Πιθανό 4ο Θεμα

Εδώ θα καταχωρούνται ασκήσεις οι οποίες συνδυάζουν τουλάχιστον δύο διαφορετικά εκ των παραπάνω κεφάλαια και έχουν επαναληπτικό χαρακτήρα.

Συντονιστής: Καρδαμίτσης Σπύρος

G.Tsikaloudakis
Δημοσιεύσεις: 410
Εγγραφή: Σάβ Μαρ 20, 2010 8:42 pm
Τοποθεσία: ΚΑΛΛΙΘΕΑ -ΑΘΗΝΑ
Επικοινωνία:

Πιθανό 4ο Θεμα

#1

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από G.Tsikaloudakis »

Δίνονται οι συναρτήσεις:f,F με:
\displaystyle{f(t) = \frac{{e^t }}{t}} και \displaystyle{F(x) = \int_1^x {f(t)dt} }

Θεωρούμε τη συνάρτηση: \displaystyle{ 
G(x) = \left\{ \begin{array}{l} 
 xF(x),{\rm{    }}0 < x < 1 \\  
 0,{\rm{                 x}} = {\rm{0}} \\  
 {\rm{x}}^{\rm{2}} {\rm{f'(x)}}{\rm{,          x}} \ge {\rm{1}} \\  
 \end{array} \right.}
.
Να αποδείξετε ότι:
α. η G είναι συνεχής
β. η G έχει ολικό ελάχιστο.
γ. η G είναι κυρτή
δ. για κάθε \displaystyle{x \ge 0} ισχύει: \displaystyle{ 
G(x) \ge e(x - 1)}
Τελευταία επεξεργασία από το μέλος Φωτεινή την Τρί Μάιος 15, 2012 10:17 pm, έχει επεξεργασθεί 1 φορά συνολικά.
Λόγος: LaTeX
Γιώργος Τσικαλουδάκης
Άβαταρ μέλους
cretanman
Διαχειριστής
Δημοσιεύσεις: 4128
Εγγραφή: Πέμ Δεκ 18, 2008 12:35 pm
Τοποθεσία: Ηράκλειο Κρήτης
Επικοινωνία:

Re: Πιθανό 4ο Θεμα

#2

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από cretanman »

Να καλωσορίσω κι εγώ τον πατριώτη της διασποράς κ. Τσικαλουδάκη τον οποίο γνωρίζω μόνο από τα βιβλία του και τα άρθρα του στον Ευκλείδη.

Καταρχήν το πεδίο ορισμού της συνάρτησης G(x) είναι το [0,+\infty). Επίσης f'(x)=\displaystyle\frac{e^x(x-1)}{x^2} άρα f'(1)=0.

Επίσης η συνάρτηση G γράφεται G(x)= \left\{ 
  \begin{array}{ll} 
    x\displaystyle\int_1^x f(t)dt, & 0<x<1;} \\ 
    0, & x=0 ;} \\ 
    e^x(x-1), & x\geq 1.} 
  \end{array} 
\right.

α) Η G είναι συνεχής στο (0,1) και στο (1,+\infty). Είναι πολύ εύκολο να δούμε ότι
\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}}G(x)=\lim_{x\to 1^{+}}G(x)=0=G(1). Επιπλέον ισχύει (όχι τετριμμένη απόδειξη) ότι \displaystyle\lim_{x\to 0}G(x)=0=G(0) (κοιτάξτε τη δημοσίευση του Χρήστου παρακάτω) και άρα η συνάρτηση G είναι συνεχής στο [0,+\infty).

β) Εύκολα βλέπουμε (βλέπε παρακάτω) ότι η συνάρτηση G' είναι γνησίως αύξουσα και συνεχής στο (0,+\infty) με \displaystyle\lim_{x\to 0^{+}}\frac{G(x)-G(0)}{x}=\lim_{x\to 0}F(x)=\lim_{x\to 0}\int_1^0\displaystyle\frac{e^t}{t} dt <0 και G'(1)=e>0 άρα από το θεώρημα Bolzano υπάρχει κάποια ρίζα - έστω x_0 - (και μοναδική λόγω μονοτονίας) της G' στο \left(0,1\right) άρα πριν το x_0 η G' είναι αρνητική και μετά το x_0 είναι θετική. Συνεπώς το x_0 είναι η θέση του ολικού ελαχίστου της συνάρτησης G.

γ) Είναι εύκολο να δούμε εφαρμόζοντας τον κανόνα L' Hospital ότι \displaystyle\lim_{x\to 1^{-}}\frac{G(x)-G(1)}{x-1}=\lim_{x\to 1^{+}}\frac{G(x)-G(1)}{x-1}=e

και ότι για κάθε x\in(0,1) έχουμε G'(x)=\displaystyle\int_1^x f(t)dt+e^x καθώς επίσης και ότι για κάθε x στο (1,+\infty) ισχύει ότι G'(x)=xe^x.

Άρα τελικά στο (0,+\infty) έχουμε G'(x)=\left\{ 
  \begin{array}{ll} 
    \displaystyle\int_1^x f(t)dt+e^x, & 0<x<1 \\ 
    xe^x, & x\geq 1.} 
  \end{array} 
\right.

οπότε είναι φανερό ότι η συνάρτηση G'(x) είναι συνεχής στο (0,+\infty) ως συνεχής στα υποδιαστήματα (0,1), (1,+\infty) και ως συνεχής στο 1.

Επίσης για κάθε x στο (0,1) ισχύει G''(x)=f(x)+e^x>0.
Για κάθε x στο (1,+\infty) ισχύει G''(x)=e^x(x+1) >0.

Με εφαρμογή του κανόνα l' Hospital ισχύει:

\displaystyle\lim_{x\to 1^{-}}\frac{G'(x)-G'(1)}{x-1}=\lim_{x\to 1^{+}}\frac{G'(x)-G'(1)}{x-1}=2e >0 οπότε G''(1)=2e.

Άρα η συνάρτηση G''(x) είναι φανερό ότι είναι είναι συνεχής στο σημείο x=1 καθώς επίσης και στα διαστήματα (0,1) και (1,+\infty) οπότε η G''(x) είναι συνεχής στο (0,+\infty).

Επίσης η συνάρτηση G'(x) είναι παραγωγίσιμη στο (0,+infty) με G''(x) > 0 άρα η G' είναι γνησίως αύξουσα στο [0,+\infty) οπότε η G είναι κυρτή στο [0,+\infty).

δ) Η G ως κυρτή συνάρτηση είναι φανερό ότι βρίσκεται πάντοτε πάνω από την εφαπτομένη της στο σημείο x=1 με εξίσωση y-G(1)=G'(1)(x-1) δηλαδή από την y=e(x-1).

Άρα G(x)\geq e(x-1) για κάθε x\in[0,+\infty).

Αλέξανδρος

EDIT: Διόρθωσα το (β) ερώτημα μετά τις παρατηρήσεις των Δημήτρη (Dimitris X) και Χρήστου Καρδάση τους οποίους ευχαριστώ.
Αλέξανδρος Συγκελάκης
Spribo
Δημοσιεύσεις: 23
Εγγραφή: Σάβ Ιαν 23, 2010 2:10 pm

Re: Πιθανό 4ο Θεμα

#3

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από Spribo »

Μία ερώτηση για το α):
Μπορούμε να δικαιολογήσουμε ότι \lim_{x \rightarrow 0}G(x)=0 ως κάτωθι;
\int^{x}_{1}f(t)dt=f(j)(x-1), x<1, j \in (0,1) από το Θ.Μ.Τ του ολοκληρωτικού λογισμού.
Οπότε \lim_{x \rightarrow 0}G(x)=\lim_{x \rightarrow 0}xf(j)(x-1)=0.
Εάν η σκέψη μου είναι σωστή, υπάρχει κι άλλος τρόπος για τον υπολογισμό του ορίου αυτού;
Άβαταρ μέλους
chris_gatos
Επιμελητής
Δημοσιεύσεις: 6970
Εγγραφή: Κυρ Δεκ 21, 2008 9:03 pm
Τοποθεσία: Ανθούπολη

Re: Πιθανό 4ο Θεμα

#4

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από chris_gatos »

Νομίζω πως δεν είναι και τόσο απλό, μιας και το j που θέτεις εξαρτάται και αυτό απο το χ, οπότε η κατάσταση περιπλέκεται...
Αν η f(j(x)) έχει όριο για χ->0 ή είναι φραγμένη καλώς. Αλλιώς, μύλος!
Χρήστος Κυριαζής
Άβαταρ μέλους
cretanman
Διαχειριστής
Δημοσιεύσεις: 4128
Εγγραφή: Πέμ Δεκ 18, 2008 12:35 pm
Τοποθεσία: Ηράκλειο Κρήτης
Επικοινωνία:

Re: Πιθανό 4ο Θεμα

#5

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από cretanman »

Spribo έγραψε:υπάρχει κι άλλος τρόπος για τον υπολογισμό του ορίου αυτού;
Κοίτα τον τρόπο του Χρήστου παρακάτω.

Αλέξανδρος
Αλέξανδρος Συγκελάκης
Άβαταρ μέλους
chris_gatos
Επιμελητής
Δημοσιεύσεις: 6970
Εγγραφή: Κυρ Δεκ 21, 2008 9:03 pm
Τοποθεσία: Ανθούπολη

Re: Πιθανό 4ο Θεμα

#6

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από chris_gatos »

Tόσην ώρα το κοιτάζω, το κοιτάζω και όσο περνούν τα λεπτά, κλονίζεται η..πίστη μου.

Είμαστε σίγουροι πως το όριο της F υπάρχει και είναι πραγματικός;

Χμμ....

Για να δούμε:

Γνωρίζω πως:

\displaystyle{ 
e^t  \ge t + 1 
}
για κάθε t πραγματικό.

Διαιρώντας με t>0 έχω:

\displaystyle{ 
\frac{{e^t }}{t} \ge 1 + \frac{1}{t} 
}

Ολοκληρώνοντας:

\displaystyle{ 
\int\limits_x^1 {\frac{{e^t }}{t}dt \ge \int\limits_x^1 {\left( {1 + \frac{1}{t}} \right)dt} }  \Rightarrow \int\limits_1^x {\frac{{e^t }}{t}dt \le \int\limits_1^x {\left( {1 + \frac{1}{t}} \right)dt} }  \Rightarrow \int\limits_1^x {\frac{{e^t }}{t}dt}  \le x + \ln x - 1 
}


Όταν το χ->0+ έχω πως:

\displaystyle{ 
\mathop {\lim }\limits_{x \to 0 + } (x + \ln x - 1) =  - \infty  
}
Αρα και (εκτός ύλης, μη βαράτε! το κάνω για εξοικονόμηση χρόνου)

\displaystyle{ 
\mathop {\lim }\limits_{x \to 0 + } \left( {\int\limits_1^x {\frac{{e^t }}{t}dt} } \right) =  - \infty  
}

Αρα δε μπορώ να το υπολογίσω με τετριμμένο τρόπο, γιατί είναι 0(-00).

Τι κάνω;

Del Hospital...

\displaystyle{ 
\mathop {\lim }\limits_{x \to 0 + } \left( {x\int\limits_1^x {\frac{{e^t }}{t}dt} } \right) = \mathop {\lim }\limits_{x \to 0 + } (\frac{{\int\limits_1^x {\frac{{e^t }}{t}dt} }}{{\frac{1}{x}}})\mathop  = \limits^{D - L - H} ... = \mathop {\lim }\limits_{x \to 0 + } ( - xe^x ) = 0 
}

Και έτσι προκύπτει η συνέχεια στο 0.
Χρήστος Κυριαζής
Άβαταρ μέλους
cretanman
Διαχειριστής
Δημοσιεύσεις: 4128
Εγγραφή: Πέμ Δεκ 18, 2008 12:35 pm
Τοποθεσία: Ηράκλειο Κρήτης
Επικοινωνία:

Re: Πιθανό 4ο Θεμα

#7

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από cretanman »

Προφανώς ο Χρήστος έχει δίκιο και διορθώνω την απάντηση παραπάνω... Δυστυχώς δεν πρόσεξα ότι η συνάρτηση f(t) μέσα στο ολοκλήρωμα έχει πρόβλημα στο σημείο t=0 κι έτσι έγραψα ότι η συνάρτηση F είναι συνεχής (που δεν είναι όπως έδειξε ο Χρήστος παραπάνω).

Αλέξανδρος
Αλέξανδρος Συγκελάκης
Spribo
Δημοσιεύσεις: 23
Εγγραφή: Σάβ Ιαν 23, 2010 2:10 pm

Re: Πιθανό 4ο Θεμα

#8

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από Spribo »

Θα μπορούσαμε να αποδείξουμε ότι \lim_{x \rightarrow 0}\int^{x}_{1}f(t)dt=-\infty μέσω του διαγράμματος της f(t)= \frac{e^t}{t}; Εννοώ με μελέτη ως προς τα κοίλα και τη μονοτονία και τις ασύμπτωτες να σχεδιάσουμε τη γραφική της παράσταση, κι έπειτα να εκμεταλλευτούμε τη γεωμετρική ερμηνεία του άνω ολοκληρώματος...
Στο συνημμένο, το γραμμοσκιασμένο εμβαδόν, που είναι αντίθετο του άνω ολοκληρώματος, τείνει στο +οο καθώς το χ τείνει στο 0...
Συνημμένα
Διάγραμμα.png
Διάγραμμα.png (24.85 KiB) Προβλήθηκε 1315 φορές
Άβαταρ μέλους
mathxl
Δημοσιεύσεις: 6736
Εγγραφή: Τρί Δεκ 23, 2008 3:49 pm
Τοποθεσία: Σιδηρόκαστρο
Επικοινωνία:

Re: Πιθανό 4ο Θεμα

#9

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από mathxl »

Μία άλλη λύση μόνο για το όριο (σαν ξεχωριστή άσκηση )
Για 0 < χ < 1
Είναι
\displaystyle{x \le t \le 1 \Rightarrow {e^x} \le {e^t} \le e \Rightarrow \frac{{{e^x}}}{t} \le \frac{{{e^t}}}{t} \le \frac{e}{t} \Rightarrow  - {e^x}\ln x \le \int\limits_x^1 {\frac{{{e^t}}}{t}dt}  \le  - e\ln x}
\displaystyle{ \Rightarrow e\ln x \le \int\limits_1^x {\frac{{{e^t}}}{t}dt}  \le {e^x}\ln x \Rightarrow e\left( {x\ln x} \right) \le x\int\limits_1^x {\frac{{{e^t}}}{t}dt}  \le {e^x}\left( {x\ln x} \right)}
εύκολα με τυροπιτάλ \displaystyle{x\ln x\mathop  \to \limits^{x \to {0^ + }} 0}
άρα από ΚΠ το ζητούμενο όριο είναι 0
Ποτε δεν κάνω λάθος! Μια φορά νομιζα πως είχα κάνει, αλλά τελικά έκανα λάθος!
Απ' τα τσακάλια δεν γλυτώνεις μ' ευχές η παρακάλια. Κ. Βάρναλης
Aπέναντι στις αξίες σου να είσαι ανυποχώρητος

Ενεργό μέλος από 23-12-2008 ως και 17-8-2014 (δεν θα απαντήσω σε πμ)
Spribo
Δημοσιεύσεις: 23
Εγγραφή: Σάβ Ιαν 23, 2010 2:10 pm

Re: Πιθανό 4ο Θεμα

#10

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από Spribo »

Αυτό που πρότεινα με το εμβαδόν είναι σωστό;
G.Tsikaloudakis
Δημοσιεύσεις: 410
Εγγραφή: Σάβ Μαρ 20, 2010 8:42 pm
Τοποθεσία: ΚΑΛΛΙΘΕΑ -ΑΘΗΝΑ
Επικοινωνία:

Re: Πιθανό 4ο Θεμα

#11

Μη αναγνωσμένη δημοσίευση από G.Tsikaloudakis »

Καλησπέρα.
Όχι φίλε Sprido(;), δεν είναι σωστό, γιατί π.χ.:\displaystyle{ 
\mathop {\lim }\limits_{x \to 0^ +  } \left( {\ln x} \right) =  - \infty  
}
Όμως:

\displaystyle{ 
\begin{array}{l} 
 \mathop {\lim }\limits_{x \to 0^ +  } \int_1^x {\ln tdt = } \mathop {\lim }\limits_{x \to 0^ +  } \mathop {\left[ {t\ln t - t} \right]}\nolimits_1^x  =  \\  
  = \mathop {\lim }\limits_{x \to 0^ +  } \left( {x\ln x - x + 1} \right) = 1 \\  
 \end{array} 
}
Γιώργος Τσικαλουδάκης
Απάντηση

Επιστροφή στο “ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΕ ΟΛΗ ΤΗΝ ΥΛΗ Γ'”

Μέλη σε σύνδεση

Μέλη σε αυτήν τη Δ. Συζήτηση: Δεν υπάρχουν εγγεγραμμένα μέλη και 1 επισκέπτης