לדלג לתוכן

קמירות וקעירות - תרגילים עם פתרונות (אינפי 1)

מתוך Math-Wiki
חדו"א 1 › תרגילי הכנה למבחן › קמירות וקעירות
בקצרה: 9 תרגילי הכנה למבחן בחדו"א 1 (אינפי 1) בנושא פונקציות קמורות וקעורות והנגזרת השנייה, רובם בסגנון "הוכח או הפרך", ולכל תרגיל פתרון מלא. התרגילים לקוחים מאוסף תרגילי ההכנה למבחן של ארז שיינר. נסו לפתור לבד, ורק אחר כך פתחו את הפתרון.

הופריכו = הוכיחו או הפריכו: קבעו אם הטענה נכונה, ואז הוכיחו אותה או תנו דוגמה נגדית. מספרי התרגילים הם כמו בקובץ ה-PDF של האוסף.

חומר עיוני: אינפי 1/פונקציות קמורות וקעורות

תרגיל 40: פונקציה קעורה: גבול באינסוף

תהי [math]\displaystyle{ f(x) }[/math] המקיימת [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( 0 \right)=1 }[/math], יהי [math]\displaystyle{ m>1 }[/math] וכן לכל [math]\displaystyle{ x\in \mathbb{R} }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ {f}^{''}\left( x \right)\le 0 }[/math]. חשבו את [math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{\left( f\left( x \right)-mx \right)} }[/math].

פתרון –

כיוון ש [math]\displaystyle{ {f}^{''}\le 0 }[/math] הנגזרת הראשונה מונוטונית יורדת.

לכן לכל [math]\displaystyle{ x\ge 0 }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( x \right)\le 1 }[/math]

נעביר אגף [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( x \right)-1\le 0 }[/math], ונביט בפונקציה הקדומה

[math]\displaystyle{ h\left( x \right)=f\left( x \right)-x }[/math]

כלומר ראינו כי [math]\displaystyle{ {h}^{'}\left( x \right)\le 0 }[/math] לכל [math]\displaystyle{ x\ge 0 }[/math] ולכן הפונקציה יורדת בתחום ולכל [math]\displaystyle{ x\ge 0 }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ h\left( x \right)\le h(0) }[/math].

במילים אחרות, לכל [math]\displaystyle{ x\ge 0 }[/math]

[math]\displaystyle{ f\left( x \right)-x\le f\left( 0 \right)-0 }[/math]
[math]\displaystyle{ f\left( x \right)\le x+f\left( 0 \right) }[/math]

נחזור לשאלה,

[math]\displaystyle{ f\left( x \right)-mx\le x+f\left( 0 \right)-mx }[/math]
[math]\displaystyle{ =\left( 1-m \right)x+f\left( 0 \right)\to-\infty }[/math]

הגבול הוא מינוס אינסוף כיוון ש [math]\displaystyle{ 1-m<0 }[/math]

ולכן לפי חצי סנדוויץ'

[math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{f\left( x \right)-mx}=-\infty }[/math]

תרגיל 47: קעורה וחיובית עם גבול 1

תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] המקיימת [math]\displaystyle{ f\left( x \right)>0 }[/math] וכן [math]\displaystyle{ {f}^{''}\left( x \right)<0 }[/math] לכל [math]\displaystyle{ 0<x\in \mathbb{R} }[/math]. הופריכו: בהכרח לא מתקיים כי [math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{f(x)}=1 }[/math].

הפרכה: עלינו למצוא פונקציה חיובית ובוכה בעלת אסימפטוטה אופקית [math]\displaystyle{ y=1 }[/math] מימין.

[math]\displaystyle{ f\left( x \right)=\frac{1}{\pi}\arctan {\left( x \right)}+\frac{1}{2} }[/math]

קל לוודא שהיא מקיימת את כל הדרוש.

תרגיל 48: קעורה וחיובית על כל הישר

הופריכו: קיימת פונקציה [math]\displaystyle{ f }[/math] המקיימת [math]\displaystyle{ f\left( x \right)>0 }[/math] וכן [math]\displaystyle{ {f}^{''}\left( x \right)<0 }[/math] לכל [math]\displaystyle{ x\in \mathbb{R} }[/math].

הפרכה: נב"ש כי קיימת פונקציה כזו. כיוון שהנגזרת השנייה שלילית, הנגזרת הראשונה יורדת.

ראשית, נניח כי קיימת נקודה [math]\displaystyle{ a }[/math] בה [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( a \right)<0 }[/math].

כיוון שהפונקציה יורדת מתקיים כי לכל [math]\displaystyle{ x\ge a }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( x \right)\le {f}^{'}\left( a \right) }[/math].

נעביר אגף ונביט בפונקציה הקדומה

[math]\displaystyle{ h\left( x \right)=f\left( x \right)-{f}^{'}\left( a \right)x }[/math]

מהנתונים נובע כי

[math]\displaystyle{ {h}^{'}\left( x \right) }[/math]
[math]\displaystyle{ ={f}^{'}\left( x \right)-{f}^{'}\left( a \right)\le 0 }[/math]

ולכן [math]\displaystyle{ h(x) }[/math] יורדת ולכל [math]\displaystyle{ x\ge a }[/math] מתקיים כי

[math]\displaystyle{ h\left( x \right)\le h\left( a \right) }[/math]

כלומר

[math]\displaystyle{ f\left( x \right)-{f}^{'}\left( a \right)x\le f\left( a \right)-{f}^{'}\left( a \right)a }[/math]

ולכן לכל [math]\displaystyle{ x\ge a }[/math]

[math]\displaystyle{ f\left( x \right)\le {f}^{'}\left( a \right)x+f\left( a \right)-{f}^{'}\left( a \right)a }[/math]

כיוון ש [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( a \right)<0 }[/math] הצד הימני שואף למינוס אינסוף כאשר [math]\displaystyle{ x\to \infty }[/math] ולכן לפי חצי סנדוויץ' גם [math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{f(x)}=-\infty }[/math] בסתירה לכך שהפונקציה חיובית בכל הממשיים.

כעת, נניח כי קיימת נקודה [math]\displaystyle{ a }[/math] עבורה [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( a \right)>0 }[/math].

כיוון ש[math]\displaystyle{ f' }[/math] יורדת, נובע כי לכל [math]\displaystyle{ x\le a }[/math] מתקיים [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( x \right)\ge f'(a) }[/math].

נעביר אגף ונביט בפונקציה הקדומה

[math]\displaystyle{ h\left( x \right)=f\left( x \right)-{f}^{'}\left( a \right)x }[/math]

לכל [math]\displaystyle{ x\le a }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ {h}^{'}\left( x \right)\ge 0 }[/math]

לכן לכל [math]\displaystyle{ x\le a }[/math] מתקיים כי

[math]\displaystyle{ h\left( x \right)\le h\left( a \right) }[/math]

כלומר

[math]\displaystyle{ f\left( x \right)-{f}^{'}\left( a \right)x\le f\left( a \right)-{f}^{'}\left( a \right)a }[/math]

ומכאן לכל [math]\displaystyle{ x\le a }[/math] מתקיים

[math]\displaystyle{ f\left( x \right)\le {f}^{'}\left( a \right)x+f\left( a \right)-{f}^{'}\left( a \right)a }[/math]

כיוון ש [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( a \right)>0 }[/math] נובע כי

[math]\displaystyle{ \lim_{x\to-\infty}{{f}^{'}\left( a \right)x+f\left( a \right)-{f}^{'}\left( a \right)a} }[/math]
[math]\displaystyle{ =-\infty }[/math]

ולכן לפי חצי סנדוויץ' נובע כי [math]\displaystyle{ \lim_{x\to-\infty}{f(x)}=-\infty }[/math]בסתירה לכך שהפונקציה חיובית בכל הממשיים.

לבסוף, נותרנו עם המצב לפיו הנגזרת קבועה אפס, ומכאן גם הנגזרת השנייה קבועה אפס בסתירה.

תרגיל 49: קעורה וחיובית עם גבול 0

תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] המקיימת [math]\displaystyle{ f\left( x \right)>0 }[/math] וכן [math]\displaystyle{ {f}^{''}\left( x \right)<0 }[/math] לכל [math]\displaystyle{ 0<x\in \mathbb{R} }[/math]. הופריכו: בהכרח לא מתקיים כי [math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{f(x)}=0 }[/math].

הוכחה: מדובר בפונקציה חיובית ובוכה, נוכיח שלא ייתכן שהיא יורדת לכיוון אסימפטוטה אופקית [math]\displaystyle{ y=0 }[/math] מימין, אלא בתנאי השאלה נוכיח שהפונקציה חייבת לעלות (אחרת מתישהו היא תחתוך את ציר איקס).

נב"ש כי קיימת נקודה [math]\displaystyle{ a }[/math] בה [math]\displaystyle{ m={f}^{'}\left( a \right)<0 }[/math].

כיוון ש[math]\displaystyle{ {f}^{''}<0 }[/math] נובע כי הנגזרת הראשונה יורדת ולכן לכל [math]\displaystyle{ x\ge a }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( x \right)\le m }[/math].

נעביר אגף [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( x \right)-m\le 0 }[/math] ונביט בפונקציה הקדומה

[math]\displaystyle{ h\left( x \right)=f\left( x \right)-mx }[/math]

כלומר [math]\displaystyle{ h }[/math] יורדת בתחום [math]\displaystyle{ [a,\infty) }[/math] ולכן לכל [math]\displaystyle{ x\ge a }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ h\left( x \right)\le h(a) }[/math]

ובמילים אחרות לכל [math]\displaystyle{ x\ge a }[/math]

[math]\displaystyle{ f\left( x \right)-mx\le f\left( a \right)-ma }[/math]
[math]\displaystyle{ f\left( x \right)\le mx+f\left( a \right)-ma }[/math]

כיוון שמימין יש לנו ישר עם שיפוע שלילי, הוא שואף למינוס אינסוף:

[math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{mx+f\left( a \right)-ma}=-\infty }[/math]

ולכן לפי חצי סנדוויץ' גם

[math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{f(x)}=-\infty }[/math]

בסתירה לכך שמדובר בפונקציה חיובית.

לכן סה"כ הפונקציה עולה בתחום, ולכן הגבול שלה באינסוף גדול או שווה מכל ערך שהיא מקבלת.

כיוון ש[math]\displaystyle{ f\left( x \right)>0 }[/math] בכל נקודה, נציב נקודה כלשהי ונקבל שהגבול באינסוף חייב להיות גדול או שווה לערך בנקודה זו, ולכן בפרט הגבול לא יכול להיות אפס.

תרגיל 50: קעורה עם גבול אינסופי באפס

תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] המקיימת [math]\displaystyle{ {f}^{''}\left( x \right)<0 }[/math] לכל [math]\displaystyle{ x\in (0,1) }[/math], הופריכו: בהכרח לא מתקיים כי [math]\displaystyle{ \lim_{x\to {0}^{+}}{f(x)}=\infty }[/math].

הוכחה: למעשה בשאלה זו נראה כי לא ייתכן שלפונקציה יש אסימפטוטה אנכית בתחום בו היא בוכה.

תהי [math]\displaystyle{ a\in (0,1) }[/math] נקודה כלשהי בקטע.

כיוון ש [math]\displaystyle{ {f}^{''}<0 }[/math] הנגזרת הראשונה יורדת, ולכן לכל [math]\displaystyle{ 0<x<a }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( x \right)>f'(a) }[/math].

נעביר אגף [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( x \right)-{f}^{'}\left( a \right)>0 }[/math] ונבנה את הפונקציה הקדומה

[math]\displaystyle{ h\left( x \right)=f\left( x \right)-{f}^{'}\left( a \right)x }[/math]

כלומר ראינו כי [math]\displaystyle{ {h}^{'}>0 }[/math] בקטע [math]\displaystyle{ (0,a) }[/math] ולכן [math]\displaystyle{ h }[/math] עולה ולכן לכל [math]\displaystyle{ 0<x<a }[/math] מתקיים כי

[math]\displaystyle{ h\left( x \right)<h\left( a \right) }[/math]

כלומר

[math]\displaystyle{ f\left( x \right)-{f}^{'}\left( a \right)x<f\left( a \right)-{f}^{'}\left( a \right)a }[/math]

ולכן

[math]\displaystyle{ f\left( x \right)<{f}^{'}\left( a \right)x+f\left( a \right)-{f}^{'}\left( a \right)a }[/math]

הביטוי מימין הוא ישר וגבולו באפס הוא גובה החיתוך עם ציר הy:

[math]\displaystyle{ \lim_{x\to {0}^{+}}{{f}^{'}\left( a \right)x+f\left( a \right)-{f}^{'}\left( a \right)a} }[/math]
[math]\displaystyle{ =f\left( a \right)-{f}^{'}\left( a \right)a }[/math]

ולכן אם הגבול של הפונקציה קיים הוא מקיים:

[math]\displaystyle{ \lim_{x\to {0}^{+}}{f(x)}\le f\left( a \right)-{f}^{'}\left( a \right)a }[/math]

ולכן הגבול אינו יכול להיות אינסוף.

תרגיל 51: קעורה ששואפת לאינסוף

תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] המקיימת [math]\displaystyle{ {f}^{''}\left( x \right)<0 }[/math] לכל [math]\displaystyle{ x\in (1,\infty) }[/math], הופריכו: בהכרח לא מתקיים כי [math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{f(x)}=\infty }[/math].

הפרכה: פונקציה וודאי יכולה להיות בוכה ולשאוף לאינסוף. דוגמאות - [math]\displaystyle{ \sqrt{x},\ln (x) }[/math].

תרגיל 52: קעורה ויורדת

תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] המקיימת [math]\displaystyle{ {f}^{''}\left( x \right)<0 }[/math] וכן [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( x \right)<0 }[/math] לכל [math]\displaystyle{ x>0 }[/math]. הופריכו: בהכרח לא מתקיים כי [math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{f(x)}=-\infty }[/math].

הפרכה: פונקציה יכולה לבכות ולרדת למינוס אינסוף בקלות, למשל [math]\displaystyle{ -{e}^{x} }[/math].

תרגיל 55: פונקציה קמורה: גבול באינסוף

תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] כך ש [math]\displaystyle{ {f}^{''}\left( x \right)>0 }[/math] לכל [math]\displaystyle{ x\in \mathbb{R} }[/math], הופריכו: [math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{f(x)}=\infty }[/math].

הפרכה: בעצם שואלים אותנו אם פונקציה מחייכת חייבת לשאוף לאינסוף. זה הגיוני, אם אנחנו טועים לחשוב שהיא חייבת להיות עולה.

הפונקציה [math]\displaystyle{ {e}^{-x} }[/math] יורדת לאפס ומחייכת.

תרגיל 56: נגזרת עולה וחיובית: גבול באינסוף

תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] בעלת נגזרת מונוטונית עולה כך ש [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( x \right)>0 }[/math] לכל [math]\displaystyle{ x\in \mathbb{R} }[/math], הופריכו: [math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{f(x)}=\infty }[/math].

הוכחה: הפעם בעצם הפונקציה מחייכת (כי הנגזרת עולה) ועולה (כי הנגזרת חיובית) והגבול הוא אכן אינסוף כמו שציפינו בתרגיל קודם.

נציב נקודה כלשהי, למשל [math]\displaystyle{ x=0 }[/math] ונסמן

[math]\displaystyle{ m={f}^{'}\left( 0 \right)>0 }[/math]

כיוון שהנגזרת עולה, לכל [math]\displaystyle{ x\ge 0 }[/math] מתקיים כי

[math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( x \right)\ge {f}^{'}\left( 0 \right)=m }[/math]

נעביר אגף [math]\displaystyle{ {f}^{'}\left( x \right)-m\ge 0 }[/math] ונבנה את הפונקציה הקדומה

[math]\displaystyle{ h\left( x \right)=f\left( x \right)-mx }[/math]

כיוון שנגזרתה של [math]\displaystyle{ h }[/math] אי שלילית, הפונקציה [math]\displaystyle{ h }[/math] עולה, לכל [math]\displaystyle{ x\ge 0 }[/math]. ולכן לכל [math]\displaystyle{ x\ge 0 }[/math] מתקיים כי

[math]\displaystyle{ h\left( x \right)\ge h\left( 0 \right) }[/math]

כלומר

[math]\displaystyle{ f\left( x \right)-mx\ge f\left( 0 \right)-m\cdot 0 }[/math]

ולכן

[math]\displaystyle{ f\left( x \right)\ge mx+f(0) }[/math]

כיוון ש [math]\displaystyle{ m>0 }[/math] נובע כי [math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{mx+f(0)}=\infty }[/math] ולכן לפי חצי סנדוויץ':

[math]\displaystyle{ \lim_{x\to \infty}{f\left( x \right)}=\infty }[/math]

כפי שרצינו.

תרגילים בנושאים נוספים