+
23
32
+
24
42
+
25
52
+ . . .
platí
n
√
an =
n 2n
n2
=
2
n
√
n2
=
2
n
√
n
2
(9)
→
2
12
= 2 > 1 ,
a proto podle odmocninového kritéria (Věta 45(ii)) uvedená řada diverguje k ∞.
Všimněte si také, že uvedená řada nesplňuje nutnou podmínku konvergence (52), neboť je
lim
n→∞
an = lim
n→∞
2n
n2
typ
∞
∞
l’Hosp.
= lim
n→∞
2n
. ln 2
2n
typ
∞
∞
l’Hosp.
= lim
n→∞
2n
. (ln 2)2
2
= ∞ = 0.
Tedy uvedená řada podle Věty 40 nekonverguje. Protože se ale jedná o řadu s kladnými členy, musí
tato řada potom divergovat k ∞.
Příklad 154. Všimněte si, že podílové ani odmocninové kritérium nelze použít pro vyšetření konvergence/divergence
nekonečné řady ∞
n=1
1
np (viz Příklad 147), protože pro podílové kritérium je
q = lim
n→∞
an+1
an
= lim
n→∞
1
(n+1)p
1
np
= lim
n→∞
n
n + 1
p
Věta 5(ii)
= lim
n→∞
n
n + 1
p
= 1p
= 1,
a pro odmocninové kritérium je
q = lim
n→∞
n
√
an = lim
n→∞
1
n
√
np
= lim
n→∞
1
n
√
n
p
Věta 5(ii)
=
1
limn→∞
n
√
n
p
=
1
1p
= 1.
Zde jsme opět použili limitu limn→∞
n
√
n = 1, viz (54).
4.3. Alternující řady. Pro srovnání a úplnost uveďme ještě kritérium konvergence pro nekonečné
řady, jejichž členy mění znaménka.
Nechť an
∞
n=0
je posloupnost nezáporných čísel. Potom se nekonečná řada
a0 − a1 + a2 − a3 + · · · =
∞
n=0
(−1)n
an, případně − a0 + a1 − a2 + a3 − · · · =
∞
n=0
(−1)n+1
an,
nazývá alternující řada.
Příklad 155.
(a) Nekonečná řada
1 −
1
2
+
1
3
−
1
4
+
1
5
− · · · =
∞
n=1
(−1)n−1 1
n
=
∞
n=0
(−1)n 1
n + 1
je alternující a nazývá se alternující harmonická řada nebo též Leibnizova řada.
(b) Každá geometrická řada, ve které je a = 0 a q < 0, je zřejmě alternující.
111
Z Věty 40 víme, že každá konvergentní řada, a tedy i každá alternující konvergentní řada, musí
splňovat podmínku (52). Pro alternující řady můžeme ale říct mnohem více. Z podmínky (52) se nyní
stává nutná a postačující podmínka pro konvergenci alternující řady.
Věta 46 (Leibnizovo kritérium konvergence alternující řady). Jestliže je an
∞
n=0
nerostoucí
posloupnost kladných čísel, potom nekonečná alternující řada
∞
n=0
(−1)n
an konverguje ⇔ platí (52), tj. lim
n→∞
(−1)n
an = 0.
Důkaz. Vzhledem k Větě 40 stačí ukázat směr „⇐ . Protože je posloupnost an
∞
n=0
nerostoucí,
plyne odsud konvergence řady ∞
n=0 (−1)n
an, viz obr.
Příklad 156. Alternující harmonická řada (viz Příklad 155(a))
∞
n=1
(−1)n−1 1
n
konverguje podle Věty 46, protože je její „generující posloupnost an
∞
n=1
= 1
n
∞
n=1
kladná a
klesající (tudíž nerostoucí) a splňuje
lim
n→∞
(−1)n 1
n
= 0.
V Příkladu 170 pak ukážeme, jaký je součet této nekonečné řady.
Pokud tedy posloupnost an
∞
n=0
splňuje předpoklady Věty 46 a řada ∞
n=0 (−1)n
an konverguje,
tj. ∞
n=0 (−1)n
an = A, potom číslo A nutně leží vždy mezi dvěma po sobě následujícími částečnými
součty sn a sn+1. A tedy se číslo A nemůže lišit od sn o více, než kolik je člen an+1. Tj. musí platit
odhad
|A − sn| < an+1. (55)
Ukázali jsme tedy následující užitečné tvrzení o odhadu chyby částečných součtů sn pro alternující
řadu.
Tvrzení 11 (Odhad chyby alternující řady). Předpokládejme, že alternující řada ∞
n=0 (−1)n
an
(konvergující k číslu A) splňuje podmínky ve Větě 46. Potom pro všechna n ≥ N platí, že n–tý
částečný součet
sn := a0 − a1 + a2 − · · · + (−1)n
an
platí odhad (55), tj. sn aproximuje součet A této řady s chybou menší, než je absolutní hodnota
prvního (do sn) nezahrnutého člene (−1)n+1
an+1. Navíc, zbytek A − sn má stejné znaménko jako
tento první (do sn) nezahrnutý člen (−1)n+1
an+1.
Příklad 157. Pokusme se ilustrovat Tvrzení 11 na alternující řadě
∞
n=0
(−1)n 1
2n
= 1
a0
−
1
2
+
1
4
−
1
8
+
1
16
−
1
32
+
1
64
−
1
128
a7
+
1
256
a8
− . . . ,
jejíž součet známe. Protože se jedná o geometrickou řadu s a = 1 a q = −1
2
, je součet této řady roven
číslu (viz Tvrzení 10)
A =
1
1 − − 1
2
=
1
3
2
=
2
3
≈ 0.6666667.
112
Potom Tvrzení 11 říká, že pokud tuto řadu „ukončíme po osmém členu (tj. n = 7), potom konečný
součet
s7 := 1 −
1
2
+
1
4
−
1
8
+
1
16
−
1
32
+
1
64
−
1
128
=
85
128
= 0.6640625
aproximuje číslo A s chybou menší než je a8 = 1
256
= 0.00390625. Skutečně,
|A − s7| =
2
3
−
85
128
=
1
384
≈ 0.00260417 < 0.00390625 = a8.
Přitom má rozdíl A − s7 = 1
384
stejné znaménko jako člen (−1)8
a8 = 1
256
, tedy je kladný.
4.4. Absolutně a relativně konvergentní řady. Nejprve si všimněme, že pokud konverguje řada
absolutních hodnot, potom konverguje původní řada.
Věta 47. Jestliže konverguje řada ∞
n=0 |an|, potom konverguje také řada ∞
n=0 an.
Důkaz. Zřejmě pro každé n platí nerovnosti
−|an| ≤ an ≤ |an|, ⇒ 0 ≤ an + |an| ≤ 2 |an|.
Tedy pokud ∞
n=0 |an| konverguje, konverguje také řada ∞
n=0 2 |an| (podle pravidla konstantního
násobku, viz Věta 41(i)). A dále, podle srovnávacího kritéria (Věta 42(i)), konverguje také řada
∞
n=0 an + |an| . A protože platí rovnost
an = an + |an| − |an|, ⇒
∞
n=0
an =
∞
n=0
an + |an|
konverguje
−
∞
n=0
|an|
konverguje
,
dostáváme řadu ∞
n=0 an jako rozdíl dvou konvergentních řad. Tedy tato řada také konverguje podle
pravidla rozdílu, viz Věta 41(ii).
Poznámka 34. Opačná implikace ve Větě 47 zřejmě neplatí, protože např. alternující harmonická
řada ∞
n=1
(−1)n−1 1
n
konverguje (viz Příklad 156),
ale příslušná řada absolutních hodnot je harmonická řada
∞
n=1
1
n
, která diverguje k ∞ (viz Příklad 146).
Má tedy smysl zavést následující definici.
Definice 26 (Absolutní a relativní konvergence). Řada ∞
n=0 an konverguje absolutně (je
absolutně konvergentní), pokud konverguje příslušná řada absolutních hodnot, tj. pokud konverguje
řada ∞
n=0 |an|.
Jestliže nekonečná řada ∞
n=0 an konverguje, ale nekonverguje absolutně, potom říkáme, že tato
řada konverguje relativně (je relativně konvergentní).
(Pro termín relativní konvergence lze v literatuře lze najít i jiné názvy, např. konverguje neabsolutně
či podmíněně).
113
Příklad 158.
(a) Alternující harmonická řada
∞
n=1
(−1)n−1 1
n
konverguje relativně (viz Poznámka 34).
(b) Nekonečná řada
∞
n=1
(−1)n−1 1
n2
= 1 −
1
4
+
1
9
−
1
16
+
1
25
− . . . konverguje absolutně,
protože příslušná řada absolutních hodnot
∞
n=1
1
n2
= 1 +
1
4
+
1
9
+
1
16
+
1
25
+ . . . konverguje (viz Příklad 147, kde p = 2).
Rozdíl mezi absolutně a relativně konvergentní řadou je zejména v tom, že členy absolutně konvergentní
řady můžeme libovolně přeskládávat a nejenže dostaneme opět konvergentní řadu, ale tato
nová přeskládaná řada bude mít stejný součet jako řada původní.
V následující větě ukazujeme, že relativně konvergentní řada má dostatek kladných členů (tj.
pokud se kladné členy sečtou, dostaneme +∞) i záporných členů (tj. pokud se záporné členy sečtou,
dostaneme −∞), aby převážily libovolný konečný počet členů původní řady.
Věta 48. Nechť je řada ∞
n=1 an relativně konvergentní, tj. ∞
n=1 an konverguje, ale ∞
n=1 |an| diverguje.
Označme
a+
n := max{an, 0}, a−
n := min{an, 0}.
Potom jsou obě nekonečné řady ∞
n=1 a+
n i ∞
n=1 a−
n divergentní, neboli
∞
n=1
a+
n = +∞,
∞
n=1
a−
n = −∞.
Důkaz. Z definice vyplývá, že a+
n je rovno číslu an, pokud je an kladné, jiank je a+
n = 0. A naopak, a−
n je
rovno číslu an, pokud je an záporné, jinak je a−
n = 0. Uvedené řady ∞
n=1 a+
n a ∞
n=1 a−
n jsou tedy řady
kladných a záporných členů původní řady ∞
n=1 an. Nastává pro ně tedy právě jedna z následujících
možností: ∞
n=1 a+
n konverguje nebo diverguje k +∞, ∞
n=1 a−
n konverguje nebo diverguje k −∞.
Celkově je tedy možné zkombinovat tyto možnosti:
1. obě řady ∞
n=1 a+
n a ∞
n=1 a−
n konvergují,
2. řada ∞
n=1 a+
n konverguje a řada ∞
n=1 a−
n diverguje (k −∞),
3. řada ∞
n=1 a+
n diverguje (k +∞) a ∞
n=1 a−
n konverguje,
4. obě řady ∞
n=1 a+
n a ∞
n=1 a−
n divergují.
V prvním případě, kdy obě řady ∞
n=1 a+
n a ∞
n=1 a−
n konvergují, by konvergovaly i řady
∞
n=1
|a+
n | =
∞
n=1
a+
n ,
∞
n=1
|a−
n | = −
∞
n=1
|a−
n |,
a proto by konvergovala i řada ∞
n=1 |an|. Tj. původní řada by konvergovala absolutně, což je spor s
předpokladem, že řada absolutních hodnot diverguje. Ve druhém případě by byl součet původní řady
114
roven −∞ (jakožto součet nezáporného čísla a −∞), což je spor s tím, že původní řada konverguje.
Ve třetím případě by byl součet původní řady roven +∞ (jakožto součet nekladného čísla a +∞),
což je spor s tím, že původní řada konverguje. Zbývá tedy poslední čtvrtá možnost, což je tvrzení
věty.
Naproti tomu členy relativně konvergentní řady nelze přeskládávat vůbec. Lze totiž jednoduše
ukázat, že různým přeskládáním téže relativně konvergentní řady lze vytvořit řadu divergující k
±∞, konvergující k libovolně předem zvolenému reálnému číslu, či řadu oscilující. To vyplývá z toho,
že v relativně konvergentní řadě musí být součet všech kladných členů ∞ a součet všech záporných
členů −∞, a při tom musí členy samotné konvergovat k nule (protože pro konvergentní řadu musí
být splněna nutná podmínka konvergence, viz Věta 40).
Příklad 159. Uveďme jako příklad relativně konvergentní alternující harmonickou řadu (viz Příklad
158(a))
∞
n=1
(−1)n−1 1
n
= 1 −
1
2
+
1
3
−
1
4
+
1
5
−
1
6
+
1
7
−
1
8
+ . . . . (56)
Nejprve si všimněte, že součet všech kladných členů je nekonečná řada
∞
n=1
1
2n − 1
= 1 +
1
3
+
1
5
+
1
7
+ · · · = ∞,
která skutečně diverguje k ∞ (např. podle integrálního kritéria, viz Věta 43).
A dále součet všech záporných členů je nekonečná řada
∞
n=1
−
1
2n
= −
1
2
−
1
4
−
1
6
−
1
8
− · · · = −∞,
která skutečně diverguje k −∞ (např. podle integrálního kritéria, viz Věta 43).
Potom vhodným přeskládáním členů alternující harmonické řady (56) lze získat nekonečnou řadu,
která
(a) diverguje k ∞:
• Vezměme nejprve jeden kladný člen, tj. „součet je roven 1 ≥ 1 .
• Přidejme nyní jeden záporný člen a tolik kladných členů, aby byl součet ≥ 2 , tj. součet
je pak
1 −
1
2
+
1
3
+
1
5
+
1
7
+ · · · +
1
41
≈ 2.004063454 ≥ 2.
(K tomu je zapotřebí k té 1 přidat 20 kladných členů.)
• Potom přidejme další (druhý) záporný člen a tolik kladných členů, až je součet ≥ 3 .
• Potom přidejme další (třetí) záporný člen a tolik kladných členů, až je součet ≥ 4 .
• Potom přidejme další (čtvrtý) záporný člen a tolik kladných členů, až je součet ≥ 5 .
• . . .
115
Uvědomte si, že kladných členů je vždy dostatek, abychom překročili stanovenou hranici,
protože součet těchto kladných členů je roven ∞.
Tímto způsobem po nekonečně mnoha krocích vyčerpáme všechny kladné i všechny záporné
členy, tedy původní řadu vlastně „přerovnáme , příčemž výsledný součet evidentně roste nade
všechny meze. Tedy tato přerovnaná řada diverguje k ∞.
(b) diverguje k −∞:
• Podobně jako v části (a) vytváříme součty, které jsou postupně ≤ −1, ≤ −2, ≤ −3, atd.
(c) konverguje k předem zvolenému reálnému číslu: Zvolme si nejprve nějaké číslo s ∈ R, ke
kterému má přerovnaná řada konvergovat (např. s = 7553).
• Nejprve vezměme tolik kladný členů, až je jejich součet ≥ s .
• Přidejme nyní tolik záporných členů, až je výsledný součet ≤ s .
• Přidejme nyní tolik dalších kladných členů, až je výsledný součet ≥ s .
• Přidejme nyní tolik dalších záporných členů, až je výsledný součet ≤ s .
• . . .
Uvědomte si, že kladných či záporných členů je vždy dostatek, abychom překročili stanovenou
hranici s, protože součet kladných členů je ∞ a součet záporných členů je −∞.
A protože přidáváme stále se (v absolutní hodnotě) zmenšující se členy, výsledný součet po
takových krocích „přeskakuje zvolenou hodnotu s a současně se k číslu s nekonečně blíží.
Současně tímto způsobem vyčerpáme všechny členy původní řady. Tedy takto přerovnaná
řada konverguje právě k číslu s.
(d) osciluje: Můžeme si dokonce zvolit, mezi jakými mezemi bude přerovnaná řada oscilovat.
Zvolme si proto libovolná dvě čísla a, b ∈ R, a < b (např. a = −2 a b = 3).
• Nejprve vezměme tolik kladný členů, až je jejich součet ≥ b .
• Přidejme nyní tolik záporných členů, až je výsledný součet ≤ a .
• Přidejme nyní tolik dalších kladných členů, až je výsledný součet ≥ b .
• Přidejme nyní tolik dalších záporných členů, až je výsledný součet ≤ a .
• . . .
Uvědomte si, že kladných či záporných členů je vždy dostatek, abychom překročili stanovené
hranice b a a, protože součet kladných členů je ∞ a součet záporných členů je −∞.
A protože přidáváme stále se (v absolutní hodnotě) zmenšující se členy, výsledný součet
po takových krocích „přeskakuje zvolené hodnoty b (shora) a a (zdola). Současně tímto
způsobem vyčerpáme všechny členy původní řady. Tedy takto přerovnaná řada osciluje (mezi
čísly a a b).
Takže u relativně konvergentních řad nelze v žádném případě měnit pořadí jednotlivých členů,
zatímco u absolutně konvergentních řad lze pořadí jednotlivých členů měnit libovolně.
116
Příklad 160.
(a) V tomto příkladu si ukážeme, že i když obě řady ∞
n=1 an a ∞
n=1 bn konvergují, potom řada
∞
n=1 (an . bn) konvergovat nemusí.
Uvažujme nekonečné řady, kde an = bn := (−1)n−1 1√
n
. Potom jsou příslušné nekonečné
řady
∞
n=1
an =
∞
n=1
(−1)n−1 1
√
n
,
∞
n=1
bn =
∞
n=1
(−1)n−1 1
√
n
konvergentní, což plyne Leibnizova kritéria (viz Věta 46), zatímco řada součinů
∞
n=1
(an . bn) =
∞
n=1
(−1)n−1 1
√
n
2
=
∞
n=1
1
n
diverguje k ∞, viz Příklad 146.
(b) Na druhou stranu může nastat i situace, že takováto řada součinů ∞
n=1 (an . cn) konverguje,
přestože jedna z řad ∞
n=1 an nekonverguje. Vezměme si např. řadu
∞
n=1
cn =
∞
n=1
1
√
n
,
která diverguje k ∞ (viz Příklad 147, kde p = 1
2
), zatímco řada součinů
∞
n=1
(an . cn) =
∞
n=1
(−1)n−1 1
√
n
·
1
√
n
=
∞
n=1
(−1)n−1 1
n
konverguje podle Věty 46.
4.5. Mocninné řady. V odstavci 2.20 jsme ukázali, jak k dané funkci f(x) přiřadit Taylorův polynom
stupně n (se středem v daném bodě x0), který aproximuje funkci f(x) v okolí bodu x0. V
Poznámce 18 jsme pak naznačili, že lze takto získat i polynom „nekonečného stupně , neboli nekonečnou
mocninnou řadu.
Definice 27 (Mocninná řada). Nekonečná řada tvaru
∞
n=0
an xn
= a0 + a1 x + a2 x2
+ a3 x3
+ . . .
se nazývá mocninná řada se středem v bodě x0 = 0.
Podobně, nekonečná řada tvaru
∞
n=0
an (x − x0)n
= a0 + a1 (x − x0) + a2 (x − x0)2
+ a3 (x − x0)3
+ . . .
se nazývá mocninná řada se středem v bodě x0.
Bod x0 se nazývá střed mocninné řady a čísla a0, a1, a2, a3, . . . její koeficienty.
Jedná se vlastně o zobecnění pojmu polynom do té roviny, že nyní povolujeme i „polynomy stupně
∞ .
Příklad 161.
117
(a) Pokud vezmeme všechny koeficienty an = 1 a x0 = 0, dostaneme mocninnou řadu
∞
n=0
xn
= 1 + x + x2
+ x3
+ . . . .
Tato řada je geometrická s počátečním členem a = 1 a kvocientem q = x a tedy podle
Tvrzení 10 tato řada konverguje pro |x| < 1, přičemž její součet je 1
1−x
. Tuto skutečnost
budeme vyjadřovat zápisem
∞
n=0
xn
=
1
1 − x
pro x ∈ (−1, 1). (57)
Všimněte si, že tato řada diverguje k ∞ pro x = 1 a osciluje pro x = −1 a tedy otevřený
interval uvedený v (57) je maximální možný interval konvergence pro tuto mocninnou řadu.
(b) Podobně, mocninná řada
∞
n=0
(−1)n
xn
= 1 − x + x2
− x3
+ . . .
je geometrická s počátečním členem a = 1 a kvocientem q = −x a tedy podle Tvrzení 10 tato
řada konverguje pro |x| < 1, přičemž její součet je 1
1−(−x)
= 1
1+x
. Tedy platí
∞
n=0
(−1)n
xn
=
1
1 + x
pro x ∈ (−1, 1).
Všimněte si, že tato řada osciluje pro x = 1 a diverguje k ∞ pro x = −1 a tedy uvedený
otevřený interval je maximální možný interval konvergence pro tuto mocninnou řadu.
(c) Mocninná řada s an = (−1)n
2n a středem x0 = 2 je řada
∞
n=0
(−1)n
2n
(x − 2)n
= 1 −
1
2
(x − 2) +
1
4
(x − 2)2
−
1
8
(x − 2)3
+ . . . ,
která je také geometrická s počátečním členem a = 1 a kvocientem q = −x−2
2
. Tedy podle
Tvrzení 10 tato řada konverguje pro x−2
2
< 1, tj. pro x ∈ (0, 4), přičemž její součet je
∞
n=0
(−1)n
2n
(x − 2)n
=
1
1 − − x−2
2
=
1
2+x−2
2
=
2
x
pro x ∈ (0, 4).
Z výše uvedených příkladů je vidět, že součet mocninné řady je funkce s(x) proměnné x, přičemž
je potřeba určit jak součet řady s(x) tak i pro která x ∈ R tato řada konverguje.
Při studiu konvergence mocninných řad budeme používat kritéria z odstavce 4.2, která aplikujeme
na příslušnou řadu absolutních hodnot (protože se jedná o kritéria pro nekonečné řady s nezápornými
členy). Zřejmě takto získáme informaci o absolutní konvergenci dané mocninné řady.
118
Příklad 162. Určete, pro které hodnoty x konverguje mocninná řada
∞
n=1
(−1)n−1 xn
n
= x −
x2
2
+
x3
3
−
x4
4
+
x5
5
− . . . .
Řešení. Podle podílového kritéria (Věta 44) je
un+1
un
=
1
n+1
xn+1
1
n
xn
=
n
n + 1
|x| → |x| pro n → ∞.
A tedy pro |x| < 1 tato řada konverguje (absolutně) a pro |x| > 1 nekonverguje (zřejmě pro x < −1
diverguje k −∞ a pro x > 1 osciluje).
Pro x = −1 se jedná o zápornou harmonickou řadu
∞
n=1
−
1
n
,
která diverguje k −∞. A pro x = 1 se jedná o alternující harmonickou řadu, která konverguje
(relativně).
Celkově tedy uvedená mocninná řada konverguje pro x ∈ (−1, 1] , přičemž pro x ∈ (−1, 1) konverguje
absolutně.
V Příkladu 170 pak určíme součet této mocninné řady.
Příklad 163. Určete, pro které hodnoty x konverguje mocninná řada
∞
n=1
(−1)n−1 x2n−1
2n − 1
= x −
x3
3
+
x5
5
−
x7
7
+
x9
9
− . . . .
Řešení. Podle podílového kritéria (Věta 44) je
un+1
un
=
1
2(n+1)−1
x2(n+1)−1
1
2n−1
x2n−1
=
2n − 1
2n + 1
x2
→ x2
pro n → ∞.
A tedy pro x2
< 1 tato řada konverguje (absolutně) a pro x2
> 1 nekonverguje (zřejmě osciluje).
Pro x = 1 se jedná o alternující řadu
∞
n=1
(−1)n−1 1
2n − 1
= 1 −
1
3
+
1
5
−
1
7
+ . . . , (58)
která konverguje (relativně) podle Věty 46. A pro x = −1 se jedná o řadu s opačnými znaménky,
než je řada (58), tedy se opět jedná o alternující řadu, která konverguje (relativně). V Příkladu 171
určíme součet této řady.
Celkově tedy uvedená mocninná řada konverguje pro x ∈ [−1, 1] , přičemž pro x ∈ (−1, 1) konverguje
absolutně.
119
Příklad 164. Určete, pro které hodnoty x konverguje mocninná řada
∞
n=0
xn
n!
= 1 + x +
x2
2
+
x3
6
+
x4
24
+
x5
120
+ . . . .
Řešení. Podle podílového kritéria (Věta 44) je
un+1
un
=
1
(n+1)!
xn+1
1
n!
xn
=
n!
(n + 1)!
|x| =
1
n + 1
|x| → 0 pro n → ∞.
A tedy tato řada konverguje (absolutně) a pro každé x ∈ R .
Zřejmě jste již odhadli, že součet této mocninné řady je funkce ex
.
Příklad 165. Určete, pro které hodnoty x konverguje mocninná řada
∞
n=0
n! xn
= 1 + x + 2 x2
+ 6 x3
+ 24 x4
+ 120 x5
+ . . . .
Řešení. Podle podílového kritéria (Věta 44) je
un+1
un
=
(n + 1)! xn+1
n! xn
= (n + 1) |x| → ∞ pro n → ∞.
A tedy tato řada konverguje pouze pro x = 0 a nekonverguje pro každé x = 0. Zřejmě diverguje k
∞ pro x > 0 a osciluje pro x < 0.
4.6. Poloměr konvergence mocninné řady. Každá mocninná řada konverguje ve svém středu,
protože pro x = x0 se jedná o nulovou řadu. Dále ze srovnávacího kritéria (Věta 42) plyne následující.
Tvrzení 12. Uvažujme mocninnou řadu
∞
n=0
an (x − x0)n
= a0 + a1 (x − x0) + a2 (x − x0)2
+ a3 (x − x0)3
+ . . . . (59)
(i) Jestliže tato mocninná řada konverguje pro nějaké x = c, potom konverguje absolutně pro
všechna x ∈ R, pro která je |x − x0| < |c − x0|.
(ii) Jestliže tato řada nekonverguje (tj. diverguje k ±∞ nebo osciluje) pro nějaké x = d, potom
nekonverguje pro všechna x ∈ R, pro která je |x − x0| > |d − x0|.
Graficky lze obsah Tvrzení 12 znázornit následovně (viz obr.). Tedy pro každou mocninnou řadu
(59) nastává právě jedna z následujících možností:
• Existuje číslo R > 0 takové, že tato mocninná řada konverguje absolutně pro |x − x0| < R,
tj. pro x ∈ (x0 − R, x0 + R) a nekonverguje pro |x − x0| > R, tj. pro x < x0 − R a pro
x > x0 + R. Řada může a nemusí konvergovat v každém z krajních bodů x = x0 − R a
x = x0 + R.
120
• Tato mocninná řada konverguje absolutně pro všechna x ∈ R (v tomto případě klademe
R := ∞).
• Tato mocninná řada konverguje pouze pro x = x0 a nekonverguje pro všechna x = 0 (v tomto
případě klademe R := 0).
Číslo R mající výše popsané vlastnosti nazýváme poloměr konvergence mocninné řady (59). Pokud
je R > 0 (tj. pokud nastane první nebo druhá z výše uvedených možností), potom hovoříme o
intervalu konvergence či o konvergenčním intervalu.
Příklad 166.
(a) Pro mocninné řady (viz Příklady 161(a), (b))
∞
n=0
xn
,
∞
n=0
(−1)n
xn
je poloměr konvergence R = 1 .
(b) Pro mocninnou řadu (viz Příklad 161(c))
∞
n=0
(−1)n
2n
(x − 2)n
je poloměr konvergence R = 2 .
(c) Pro mocninné řady (viz Příklady 162 a 163)
∞
n=1
(−1)n−1 xn
n
,
∞
n=1
(−1)n−1 x2n−1
2n − 1
je poloměr konvergence R = 1 .
(d) Pro mocninnou řadu (viz Příklad 164)
∞
n=0
xn
n!
je poloměr konvergence R = ∞ .
(e) Pro mocninnou řadu (viz Příklad 165)
∞
n=0
n! xn
je poloměr konvergence R = 0 .
Pro poloměr konvergence R mocninné řady platí následující.
121
Věta 49 (O poloměru konvergence mocninné řady). Pokud existuje limita (vlastní nebo ne-
vlastní)
lim
n→∞
n
|an| = a, případně lim
n→∞
an+1
an
= a, (60)
potom poloměr konvergence mocninné řady (59) je
R =



1
a
, pro a > 0,
∞, pro a = 0,
0, pro a = ∞.
Důkaz. Vztah pro poloměr konvergence R plyne z podílového kritéria (Věta 44), resp. z odmocninového
kritéria (Věta 45). Pokud totiž existuje limita v (60), potom je
un+1
un
=
an+1 (x − x0)n+1
an (x − x0)n
=
an+1
an
. |x − x0| → a . |x − x0| pro n → ∞,
resp.
n
|un| = n
|an (x − x0)n| = n
|an| . n
|x − x0|n = n
|an| . |x − x0| → a . |x − x0| pro n → ∞.
Tedy mocninná řada konverguje (absolutně), pokud je a . |x − x0| < 1, a nekonverguje, pokud je
a . |x − x0| > 1. Pro a . |x − x0| = 1 konvergovat může i nemusí.
To znamená, že pokud je a > 0, řada konverguje pro |x − x0| < 1
a
a nekonverguje pro |x − x0| > 1
a
,
neboli R = 1
a
.
Pokud je a = 0, je a . |x − x0| = 0 < 1 pro všechna x ∈ R, a tedy řada konverguje pro všechna
x ∈ R, neboli R = ∞.
A pokud je a = ∞, je a . |x − x0| = ∞ > 1 pro všechna x = x0, neboli řada nekonverguje pro
všechna x = x0, neboli R = 0.
Poznámka 35.
(i) Předpoklad existence limity v (60) je příliš silný. Lze ukázat, že stačí místo limity použít
limitu superior (která existuje vždy), tj.
lim sup
n→∞
n
|an| = a, případně lim sup
n→∞
an+1
an
= a.
(ii) Z Poznámky 33 plyne, že pokud existuje limita limn→∞
an+1
an
= a, potom také existuje limita
limn→∞
n
|an| = a (a tyto dvě limity jsou si rovny).
(iii) Může ale nastat situace, že limn→∞
n
|an| = a existuje, zatímco limn→∞
an+1
an
neexistuje
(viz např. Příklady 151 a 152). Je tedy vidět, že stačí vždy počítat poloměr konvergence
pomocí vzorečku s limn→∞
n
|an| = a (pokud tedy tato limita existuje jako vlastní nebo jako
nevlastní).
Příklad 167.
122
(a) Pro mocninné řady z Příkladu 166(a) platí
lim
n→∞
an+1
an
= lim
n→∞
1
1
= 1,
a proto je podle Věty 49 (kde a = 1) jejich poloměr konvergence roven R = 1 . Všimněte si,
že podle Poznámky 35(ii) je také
lim
n→∞
n
|an| = lim
n→∞
n
√
1 = lim
n→∞
1 = 1.
(b) Pro mocninnou řadu z Příkladu 166(b) platí
lim
n→∞
an+1
an
= lim
n→∞
1
2n+1
1
2n
= lim
n→∞
1
2
=
1
2
,
a proto je podle Věty 49 (kde a = 1
2
) její poloměr konvergence roven R = 2 . Všimněte si, že
podle Poznámky 35(ii) je také
lim
n→∞
n
|an| = lim
n→∞
n 1
2n
= lim
n→∞
1
2
=
1
2
.
(c) Pro mocninné řady z Příkladu 166(c) platí
lim
n→∞
an+1
an
= lim
n→∞
1
n+1
1
n
= lim
n→∞
n
n + 1
= 1,
resp.
lim
n→∞
an+1
an
= lim
n→∞
1
2n+1
1
2n−1
= lim
n→∞
2n − 1
2n + 1
= 1,
a proto je podle Věty 49 (kde a = 1) jejich poloměr konvergence roven R = 1 . Všimněte si,
že podle Poznámky 35(ii) je také
lim
n→∞
n
|an| = lim
n→∞
n 1
n
Věta 5(ii)
=
1
lim
n→∞
n
√
n
(54)
= 1,
resp.
lim
n→∞
n
|an| = lim
n→∞
n 1
2n − 1
= 1,
přičemž poslední limita se spočítá l’Hospitalovým pravidlem podobně jako (54).
(d) Pro mocninnou řadu z Příkladu 166(d) platí
lim
n→∞
an+1
an
= lim
n→∞
1
(n+1)!
1
n!
= lim
n→∞
n!
(n + 1)!
= lim
n→∞
1
n + 1
= 0,
a proto je podle Věty 49 (kde a = 0) její poloměr konvergence roven R = ∞ .
(e) Pro mocninnou řadu z Příkladu 166(e) platí
lim
n→∞
an+1
an
= lim
n→∞
(n + 1)!
n!
= lim
n→∞
(n + 1) = ∞,
a proto je podle Věty 49 (kde a = ∞) její poloměr konvergence roven R = 0 .
123
Mocninné řady (jakožto „polynomy nekonečného stupně) sdílejí s polynomy všechny důležité
vlastnosti. Zejména, jak uvidíme níže,
− součet mocninné řady je spojitá funkce,
− mocninnou řadu můžeme derivovat člen po členu, přičemž se nemění poloměr konvergence,
− mocninnou řadu můžeme integrovat (neurčitým i určitým integrálem) člen po členu, přičemž
se nemění poloměr konvergence.
Pro jednoduchost uvádíme tyto vlastnosti pro mocninné řady se středem v bodě x0 = 0, ale
evidentně tyto vlastnosti platí pro mocninné řady s libovolným středem x0, přičemž konvergenční
interval se změní z (−R, R) na interval (x0 − R, x0 + R).
Věta 50 (Spojitost mocninné řady).
(i) Nechť má mocninná řada ∞
n=0 an xn
poloměr konvergence R > 0 (R ∈ R nebo R = ∞), tj.
∞
n=0
an xn
= s(x) pro x ∈ (−R, R).
Potom je součet s(x) této řady spojitá funkce na intervalu (−R, R).
(ii) Je-li R < ∞ a je-li tato řada konvergentní v pravém krajním bodě x = R, potom je součet
s(x) funkce spojitá zleva v bodě x = R, tj. platí
∞
n=0
an Rn
= lim
x→R−
s(x).
(iii) Je-li R < ∞ a je-li tato řada konvergentní v levém krajním bodě x = −R, potom je součet
s(x) funkce spojitá zprava v bodě x = −R, tj. platí
∞
n=0
an (−R)n
= lim
x→−R+
s(x).
Příklad 168. V Příkladu 161 vidíme, že součet mocninné řady je spojitá funkce na příslušném
konvergenčním intervalu. Vlastnost z bodu (ii) ve Větě 50 budeme ilustrovat v Příkladu 170 (tento
příklad vyžaduje „znalost integrování mocninné řady, kterou probereme níže ve Větě 52).
Věta 51 (Derivace mocninné řady). Nechť má mocninná řada ∞
n=0 an xn
poloměr konvergence
R > 0 (R ∈ R nebo R = ∞), tj.
s(x) =
∞
n=0
an xn
= a0 + a1 x + a2 x2
+ a3 x3
+ a4 x4
+ . . . pro x ∈ (−R, R).
Potom má funkce s(x) na intervalu (−R, R) derivace všech řádů, přičemž platí
s′
(x) =
∞
n=1
n an xn−1
= a1 + 2 a2 x + 3 a3 x2
+ 4 a4 x3
+ . . . pro x ∈ (−R, R),
=
∞
n=0
(n + 1) an+1 xn
.
Tedy mocninnou řadu můžeme derivovat člen po členu (tedy lze zaměnit pořadí sumace a derivace),
přičemž se nemění poloměr konvergence.
124
Důkaz. Ukažme si alespoň, že se při derivování mocninné řady nemění poloměr konvergence. Nechť a
je číslo z Věty 49, které určuje poloměr konvergence R (původní řady). Potom pro derivovanou řadu
platí
(n + 2) an+2
(n + 1) an+1
=
n + 2
n + 1
→ 1
·
an+2
an+1
→ a
(8)
→ 1 . a = a pro n → ∞.
Tedy podle Věty 49 je poloměr konvergence derivované řady roven R, tj. je stejný, jako je poloměr
konvergence původní řady.
Poznámka 36. Pro derivace vyšších řádů pak platí podobně
s′′
(x) =
∞
n=2
n (n − 1) an xn−2
= 2 a2 + 6 a3 x + 12 a4 x2
+ 20 a5 x3
+ . . .
=
∞
n=0
(n + 2) (n + 1) an+2 xn
,
a podobně pro s′′′
(x), s(4)
(x), atd.
Zejména tedy můžeme vyšetřovat vlastnosti mocninné řady z kapitoly 2 na intervalu (−R, R)
týkající se monotonie, lokálních extrémů, konvexnosti/konkávnosti, inflexních bodů, atd.
Příklad 169. Určete poloměr konvergence a součet mocninné řady
∞
n=1
n xn
= x + 2 x2
+ 3 x3
+ 4 x4
+ . . . .
Pomocí získaného výsledku určete součet řady
∞
n=1
n
2n
=
1
2
+
2
22
+
3
23
+
4
24
+
5
25
+ . . . .
Řešení. Poloměr konvergence určíme z Věty 49:
an+1
an
=
n + 1
n
→ 1 = a, ⇒ R =
1
a
= 1.
Tedy řada konverguje pro x ∈ (−1, 1) a zřejmě nekonverguje v krajních bodech tohoto intervalu.
Protože je n xn−1
= (xn
)′
, součet této řady určíme z věty o derivaci mocninné řady (Věta 51):
∞
n=1
n xn
= x .
∞
n=1
n xn−1
= x .
∞
n=1
(xn
)′
= x .
∞
n=1
xn
′
= x .
x
1 − x
′
= x .
1
(1 − x)2
=
x
(1 − x)2
.
Volbou x = 1
2
pak dostáváme, že
∞
n=1
n
2n
=
1
2
1 − 1
2
2 =
1
2
1
4
= 2 .
125
Věta 52 (Neurčitý integrál mocninné řady). Nechť má mocninná řada ∞
n=0 an xn
poloměr
konvergence R > 0 (R ∈ R nebo R = ∞), tj.
s(x) =
∞
n=0
an xn
= a0 + a1 x + a2 x2
+ a3 x3
+ a4 x4
+ . . . pro x ∈ (−R, R).
Potom na intervalu (−R, R) platí
s(x) dx =
∞
n=0
an
xn+1
n + 1
= a0 x + a1
x2
2
+ a2
x3
3
+ a3
x4
4
+ · · · + C pro x ∈ (−R, R),
=
∞
n=1
an−1
n
xn
+ C.
Tedy mocninnou řadu můžeme integrovat člen po členu (tedy lze zaměnit pořadí sumace a integrování),
přičemž se nemění poloměr konvergence.
Příklad 170. Určete součet mocninné řady (viz Příklad 162)
∞
n=1
(−1)n−1 1
n
xn
= x −
x2
2
+
x3
3
−
x4
4
+
x5
5
− . . .
a tedy pro x = 1 také součet alternující harmonické řady (viz Příklady 156 a 155)
∞
n=1
(−1)n−1 1
n
= 1 −
1
2
+
1
3
−
1
4
+
1
5
− . . . .
Řešení. V Příkladu 162 jsme ukázali, že tato mocninná řada konverguje pro x ∈ (−1, 1]. Protože je
xn+1
n+1
= xn
dx, součet této řady určíme z věty o integraci mocninné řady (Věta 52):
∞
n=1
(−1)n−1 1
n
xn
=
∞
n=0
(−1)n xn+1
n + 1
=
∞
n=0
(−1)n
xn
dx =
∞
n=0
(−x)n
dx
=
1
1 + x
dx = ln(1 + x) + C pro x ∈ (−1, 1).
Protože je pro x = 0 tato mocninná řada konvergentní se součtem 0 (každá mocninná řada má ve
svém středu součet 0), po dosazení za x = 0 dostaneme rovnici 0 = ln 1 + C, tedy C = 0. Je tedy
∞
n=1
(−1)n−1 1
n
xn
= ln(1 + x) pro x ∈ (−1, 1).
A dále, protože tato řada konverguje v pravém krajním bodě x = 1 (je to alternující harmonická
řada), je podle věty o spojitosti mocninné řady (Věta 50(ii))
∞
n=1
(−1)n−1 1
n
= lim
x→1−
ln(1 + x) = ln 2 , tj. ln 2 = 1 −
1
2
+
1
3
−
1
4
+
1
5
− . . . .
126
Příklad 171. Určete součet mocninné řady (viz Příklad 163)
∞
n=1
(−1)n−1
2n − 1
x2n−1
= x −
x3
3
+
x5
5
−
x7
7
+
x9
9
− . . . .
Řešení. Z Příkladu 163 víme, že tato řada konverguje pro x ∈ [−1, 1] a konverguje absolutně pro
x ∈ (−1, 1). Protože je x2n+1
2n+1
= x2n
dx, součet této řady určíme z věty o integraci mocninné řady
(Věta 52):
∞
n=1
(−1)n−1
2n − 1
x2n−1
=
∞
n=0
(−1)n x2n+1
2n + 1
=
∞
n=0
(−1)n
x2n
dx =
∞
n=0
− x2 n
dx
=
1
1 + x2
dx = arctg x + C pro x ∈ (−1, 1).
Protože je pro x = 0 tato mocninná řada konvergentní se součtem 0 (každá mocninná řada má ve
svém středu součet 0), po dosazení za x = 0 dostaneme rovnici 0 = arctg 0 + C, tedy C = 0. Je tedy
∞
n=1
(−1)n−1
2n − 1
x2n−1
= arctg x pro x ∈ (−1, 1).
A dále, protože tato řada konverguje v pravém krajním bodě x = 1, je podle věty o spojitosti
mocninné řady (Věta 50(ii))
∞
n=1
(−1)n−1
2n − 1
= lim
x→1−
arctg x = arctg 1 =
π
4
, tj.
π
4
= 1 −
1
3
+
1
5
−
1
7
+
1
9
− . . . .
Podobný vztah platí pro x = −1, protože tato mocninná řada konverguje i v levém krajním bodě
x = −1.
Celkově tedy platí vztah
∞
n=1
(−1)n−1
2n − 1
x2n−1
= arctg x pro x ∈ [−1, 1].
Věta 53 (Určitý integrál mocninné řady). Nechť má mocninná řada ∞
n=0 an xn
poloměr konvergence
R > 0 (R ∈ R nebo R = ∞), tj.
s(x) =
∞
n=0
an xn
= a0 + a1 x + a2 x2
+ a3 x3
+ a4 x4
+ . . . pro x ∈ (−R, R).
Potom pro libovolný interval [a, b] ⊆ (−R, R) platí
b
a
s(x) dx =
∞
n=0
an
b
a
xn
dx =
∞
n=0
an
xn+1
n + 1
b
a
=
∞
n=0
an
bn+1
n + 1
−
∞
n=0
an
an+1
n + 1
.
Tedy mocninnou řadu můžeme integrovat člen po členu (tedy lze zaměnit pořadí sumace a integro-
vání).
127
Příklad 172. Určete součet řady
∞
n=1
1
n 2n
=
1
1 . 2
+
1
2 . 22
+
1
3 . 23
+
1
4 . 24
+
1
5 . 25
+ . . . .
Řešení. Protože platí
1
(n + 1) 2n+1
=
xn+1
n + 1
1
2
0
=
1
2
0
xn
dx,
je podle věty o určitém integrálu mocninné řady (Věta 53)
∞
n=1
1
n 2n
=
∞
n=0
1
(n + 1) 2n+1
=
∞
n=0
1
2
0
xn
dx =
1
2
0
∞
n=0
xn
dx =
1
2
0
1
1 − x
dx
= − ln(1 − x)
1
2
0
= − ln 1 −
1
2
− (− ln 1) = − ln
1
2
= − ln 2−1
= ln 2 .
Tedy platí, že
ln 2 =
1
1 . 2
+
1
2 . 22
+
1
3 . 23
+
1
4 . 24
+
1
5 . 25
+ . . . .
4.7. Taylorovy a Maclaurinovy řady. Pokud se v Taylorově polynomu (viz odstavec 2.20) budou
brát členy se stále vyššími derivacemi (až do nekonečna), dostaneme Taylorovu řadu příslušnou k
dané funkci f(x).
Definice 28 (Taylorova a Maclaurinova řada). Nechť f(x) je funkce, která má na nějakém
intervalu (obsahujícím bod x0 jakožto vnitřní bod) derivace všech řádů. Taylorova řada se středem
v bodě x0 příslušná k funkci f(x) je mocninná řada
∞
n=0
f(n)
(x0)
n!
(x − x0)n
(61)
= f(x0) + f′
(x0) (x − x0) +
f′′
(x0)
2
(x − x0)2
+
f′′′
(x0)
3!
(x − x0)3
+
f(4)
(x0)
4!
(x − x0)4
+ . . . .
Tzn. Taylorova řada je mocninná řada se středem v bodě x0 a koeficienty an = f(n)(x0)
n!
.
Pokud je x0 = 0, potom se Taylorova řada nazývá Maclaurinovou řadou příslušnou k funkci f(x),
tj.
∞
n=0
f(n)
(0)
n!
xn
= f(0) + f′
(0) x +
f′′
(0)
2
x2
+
f′′′
(0)
3!
x3
+
f(4)
(0)
4!
x4
+ . . . .
Tzn. Maclaurinova řada je mocninná řada se středem v bodě 0 a koeficienty an = f(n)(0)
n!
.
V předchozí definici si připomeňme zavedenou konvenci, že f(0)
(x) := f(x) („nultá derivace je
samotná funkce) a že je definováno 0! := 1.
Příklad 173.
128
(a) Protože má funkce f(x) = sin x derivace všech řádů a hodnoty funkce sin x a jejích derivací v
bodě x0 = 0 jsou postupně 0, 1, 0, −1, 0, 1, 0, −1, atd. (viz Příklad 83), Maclaurinova řada
pro funkci sin x je tvaru
∞
n=0
(−1)n
(2n + 1)!
x2n+1
= x −
1
3!
x3
+
1
5!
x5
−
1
7!
x7
+ . . . .
Její poloměr konvergence je R = ∞ (podle Věty 49), tj. tato řada konverguje pro všechna
x ∈ R.
(b) Protože má funkce f(x) = cos x derivace všech řádů a hodnoty funkce cos x a jejích derivací
v bodě x0 = 0 jsou postupně 1, 0, −1, 0, 1, 0, −1, 0 atd. (viz Příklad 84), Maclaurinova řada
pro funkci cos x je tvaru
∞
n=0
(−1)n
(2n)!
x2n
= 1 −
1
2!
x2
+
1
4!
x4
−
1
6!
x6
+ . . . .
Její poloměr konvergence je R = ∞ (podle Věty 49), tj. tato řada konverguje pro všechna
x ∈ R.
(c) Protože má funkce f(x) = ex
derivace všech řádů a hodnoty funkce ex
a jejích derivací v bodě
x0 = 0 jsou všechny rovny 1 (viz Příklad 85), Maclaurinova řada pro funkci ex
je tvaru
∞
n=0
1
n!
xn
= 1 + x +
1
2!
x2
+
1
3!
x3
+
1
4!
x4
+
1
5!
x5
+ . . . .
Její poloměr konvergence je R = ∞ (viz Příklady 164 a 166(d)), tj. tato řada konverguje pro
všechna x ∈ R.
(d) Protože má funkce f(x) = ln(1 + x) derivace všech řádů a hodnoty funkce ln(1 + x) a jejích
derivací v bodě x0 = 0 jsou postupně rovny 0, 1, −1, 2, −6, 24, −120 (viz Příklad 86),
Maclaurinova řada pro funkci ln(1 + x) je tvaru
∞
n=1
(−1)n−1
(n − 1)!
n!
xn
= x −
1
2
x2
+
1
3
x3
−
1
4
x4
+
1
5
x5
+ · · · =
∞
n=1
(−1)n
n
xn
.
Srovnejte tento výsledek s mocninnou řadou v Příkladu 170. Tato řada konverguje pro všechna
x ∈ (−1, 1] (viz Příklad 162).
Příklad 174. Určete Taylorovu řadu funkce f(x) = 1
x
se středem v bodě x0 = 2. Dále určete obor
konvergence této mocninné řady a případně její součet.
Řešení. Derivace funkce f(x) a její hodnoty v bodě 2 jsou následující:
f(x) = x−1
, f(2) = 1
2
= 0!
21 ,
f′
(x) = −x−2
, f′
(2) = −1
4
= − 1!
22 ,
f′′
(x) = 2 x−3
, f′′
(2) = 2
8
= 2!
23 ,
f′′′
(x) = −6 x−4
, f′′′
(2) = − 6
16
= − 3!
24 ,
f(4)
(x) = 24 x−5
, f(4)
(2) = 24
32
= 4!
25 ,
...
...
f(n)
(x) = (−1)n
n! x−(n+1)
, f(n)
(2) = (−1)n n!
2n+1 .
129
Koeficient an v Taylorově řadě tedy je
an =
f(n)
(2)
n!
=
(−1)n
2n+1
,
a proto má příslušná Taylorova řada se středem v bodě 2 tvar
∞
n=0
(−1)n
2n+1
(x − 2)n
=
1
2
−
1
22
(x − 2) +
1
23
(x − 2)2
−
1
24
(x − 2)3
+
1
25
(x − 2)4
− . . . .
Uvedená mocninná řada je geometrická řada s počátečním členem a = 1
2
a kvocientem q = −x−2
2
(srovnejte s podobnou řadou v Příkladu 161). Tedy podle Tvrzení 10 tato řada konverguje pro
x−2
2
< 1, tj. pro |x − 2| < 2, tj. pro x ∈ (0, 4), a její součet je
a
1 − q
=
1
2
1 + x−2
2
=
1
2 + (x − 2)
=
1
x
= f(x).
Alternativně lze poloměr konvergence uvedené řady spočítat z Věty 49, čili
an+1
an
=
1
2n+2
1
2n+1
=
1
2
→
1
2
= a, ⇒ R =
1
a
= 2.
V tomto příkladu tedy vidíme, že Taylorova řada funkce f(x) konverguje na svém konvergenčním
intervalu k funkci f(x).
Z definice Taylorovy řady (61) plyne, že tato řada konverguje k číslu f(x0) pro x = x0 (protože
každá mocninná řada konverguje ve svém středu).
Situace v předchozím Příkladu 174 ohledně konvergence Taylorovy (či Maclaurinovy) řady k samotné
funkci f(x) je „obvyklá pro většinu funkcí. Existují ale také funkce, které mají derivace všech
řádů (tudíž k nim existuje Taylorova řada), tato Taylorova řada konverguje, ale již ne k funkci f(x)
(kromě bodu x0).
Příklad 175. Funkce
f(x) :=
e− 1
x2
, pro x = 0,
0, pro x = 0,
je spojitá a má derivace všech řádů na celém R. V bodě x0 = 0 toto lze ukázat pomocí výpočtu
jednostranných derivací f′
−(0) a f′
+(0), f′′
−(0) a f′′
+(0), atd., viz Poznámka 4(ii). Zejména jsou všechny
tyto derivace v bodě x0 = 0 rovny 0. Tedy příslušná Maclaurinova řada je tvaru
∞
n=0
f(n)
(0)
n!
xn
= 0 + 0 . x +
0
2
x2
+
0
3!
x3
+ · · · = 0 .
Tedy jedná se o nulovou řadu, která samozřejmě konverguje pro všechna x ∈ R k nulové funkci
s(x) ≡ 0, která není rovna původní funkci f(x).
Otázku, kdy Taylorova (Maclaurinova) řada funkce f(x) konverguje k funkci f(x), zodpovídá
následující tvrzení, které je bezprostředním důsledkem Věty 23.
Věta 54 (O konvergenci Taylorovy řady).
130
(i) Taylorova řada (61) funkce f(x) konverguje na svém konvergenčním intervalu I k funkci f(x),
tj. platí rovnost
f(x) =
∞
n=0
f(n)
(x0)
n!
(x − x0)n
pro všechna x ∈ I, (62)
⇔ pro posloupnost Taylorových zbytků Rn(x)
∞
n=0
(viz (36)) platí
lim
n→∞
Rn(x) = 0 pro všechna x ∈ I.
(ii) Zejména, pokud jsou všechny derivace f(n)
(x) stejně ohraničené na intervalu I, tj. pokud pro
nějaké M > 0 je
f(n)
(x) ≤ M pro všechna n ∈ N ∪ {0} a pro všechna x ∈ I,
potom platí (62).
Z Věty 54 vyplývá, že pokud chceme vyjádřit funkci f(x) jako nekonečnou řadu
f(x) =
∞
n=0
an (x − x0)n
= a0 + a1 (x − x0) + a2 (x − x0)2
+ a3 (x − x0)3
+ · · · + an (x − x0)n
+ . . . , (63)
potom volbou x = x0 nutně dostáváme a0 = f(x0). Dále derivováním rovnice (63) dostaneme
f′
(x) = a1 + 2 a2 (x − x0) + 3 a3 (x − x0)2
+ · · · + n an (x − x0)n−1
+ . . . ,
f′′
(x) = 2 a2 + 6 a3 (x − x0) + · · · + n(n − 1) an (x − x0)n−2
+ . . . ,
f′′′
(x) = 6 a3 + · · · + n(n − 1)(n − 2) an (x − x0)n−3
+ . . . ,
...
f(n)
(x) = n! an + . . . .
Dosazením za x = x0 pak vychází, že
f′
(x0) = a1, f′′
(x0) = 2 a2, f′′′
(x0) = 6 a3, . . . , f(n)
(x0) = n! an.
Odsud již vyplývá, že rozvoj funkce f(x) do mocninné řady se středem v bodě x0 má nutně uvedený
tvar (62).
Příklad 176. Uveďme si přehled Maclaurinových řad pro některé elementární funkce, se kterými se
často setkáváme.
(a) Pro funkci f(x) = sin x platí (viz Příklad 173(a))
sin x =
∞
n=0
(−1)n
(2n + 1)!
x2n+1
= x −
1
3!
x3
+
1
5!
x5
−
1
7!
x7
+ . . . pro x ∈ R .
(b) Pro funkci f(x) = cos x platí (viz Příklad 173(b))
cos x =
∞
n=0
(−1)n
(2n)!
x2n
= 1 −
1
2!
x2
+
1
4!
x4
−
1
6!
x6
+ . . . pro x ∈ R .
131
(c) Pro funkci f(x) = ex
platí (viz Příklad 173(c))
ex
=
∞
n=0
1
n!
xn
= 1 + x +
1
2!
x2
+
1
3!
x3
+
1
4!
x4
+
1
5!
x5
+ . . . pro x ∈ R .
(d) Pro funkci f(x) = ln(1 + x) platí (viz Příklady 173(d) a 170)
ln(1 + x) =
∞
n=1
(−1)n
n
xn
= x −
1
2
x2
+
1
3
x3
−
1
4
x4
+
1
5
x5
+ . . . pro x ∈ (−1, 1] .
(e) Pro funkci f(x) = 1
1−x
platí (viz Příklad 161(a))
1
1 − x
=
∞
n=0
xn
= 1 + x + x2
+ x3
+ x4
+ x5
+ . . . pro x ∈ (−1, 1) .
(f) Pro funkci f(x) = 1
1+x
platí (viz Příklad 161(b))
1
1 + x
=
∞
n=0
(−1)n
xn
= 1 − x + x2
− x3
+ x4
− x5
+ . . . pro x ∈ (−1, 1) .
(g) Každý polynom P(x) = a0 + a1 x + a2 x2
+ · · · + an xn
je svým vlastním Maclaurinovým
rozvojem (na celém R), neboť platí, že
P(0) = a0, P′
(0) = a1, P′′
(0) = 2 a2, P′′′
(0) = 2 . 3 . a3 = 3! a3, . . . , P(n)
(0) = n! an.
Výše uvedené rozvoje elementárních funkcí do nekonečných řad bychom také mohli chápat jako
definice těchto funkcí (jak je skutečně provedeno ve skriptech prof. Slováka). A pak lze pomocí
vlastností (např. spojitosti, derivace, integrálu, atd.) mocninných řad uvedených v této kapitole také
odvodit základní vlastnosti a vztahy těchto elementárních funkcí, jako např.
(sin x)′
= cos x, (cos x)′
= − sin x, (ex
)′
= ex
, . . . .
Pro rozvoje funkcí do nekonečných řad můžeme používat normální algebraická pravidla (sčítání,
odčítání, násobení, substituce).
Příklad 177.
(a) Maclaurinova řada funkce x sin x je (pro rozvoj funkce sin x viz Příklad 176(a))
x sin x = x . x −
1
3!
x3
+
1
5!
x5
−
1
7!
x7
+ . . .
= x2
−
1
3!
x4
+
1
5!
x6
−
1
7!
x8
+ · · · =
∞
n=0
(−1)n
(2n + 1)!
x2n+2
pro x ∈ R.
132
(b) Maclaurinova řada funkce sin x
x
je (pro rozvoj funkce sin x viz Příklad 176(a))
sin x
x
=
1
x
· x −
1
3!
x3
+
1
5!
x5
−
1
7!
x7
+ . . .
= 1 −
1
3!
x2
+
1
5!
x4
−
1
7!
x6
+ · · · =
∞
n=0
(−1)n
(2n + 1)!
x2n
pro x ∈ R, x = 0.
Všimněte si, že v tohoto vzorce je snadné odvodit limitu limx→0
sin x
x
= 1 (viz Příklad 24).
(c) Maclaurinova řada funkce e−x2
je (pro rozvoj funkce ex
viz Příklad 176(c))
e−x2
= 1 + t +
1
2!
t2
+
1
3!
t3
+
1
4!
t4
+
1
5!
t5
+ . . .
t=−x2
= 1 − x2
+
1
2!
x4
−
1
3!
x6
+
1
4!
x8
−
1
5!
x10
+ · · · =
∞
n=0
(−1)n
n!
x2n
pro x ∈ R.
4.8. Aplikace nekonečných řad. Nekonečné (číselné i mocninné) řady mají mnoho aplikací. Nebudu
zacházet do přílišných podrobností, ale chci zmínit alespoň následující.
• Přibližné výpočty funkčních hodnot – srovnejte např. s Příklady 81 a 177.
• Aproximace funkcí – srovnejte např. s Příklady 176 a 88.
• Výpočet integrálů vyšších funkcí – viz Poznámka 23.
Příklad 178.
(a) Primitivní funkce k funkci sin x
x
je funkce (viz Příklad 177(b))
sin x
x
dx = 1 −
1
3!
x2
+
1
5!
x4
−
1
7!
x6
+ . . . dx
= x −
1
3!
x3
3
+
1
5!
x5
5
−
1
7!
x7
7
+ · · · + C
=
∞
n=0
(−1)n
(2n + 1)! . (2n + 1)
x2n+1
+ C , x ∈ R,
neboť lze mocninnou řadu integrovat člen po členu a poloměr konvergence se integrováním
nemění.
(b) Primitivní funkce k funkci e−x2
je funkce (viz Příklad 177(c))
e−x2
dx = 1 − x2
+
1
2!
x4
−
1
3!
x6
+
1
4!
x8
−
1
5!
x10
+ . . . dx
= x −
x3
3
+
1
2!
x5
5
−
1
3!
x7
7
+
1
4!
x9
9
−
1
5!
x11
11
+ · · · + C
=
∞
n=0
(−1)n
n! . (2n + 1)
x2n+1
+ C , x ∈ R,
133
neboť lze mocninnou řadu integrovat člen po členu a poloměr konvergence se integrováním
nemění.
• Výpočet limit – viz např. Příklad 177(b).
• Řešení některých diferenciálních rovnic – viz např. Příklad 198.
• Jen tak pro zajímavost
Příklad 179. Určete součet číselné řady (viz Příklad 148)
∞
n=1
1
n2
= 1 +
1
4
+
1
9
+
1
16
+
1
25
+ . . . .
Řešení. Funkce sin x
x
má rozvoj (viz Příklad 177(b))
sin x
x
= 1 −
1
3!
x2
+
1
5!
x4
−
1
7!
x6
+ . . . . (64)
Kořeny této funkce jsou zřejmě v bodech ±π, ±2π, ±3π, ±4π, atd. a tedy tuto funkci lze „rozložit
na (nekonečný) součin kořenových činitelů
1 −
x
π
· 1 +
x
π
· 1 −
x
2π
· 1 +
x
2π
· 1 −
x
3π
· 1 +
x
3π
· 1 −
x
4π
· 1 +
x
4π
·. . .
= 1 −
x2
π2
· 1 −
x2
4π2
· 1 −
x2
9π2
· 1 −
x2
16π2
·. . . . (65)
Porovnáním koeficientů u mocniny x2
v rozvoji (64) a (po roznásobení) v (65) dostaneme
−
1
3!
= −
1
π2
−
1
4π2
−
1
9π2
−
1
16π2
− . . . ,
čili po vynásobení číslem −π2
dostaneme
π2
6
= 1 +
1
4
+
1
9
+
1
16
+ · · · =
∞
n=1
1
n2
.
Jen pro zajímavost, tuto úvahu provedl Leonard Euler již v 18. století.
Poznámka 37. Protože je sin π
2
= 1, plyne ze vzorců (64) a (65) volbou x = π
2
vyjádření
1
π
2
= 1 −
π
2
π
· 1 +
π
2
π
· 1 −
π
2
2π
· 1 +
π
2
2π
· 1 −
π
2
3π
· 1 +
π
2
3π
· 1 −
π
2
4π
· 1 +
π
2
4π
·. . .
= 1 −
1
2
· 1 +
1
2
· 1 −
1
4
· 1 +
1
4
· 1 −
1
6
· 1 +
1
6
· 1 −
1
8
· 1 +
1
8
·. . .
=
1
2
·
3
2
·
3
4
·
5
4
·
5
6
·
7
6
·
7
8
·
9
8
·. . . ,
neboli dostáváme známý Wallisův vzorec
π
2
=
2
1
·
2
3
·
4
3
·
4
5
·
6
5
·
6
7
·
8
7
·
8
9
·. . .
pro vyjádření čísla π
2
(a tedy i čísla π) pomocí nekonečného součinu.
134
Nekonečné součiny (a otázky spojené s jejich konvergencí) ale v tomto kurzu neprobíráme, tak to
berte jen jako zajímavost.
4.9. Řady funkcí. Stejně jako když jsme studovali mocninné řady, tj. řady „generované mocninami
xn
s koeficienty an, můžeme studovat řady „generované jinými funkcemi. Např. Fourierovy řady
∞
n=0
an cos(nx),
∞
n=0
bn sin(nx),
∞
n=0
an cos(nx) + bn sin(nx) ,
případně můžeme uvažovat obecné řady funkcí (či funkcionální řady)
∞
n=0
fn(x),
přičemž fn(x) jsou funkce definované na nějakém (společném) intervalu I. V této souvislosti je
pak přirozené klást otázky týkající se konvergence takové funkcionální řady, tj. pro která x ∈ I je
definována funkce
s(x) =
∞
n=0
fn(x)
a jaké vlastnosti funkce s(x) bude mít (zejména týkající se spojitosti, derivace a primitivní funkce –
viz příslušné Věty 50, 51, 52 a 53 o mocninných řadách).
Stejně jako u mocninných či číselných řad je při studiu obecných funkcionálních řad potřeba vyřešit
otázku konvergence posloupnosti částečných součtů
sn(x) := f0(x) + f1(x) + · · · + fn(x),
tj. za jakých podmínek a na jakém intervalu konverguje (funkcionální) posloupnost sn(x) k funkci
s(x), tj. sn(x) → s(x) pro x ∈ I. Pro každé pevně zvolené x ∈ I se ale jedná o číselnou posloupnost
(či řadu), a proto můžeme použít všechny nástroje počínaje odstavcem 4.1. Hovoříme pak o
bodové konvergenci dané funkcionální řady.
Ovšem je nutné zdůraznit, že již nejjednodušší vlastnosti (jako např. spojitost) funkcí fn(x) (a
tedy i funkcí sn(x)) se při takové bodové konvergenci nepřenášejí na součtovou funkci s(x).
Příklad 180. Uvažujme funkce sn(x) := xn
pro x ∈ [0, 1] a n ∈ N ∪ {0} (viz obr.). Jedná se tedy o
posloupnost částečných součtů
s0(x) = 1, s1(x) = x, s2(x) = x2
, s3(x) = x3
, s4(x) = x4
, . . .
funkcí
f0(x) = 1, f1(x) = x − 1, f2(x) = x2
− x, f3(x) = x3
− x2
, . . . , fn(x) = xn
− xn−1
, . . . .
Všechny tyto funkce fn(x) jsou spojité na intervalu [0, 1] pro každé n = 0, 1, 2, . . . .. Dále jsou všechny
funkce sn(x) spojité na intervalu [0, 1]. Přitom
pro x ∈ [0, 1) je sn(x) = xn
→ 0, a pro x = 1 je sn(x) = 1n
→ 1, n → ∞.
Tedy posloupnost sn(x) bodově konverguje na intervalu [0, 1] k funkci
∞
n=0
fn(x) = lim
n→∞
sn(x) = s(x) :=
0, pro x ∈ [0, 1),
1, pro x = 1,
přičemž tato funkce s(x) je nespojitá (viz obr.).
135
Z Příkladu 180 je tedy vidět, že pro obecné funkcionální řady je potřeba silnější pojem konvergence,
než je bodová konvergence, který bude zaručovat přenos vlastností funkcí fn(x) na součtovou funkci
s(x). Tímto se dostáváme k termínu stejnoměrné konvergence na intervalu I k dalším pokročilejším
partiím matematické analýzy. V tomto základním kurzu ale na tyto věci již není prostor.
136
5. Elementární diferenciální rovnice
Tato kapitola je zaměřena na použití diferenciálního a integrálního počtu pro řešení některých
jednoduchých diferenciálních rovnic.
5.1. Úvod a motivace. Diferenciální rovnice je rovnice, ve které se vyskytuje neznámá funkce spolu
se svou derivací (či derivacemi vyšších řádů).
Diferenciální rovnice slouží k modelování fyzikálních procesů (viz také konec odstavce 2.7), vyskytují
se v ekonomii, biologii, chemii, atd.
Příklad 181. Příklady fyzikálních procesů, které jsou modelovány diferenciálními rovnicemi.
(a) Neznámá funkce je u = u(x) (poloha bodu na přímce),
m . u′′
= F(x) (Newtonův zákon).
(b) Neznámá funkce je u = u(x, t) (teplota v bodě x na přímce v čase t),
α2
. uxx = ut (vedení tepla na přímce).
(c) Neznámá funkce je u = u(x, t) (vychýlení v bodě x na přímce v čase t),
α2
. uxx = utt (vlnová rovnice).
(d) Neznámá funkce je θ = θ(t) (úhel v čase t),
θ′′
+ α sin θ = 0 (matematické kyvadlo).
(e) Neznámá funkce je Q = Q(t) (množství radioaktivního materiálu v čase t),
Q′
= −k Q (radioaktivní rozpad).
Otázky k zamyšlení:
1. Jak poznáme, že daná diferenciální rovnice vůbec má řešení? (otázka existence řešení)
2. Je toto řešení jediné? (otázka jednoznačnosti řešení)
3. Kolik řešení existuje?
4. Jak najít toto/tato řešení? (metody řešení diferenciálních rovnic)
5. Jak určit chování případných řešení, aniž by bylo nutné danou diferenciální rovnici vyřešit?
(kvalitativní vlastnosti řešení diferenciálních rovnic)
Příklad 182. Diferenciální rovnice x y′
+ y = 0 má řešení y = C
x
pro libovolné C ∈ R, protože
y′
= (Cx−1
)′
= −
C
x2
⇒ x y′
+ y = x −
C
x2
+
C
x
= 0.
Tedy tato rovnice má nekonečně mnoho řešení.
137
Řešení diferenciální rovnice je funkce y = y(x) (případně funkce y = y(t), y = y(x, t), apod.),
která splňuje danou diferenciální rovnici.
Řešení diferenciálních rovnic se obvykle najdou pomocí integrování, a proto budou obsahovat
integrační konstanty (zřejmě tolik integračních konstant, kolikrát budeme integrovat). Tedy tzv.
obecné řešení (tj. všechna řešení) dostaneme jako množinu danou těmito konstantami.
Řešení dané počáteční podmínkou, např. y(x0) = y0 (předem zadaná hodnota v daném bodě), se
nazývá partikulární.
Příklad 183. Obecné řešení diferenciální rovnice z Příkladu 182 je
y =
C
x
, kde C ∈ R.
Řešení této diferenciální rovnice splňující počáteční podmínku y(1) = 1 je y = 1
x
(tohle je tedy
partikulární řešení).
Příklad 184. Matematicky lze každý příklad na výpočet primitivní funkce (neurčitý integrál, viz
odstavec 3.1) chápat jako diferenciální rovnici y′
= f(x), přičemž hledaná neznámá funkce y se
vypočítá jako y = f(x) dx, tedy přímým integrováním.
Řád diferenciální rovnice je řád nejvyšší derivace, která se v rovnici vyskytuje.
Příklad 185. Tedy diferenciální rovnice z Příkladu 181(a–d) jsou druhého řádu, zatímco rovnice v
Příkladu 181(e) je prvního řádu.
5.2. Diferenciální rovnice 1. řádu. V tomto odstavci se budeme podrobněji zabývat diferenciálními
rovnicemi 1. řádu. Tj. jsou to rovnice tvaru
y′
= F(x, y). (66)
Příklad 186.
(a) Rovnice y′
= y2
má nekonečně mnoho řešení (tedy obecné řešení)
y =
1
C − x
, C ∈ R,
definovaných na (−∞, C) a na (C, ∞) a řešení y = 0 definované na celém R.
(b) Rovnice y′
= 3 3
y2 a počáteční podmínka y(0) = 0 má řešení y = 0 a y = x3
(a také
libovolnou jejich navazující kombinaci, viz obr.). Tedy existuje nekonečně mnoho řešení.
Poznámka 38. V obecné teorii diferenciálních rovnic lze ukázat, že pokud je pravá strana rovnice
(66) spojitá a navíc tzv. lipschitzovská v proměnné y, tj. |F(x, y1) − F(x, y2)| ≤ L |y1 − y2| pro
každé x, y1, y2 ∈ R a pro nějaké univerzální L ≥ 0, potom řešení počáteční úlohy s touto rovnicí a
podmínkou y(x0) = y0 skutečně existuje a je jediné – ale pouze v dostatečně malém okolí bodu x0.
Navíc je zřejmé, že toto řešení bude spojité podle Věty 9 a bude mít spojitou derivaci, protože
y′
= F(x, y) je spojitá funkce, jak předpokládáme.
138
Speciálními případy této diferenciální rovnice jsou rovnice se separovanými proměnnými a rovnice
lineární, kterým se budeme blíže věnovat.
5.3. Diferenciální rovnice se separovanými proměnnými. Jedná se o rovnici tvaru
y′
= f(x) . g(y),
tj. pravá strana z obecné rovnice (66) je F(x, y) = f(x) . g(y), tj. je to součin funkce proměnné x a
funkce proměnné y (odtud je název této rovnice).
Příklad 187.
(a) Pro diferenciální rovnici
y′
=
x2
y . (1 + x3)
je f(x) =
x2
1 + x3
, g(y) =
1
y
,
a proto se jedná o rovnici se separovanými proměnnými.
(b) Rovnice v Příkladech 184 a 186 jsou všechny se separovanými proměnnými.
(c) Rovnice y′
= x + y není rovnice se separovanými proměnnými
Pokud napíšeme derivaci y′
jako podíl diferenciálů dy
dx
, tj. y′
= dy
dx
, potom lze rovnici se separovanými
proměnnými přepsat na tvar
dy
dx
= f(x) . g(y), ⇒
1
g(y)
dy = f(x) dx,
odtud název – separované proměnné. A tuto poslední rovnici vyřešíme integrací na obou stranách –
na levé straně podle proměnné y a na pravé straně podle proměnné x, tj.
1
g(y)
dy = f(x) dx + C . (67)
Integrační konstantu lze zřejmě brát pouze jednou, např. tedy na pravé straně. Dostáváme tedy
následující tvrzení.
Tvrzení 13 (O řešitelnosti diferenciální rovnice se separovanými proměnnými). Jsou-li
funkce f : (a, b) → R a g : (c, d) → R spojité a g(y) = 0 na intervalu (c, d), potom má počáteční
úloha
y′
= f(x) . g(y), y(x0) = y0
právě jedno řešení, které je dáno implicitně vztahem (67). Konstanta C se určí z počáteční podmínky
y(x0) = y0.
Příklad 188. Pro diferenciální rovnici z Příkladu 187 máme
dy
dx
=
x2
y . (1 + x3)
⇒ y dy =
x2
1 + x3
dx ⇒ y dy =
x2
1 + x3
dx
⇒
y2
2
=
1 + x3
= u
3x2
dx = du
=
1
3
1
u
du =
1
3
ln |u| + C =
1
3
ln |1 + x3
| + C
⇒ y2
=
2
3
ln |1 + x3
| + C .
139
Pokud je navíc zadána počáteční podmínka y(0) = 2, potom dosazením do vypočteného vztahu
za x = 0 a y = 2 dostaneme rovnici 4 = C, a tedy partikulární řešení je
y =
2
3
ln |1 + x3| + 4
(ve výše uvedeném vztahu bereme kladnou odmocninu, protože hodnota y(0) = 2 > 0).
Některé další typy rovnic lze jednoduchou substitucí převést na rovnici se separovanými proměnnými.
Např. diferenciální rovnice tvaru
y′
= f
y
x
se pomocí substituce u = y
x
(Pozor, u = u(x) je funkce proměnné x!) převede na rovnici se separovanými
proměnnými. Skutečně, protože je (podle pravidla pro derivaci součinu, viz Věta 10(iii))
u . x = y ⇒ u′
. x + u = y′
⇒ u′
. x + u = f(u)
⇒
du
dx
x = f(u) − u ⇒
1
f(u) − u
du =
1
x
dx
a poslední uvedená rovnice má separované proměnné (x a u).
Příklad 189. Vyřešte diferenciální rovnici
y′
= 1 +
y
x
.
Řešení. Volbou u = y
x
, neboli y = u . x, dostaneme y′
= u′
. x + u a po dosazení do rovnice
u′
. x + u = 1 + u ⇒ u′
. x = 1 ⇒
du
dx
. x = 1
⇒ du =
1
x
dx ⇒ du =
1
x
dx ⇒ u = ln |x| + C.
Zpětným dosazením za proměnnou u pak dostaneme hledané řešení
y
x
= ln |x| + C ⇒ y = x ln |x| + C x , C ∈ R.
(Ověřte si derivováním, že tato funkce je skutečně řešením dané rovnice.)
5.4. Lineární diferenciální rovnice 1. řádu. Jedná se o rovnici tvaru
y′
= a(x) y + b(x)
tj. pravá strana z obecné rovnice (66) je F(x, y) = a(x) y + b(x), tj. je to lineární funkce vzhledem k
proměnné y.
Příklad 190.
(a) Rovnice v Příkladu 181(e) je lineární (a(x) = −k je konstanta a b(x) ≡ 0).
(b) Rovnice v Příkladech 186 a 187(a,b) nejsou lineární.
(c) Rovnice v Příkladu 187(c) je lineární.
140
Lineární diferenciální rovnici lze jednoduchým způsobem vyřešit.
• Rovnice je tzv. homogenní, tj. b(x) ≡ 0. Potom se jedná o rovnici y′
= a(x) y, což je rovnice
se separovanými proměnnými
dy
dx
= a(x) y ⇒
1
y
dy = a(x) dx ⇒
1
y
dy = a(x) dx
⇒ ln |y| = a(x) dx + C ⇒ |y| = e a(x) dx+C
= e a(x) dx
. eC
⇒ ±y = e a(x) dx
. eC
⇒ y = e a(x) dx
. ± eC
lib. konst.
⇒ y = C e a(x) dx
, C ∈ R. (68)
• Rovnice je tzv. nehomogenní, tj. b(x) ≡ 0. V tomto případě se nejprve celá rovnice vynásobí
vhodnou funkcí µ(x) (tzv. integračním faktorem), aby po úpravách vznikl výraz pro derivaci
součinu. Integrační faktor je funkce
µ(x) := e− a(x) dx
.
Tedy platí
y′
− a(x) y = b(x) ⇒ y′
− a(x) y . µ(x) = b(x) . µ(x)
⇒ y′
. e− a(x) dx
− y a(x) . e− a(x) dx
y . e− a(x) dx ′
= b(x) . e− a(x) dx
⇒ y . e− a(x) dx ′
= b(x) . e− a(x) dx
⇒ y . e− a(x) dx
= b(x) . e− a(x) dx
dx + C
⇒ y = e a(x) dx
b(x) . e− a(x) dx
dx + C , C ∈ R. (69)
Tedy jsme dokázali následující tvrzení.
Tvrzení 14 (O řešitelnosti lineární diferenciální rovnice 1. řádu). Jsou-li koeficienty a(x) a
b(x) spojité funkce na intervalu (a, b), potom má počáteční úloha
y′
= a(x) y + b(x), y(x0) = y0
právě jedno řešení, které je na celém intervalu (a, b) definováno vztahem (69). Konstanta C se určí
z počáteční podmínky y(x0) = y0.
Tedy vidíme, že na rozdíl od nelineárních rovnic, které mají zaručenu existenci a jednoznačnost
řešení pouze na okolí bodu x0 (viz Poznámka 38), jsou lineární diferenciální rovnice jednoznačně
řešitelné na celém intervalu spojitosti pravé strany rovnice.
Příklad 191. Vyřešte diferenciální rovnici
y′
= −3y + x.
Řešení. Protože je y′
+ 3y = x, je integrační faktor
µ(x) = e 3 dx
= e3x
.
141
Potom platí
y′
e3x
+ 3y e3x
y . e3x ′
= x e3x
⇒ y . e3x ′
= x e3x
⇒ y . e3x
= x e3x
dx + C
u′
= e3x
u = e3x
3
v = x v′
= 1
=
1
3
x e3x
−
1
9
e3x
+ C
⇒ y =
1
3
x −
1
9
+ C e−3x
, C ∈ R.
(Ověřte si derivováním, že tato funkce je skutečně řešením dané rovnice.)
Některé další typy rovnic lze jednoduchou substitucí převést na rovnici lineární. Například tzv.
Bernoulliova rovnice
y′
= a(x) y + b(x) yr
se pomocí substituce u = y1−r
(Pozor, u = u(x) je funkce proměnné x!) převede na rovnici lineární.
Příklad 192. Vyřešte diferenciální rovnici
y′
= 3y − x y2
.
Řešení. Jedná se zřejmě o Bernoulliovu rovnici s r = 2. Substitucí u = y−1
= 1
y
dostaneme u′
=
−y−2
y′
= − y′
y2 a tedy daná rovnice se převede na tvar
y′
= 3y − x y2
⇒ −
y′
y2
= −3
1
y
+ x ⇒ u′
= −3u + x.
Poslední rovnice je lineární diferenciální rovnice pro neznámou funkci u(x). Z Příkladu 191 víme, že
její řešení je funkce
u =
1
3
x −
1
9
+ C e−3x
.
Zpětným dosazením za funkci u pak dostaneme řešení původní rovnice
1
y
=
1
3
x −
1
9
+ C e−3x
⇒ y =
1
1
3
x − 1
9
+ C e−3x
, C ∈ R.
(Ověřte si derivováním, že tato funkce je skutečně řešením dané rovnice.)
Dalším trikem, který někdy může pomoci převést danou rovnici na lineární diferenciální rovnici,
je záměna nezávislé a závislé proměnné x a y. Tedy místo hledání řešení jako funkce y = y(x) jej
budeme hledat jako funkci x = x(y). Výsledkem potom zřejmě bude řešení zadané pomocí inverzní
funkce.
Příklad 193. Vyřešte diferenciální rovnici
y′
=
1
y2 − 2x
.
Řešení. Tato rovnice není lineární diferenciální rovnice. Platí ale
dy
dx
=
1
y2 − 2x
⇒
dx
dy
= −2x + y2
,
142
přičemž poslední rovnice už je lineární diferenciální rovnice pro neznámou funkci x = x(y). Tuto
rovnici vyřešíme metodou integračního faktoru, tj. µ(y) = e2y
. Řešení je potom tvaru (po dvojnásobné
integraci per-partes v integrálu y2
e2y
dy)
x =
1
2
y2
−
1
2
y +
1
4
+ C e−2y
, C ∈ R.
(Ověřte si derivováním, že tato funkce je skutečně řešením dané rovnice. Derivaci y′
získáte z pravidla
pro derivování implicitní funkce, viz odstavec 2.12.)
5.5. Aplikace lineárních diferenciálních rovnic 1. řádu. V tomto odstavci probereme (na
ukázku) tři aplikace lineárních diferenciálních rovnic.
• Radioaktivní rozpad – Radioaktivní materiál se rozpadá rychlostí, která je přímo úměrná množství
přítomného materiálu.
Tedy označíme-li jako Q(t) množství [většinou gramů] radioaktivního materiálu v čase t [roků],
potom musí platit rovnice
Q′
(t) = −r Q(t) , kde r > 0 je konstanta úměrnosti.
Všimněte si, že materiálu zřejmě ubývá, tj. Q′
< 0.
Příklad 194 (Radioaktivní rozpad). Rádium–226 má poločas rozpadu 1620 let. Najděte čas
potřebný k tomu, aby se dané množství Ra–226 zmenšilo na 3
4
původního množství.
Řešení. Označíme-li jako Q(0) := Q0 původní množství Ra–226, potom pro hledanou funkci Q(t),
která splňuje (homogenní) lineární diferenciální rovnici Q′
= −r Q, platí (viz (68))
Q(t) = C e−rt
⇒ Q(0) = C e0
= C ⇒ C = Q0 ⇒ Q(t) = Q0 e−rt
.
Nyní určíme konstantu r z informace o poločasu rozpadu:
1
2
Q0 = Q0 e−r . 1620
⇒ ln
1
2
= −r . 1620 ⇒ r =
− ln 1
2
1620
=
ln 2
1620
≈ 0.000428 [let−1
].
A nyní určíme hodnotu t, pro kterou je Q(t) = 3
4
Q0:
3
4
Q0 = Q0 e−rt
⇒ ln
3
4
= −rt ⇒ t =
ln 3
4
−r
= −
1620 ln 3
4
ln 2
≈ 672.4 [let] .
• Výměna tepla mezi tělesem a okolím – Povrchová teplota tělesa se mění rychlostí, která je přímo
úměrná rozdílu teploty tělesa a okolního prostředí (tzv. Newtonův teplotní zákon).
Označme teplotu tělesa v čase t jako Θ(t) [◦
C] a teplotu okolního prostředí jako T [◦
C]. Potom
musí platit rovnice
Θ′
(t) = −k [Θ(t) − T], kde k > 0 je konstanta úměrnosti.
Všimněte si, že pokud bude teplota okolního prostředí vyšší, než je teplota tělesa (tj. pokud je
Θ(t) < T), potom je Θ′
> 0 a těleso se bude zahřívat. Zatímco pokud bude teplota okolního prostředí
nižší, než je teplota tělesa (tj. pokud Θ(t) > T), potom je Θ′
< 0 a těleso se bude ochlazovat.
143
Příklad 195 (Detektivní kancelář). Je nalezena mrtvola, jejíž teplota je změřena na 26.6 ◦
C. O
3 hodiny později je její teplota 21.1 ◦
C, přičemž teplota okolí je 18.3 ◦
C. Určete čas úmrtí.
Řešení. Při použití výše uvedeného značení (pro čas t v jednotkách [hodin]) máme
T = 18.3, Θ(0) = 26.6 (teplota v čase nalezení mrtvoly), Θ(3) = 21.1,
přičemž funkce Θ(t) splňuje rovnici
Θ′
= −k (Θ − T) ⇒ Θ′
= −k Θ + k T.
Poslední rovnice je lineární diferenciální rovnice pro neznámou funkci Θ(t). Tuto rovnici vyřešíme
metodou integračního faktoru µ(t) = ekt
, tj. podle (69) je
Θ = T + C e−kt
= 18.3 + C e−kt
, C ∈ R.
Konstanty C a k určíme z informací o počáteční teplotě a o teplotě v čase t = 3 [hodiny], tj.
26.6 = Θ(0) = 18.3 + C e0
= 18.3 + C ⇒ C = 8.3 ⇒ Θ = 18.3 + 8.3 e−kt
,
a dále
21.1 = Θ(3) = 18.3 + 8.3 e−3k
⇒ e−3k
=
21.1 − 18.3
8.3
≈ 0.337 ⇒ −3k = ln 0.337
⇒ k = −
ln 0.337
3
≈ 0.362.
Tedy hledané řešení je funkce
Θ(t) = 18.3 + 8.3 e−0.362t
.
Jak se určí čas úmrtí? Určíme čas t, pro který je Θ(t) = 37 ◦
C (teplota lidského těla). Tedy
18.3 + 8.3 e−0.362t
= 37 ⇒ e−0.362t
=
37 − 18.3
8.3
≈ 2.253 ⇒ −0.362t = ln 2.253
⇒ t = −
ln 2.253
0.362
≈ −2.24 ≈ − 2 hodiny 15 minut .
Mrtvola byla nalezena přibližně 2 hodiny a 15 minut po smrti.
• Míchání dvou látek – např. voda a do ní roztok soli, nebo voda (jezero) a do ní nečistoty z
továrny, atd.
Příklad 196 (Míchání roztoku). Vodní nádrž o celkovém objemu L = 1000 [litrů] obsahuje Q0 = 0
[gramů] soli v počátečním čase t0 = 0 [minut]. Do nádrže přitéká roztok o koncentraci soli c = 50
[gramů/litr] rychlostí v = 20 [litrů/min] a po řádném promíchání s vodou v nádrži z ní vytéká stejnou
rychlostí (viz obr.). Určete množství soli Q(t) v nádrži v libovolném čase t a limitní množství pro
t → ∞.
Řešení. Označili jsme jako Q(t) [g] množství soli v nádrži v libovolném čase t [min]. Potom Q′
(t)
udává, jak rychle se toto množství mění a přitom musí platit, že
Q′
(t) =
rychlost, s jakou sůl
do nádrže přitéká
−
rychlost, s jakou sůl
z nádrže vytéká
.
Sůl do nádrže přitéká rychlostí
c . v = 50 [g/l] . 20 [l/min] = 1000 [g/min].
144
A protože v nádrži je vždy koncentrace soli rovna Q(t)
L
= Q(t)
1000
[g/l], sůl z nádrže vytéká rychlostí
Q(t)
L
. v =
Q(t)
1000
[g/l] . 20 [l/min] =
Q(t)
50
[g/min].
Tedy hledaná funkce Q(t) splňuje rovnici
Q′
(t) = c . v −
Q(t)
L
. v ⇒ Q′
= 1000 −
Q
50
,
což je lineární diferenciální rovnice 1. řádu, a dále splňuje počáteční podmínku
Q(t0) = Q0 ⇒ Q(0) = 0. (70)
Uvedenou rovnici vyřešíme metodou integračního faktoru
µ(t) = e
v
L
dt
= e
v
L
t
⇒ µ(t) = e
1
50
dt
= e0.02 t
a potom je (výpočty uvádím jak pro obecnou situaci tak i pro náš konkrétní příklad)
Q′
+
v
L
Q = c v ⇒ Q′
+ 0.02 Q = 1000,
Q′
e
v
L
t
+
v
L
e
v
L
t
Q = c v e
v
L
t
⇒ Q′
e0.02 t
+ 0.02 e0.02 t
Q = 1000 e0.02 t
,
Q e
v
L
t ′
= c v e
v
L
t
⇒ Q e0.02 t ′
= 1000 e0.02 t
,
Q e
v
L
t
= c v e
v
L
t
dt = c v
e
v
L
t
v
L
+ C ⇒ Q e0.02 t
= 1000 e0.02 t
dt = 1000
e0.02 t
0.02
+ C,
Q = c L + C e− v
L
t
⇒ Q = 50000 + C e−0.02 t
, C ∈ R.
A protože je počáteční množství známo v (70), pro integrační konstantu C platí
Q0 = Q(t0) = c L + C e− v
L
t0
⇒ 0 = Q(0) = 50000 + C e0
,
C = (Q0 − c L) e
v
L
t0
⇒ C = −50000,
a tedy výsledné partikulární řešení (udávající kolik gramů soli bude v nádrži v okamžiku t minut) je
tvaru
Q = c L + (Q0 − c L) e
v
L
t0
e− v
L
t
⇒ Q = 50000 − 50000 e−0.02 t
,
Q = c L + (Q0 − c L) e− v
L
(t−t0)
⇒ Q = 50000 1 − e−0.02 t
.
Tedy v závislosti na tom, jestli je Q0 > c L nebo Q0 < c L, množství soli v nádrži (záporně exponenciálně)
klesá nebo roste, a při Q0 = c L zůstává stále stejné.
Pro situaci v tomto příkladu je výsledné množství soli zobrazeno v souboru <graf michani.pdf>
Pro t → ∞ je potom
lim
t→∞
Q(t) = lim
t→∞
c L + (Q0 − c L) e− v
L
(t−t0)
→ 0
⇒ lim
t→∞
Q(t) = lim
t→∞
50000 1 − e−0.02 t
→ 0
lim
t→∞
Q(t) = c L [g] ⇒ lim
t→∞
Q(t) = 50000 [g] .
Po dostatečně dlouhé době bude tedy koncentrace soli v nádrži rovna
Q∞ =
c L
L
= c [g/l], neboli Q∞ =
50000
1000
= 50 [g/l],
145
což je přesně koncentrace přitékajícího roztoku (samozřejmě, po „nekonečně dlouhé době přitékající
roztok „nahradí původní roztok v nádrži, přičemž vůbec nezáleží na původním množství Q0, tj. na
tom, kolik soli bylo v nádrži na počátku).
Příklad 197 (Míchání roztoku – pokračování). Jak se změní model v předchozím Příkladu 196,
pokud bude roztok po řádném promíchání s vodou v nádrži vytékat rychlostí pouze w = 19 [litrů/min]
(viz obr.)? Předpokládáme-li, že nádrž má celkový objem 1600 litrů, jaká bude koncentrace roztoku
v nádrži v okamžiku jejího naplnění?
Řešení. Všimněte si, že se nyní objem roztoku v nádrži mění (roste) a to rychlostí v − w = 1
[litr/min]. To znamená, že nyní sůl z nádrže vytéká rychlostí
Q(t)
L + (v − w) (t − t0)
. w =
Q(t)
1000 + t
[g/l] . 19 [l/min] =
19 Q(t)
1000 + t
[g/min].
Výsledná diferenciální rovnice má tedy tvar
Q′
(t) = c . v −
Q(t)
L + (v − w) (t − t0)
. w ⇒ Q′
= 1000 −
19 Q(t)
1000 + t
,
což je opět lineární diferenciální rovnice 1. řádu, přičemž řešení Q(t) splňuje počáteční podmínku
(70). Příslušný integrační faktor je (nyní již pouze pro naše konkrétní hodnoty)
µ(t) = e
19
1000+t
dt
= e19 ln(1000+t)
= eln(1000+t)19
= (1000 + t)19
.
Tedy platí
Q′
+
19 Q(t)
1000 + t
= 1000 ⇒ Q′
(1000 + t)19
+ 19 Q(t) (1000 + t)18
= 1000 (1000 + t)19
⇒ Q (1000 + t)19 ′
= 1000 (1000 + t)19
⇒ Q (1000 + t)19
= 1000 (1000 + t)19
dt = 1000
(1000 + t)20
20
+ C
⇒ Q =
50 (1000 + t)20
+ C
(1000 + t)19
= 50 (1000 + t) +
C
(1000 + t)19
.
Z počáteční podmínky (70) pak určíme hodnotu C, tj.
0 = Q(0) = 50 . 1000 +
C
100019
⇒ C = −50000 . 100019
= −5 . 104
. 103 19
= −5 . 1061
.
Tedy výsledné partikulární řešení je tvaru
Q = 50 (1000 + t) −
5 . 1061
(1000 + t)19
,
jehož graf je zobrazen v souboru <graf michani2.pdf>.
Protože v nádrži bylo původně 1000 litrů vody a nádrž se nyní naplňuje rychlostí 1 litr/min, bude
nádrž naplněna za 600 minut (tj. za 10 hodin). Tedy v okamžiku t = 600 bude v nádrži
Q(600) = 50 (1600) −
5 . 1061
(1600)19
≈ 79993.4 [g] soli,
tj. koncentrace soli bude
Q(600)
1600
≈
79993.4
1600
≈ 49.996 [g/l],
146
tedy tato koncentrace bude téměř stejná jako u přitékajícího roztoku.
5.6. Lineární diferenciální rovnice 2. řádu. Lineární diferenciální rovnice 2. řádu je rovnice
tvaru
a(x) y′′
+ b(x) y′
+ c(x) y = f(x),
kde funkce a, b, c, f : I → R jsou koeficienty v této rovnici.
Lineární diferenciální rovnice 2. řádu mají podobné vlastnosti jako lineární rovnice 1. řádu, zejména
jejich řešení existují a jsou určena jednoznačně – na celém intervalu spojitosti koeficientů rovnice –
pomocí dvou počátečních podmínek
y(x0) = y0, y′
(x0) = y1,
tj. je zadána hodnota funkce a její derivace (neboli bod v rovině, kterým musí řešení projít, a pak
sklon, pod kterým musí řešení tímto bodem projít).
O těchto rovnicích existuje velké množství literatury, obvykle se studují zejména rovnice s konstantními
koeficienty
a y′′
+ b y′
+ cy = f(x),
které mají mnoho aplikací např. při modelování mechanického a elektromagnetického kmitání.
Pro ilustraci uveďme lineární diferenciální rovnici 2. řádu s konstantními koeficienty, kterou vyřešíme
(bez jakýchkoliv dalších znalostí teorie diferenciálních rovnic) pomocí nekonečných řad.
Příklad 198. Vyřešte diferenciální rovnici
y′′
+ y = 0
pomocí nekonečných řad.
Řešení. Hledejme řešení této rovnice ve tvaru mocninné řady
y =
∞
n=0
an xn
.
Potom podle pravidla pro derivaci mocninné řady (Věta 51) platí
y′
=
∞
n=1
an n xn−1
=
∞
n=0
an+1 (n + 1) xn
,
y′′
=
∞
n=2
an n (n − 1) xn−2
=
∞
n=0
an+2 (n + 2) (n + 1) xn
.
Dosazením do rovnice y′′
+ y = 0 dostáváme
0 =
∞
n=0
an+2 (n + 2) (n + 1) xn
y′′
+
∞
n=0
an xn
y
=
∞
n=0
an+2 (n + 2) (n + 1) + an xn
Tedy poslední uvedená řada je mocninná řada pro konstantní funkci s(x) ≡ 0, a proto musí všechny
její koeficienty být nulové, tj.
an+2 (n + 2) (n + 1) + an = 0 pro všechna n ∈ N ∪ {0}.
147
Odtud vychází rekurentní vztah pro jednotlivé koeficienty
an+2 = −
an
(n + 2) (n + 1)
pro všechna n ∈ N ∪ {0}.
Tedy jsou-li koeficienty a0 a a1 dány (všimněte si, že a0 = y(0) a a1 = y′
(0), tj. tyto koeficienty jsou
dány počátečními podmínkami ve středu hledané mocninné řady), potom je
a2 = −
a0
2
, a3 = −
a1
3 . 2
,
a4 = −
a2
4 . 3
=
a0
4!
, a5 = −
a3
5 . 4
=
a1
5!
,
a6 = −
a4
6 . 5
= −
a0
6!
, a7 = −
a5
7 . 6
= −
a1
7!
,
...
...
a2k = (−1)k a0
(2k)!
, a2k+1 = (−1)k a1
(2k + 1)!
.
Celkově je tedy hledané řešení tvaru
y =
∞
n=0
an xn
= a0 + a1 x −
a0
2!
x2
−
a1
3!
x3
+
a0
4!
x4
+
a1
5!
x5
−
a0
6!
x6
−
a1
7!
x7
+ . . .
= a0 1 −
1
2!
x2
+
1
4!
x4
−
1
6!
x6
+ · · · + (−1)k 1
(2k)!
x2k
+ . . .
+ a1 x −
1
3!
x3
+
1
5!
x5
−
1
7!
x7
+ · · · + (−1)k 1
(2k + 1)!
x2k+1
+ . . .
= a0
∞
k=0
(−1)k 1
(2k)!
x2k
+ a1
∞
k=0
(−1)k 1
(2k + 1)!
x2k+1
.
Vidíme tedy, že hledané obecné řešení je lineární kombinací dvou funkcí (viz Příklad 176)
∞
k=0
(−1)k 1
(2k)!
x2k
= cos x,
∞
k=0
(−1)k 1
(2k + 1)!
x2k+1
= sin x,
přičemž uvedené mocninné řady konvergují pro všechna x ∈ R (jejich poloměr konvergence je R =
∞). Neboli obecné řešení uvedené diferenciální rovnice je (položíme-li C := a0 a D := a1)
y = C cos x + D sin x , x ∈ R, C, D ∈ R.
(Ověřte si zderivováním, že tato funkce je skutečně řešením pro libovolné konstanty C, D ∈ R.)
Reference
[1] W. E. Boyce, R. C. DiPrima, Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems, 6th Edition, John
Wiley & Sons, New York, NY, 1997.
[2] B. P. Děmidovič, Sbírka úloh a cvičení z matematické analýzy, Fragment, Havlíčkův Brod, 2003.
[3] Z. Došlá, J. Kuben, Diferenciální počet funkcí jedné proměnné, Masarykova univerzita, Brno, 2003.
[4] Z. Došlá, V. Novák, Nekonečné řady, Masarykova univerzita, Brno, 1998.
[5] O. Došlý, P. Zemánek, Integrální počet v R, Masarykova univerzita, Brno, 2011.
[6] V. Novák, Integrální počet v R, Masarykova univerzita, Brno, 2001.
[7] M. Panák, J. Slovák, Matematika drsně a svižně, kapitoly 5–7, elektronický text k předmětu FI: MB102, 2011.
[8] G. B. Thomas, R. L. Finney, Calculus and Analytic Geometry, 9th Edition, Addison-Wesley, Reading, MA, 1996.
148
Konec 1. přednášky ()
Konec 2. přednášky ()
Konec 3. přednášky ()
Konec 4. přednášky ()
Konec 5. přednášky ()
Konec 6. přednášky ()
Konec 7. přednášky ()
Konec 8. přednášky ()
Konec 9. přednášky ()
Konec 10. přednášky ()
Konec 11. přednášky ()
Konec 12. přednášky ()
Konec dokumentu