Zadanie 5.3.4

 Polecenie

Uzasadnij, że podane równania mają jednoznaczne rozwiązania na wskazanych zbiorach.
Wyznacz rozwiązania równań z dokładnością do \(0,1.\)

 Wskazówki

Twierdzenie Darboux

Jeżeli funkcja \(f\) jest ciągła na odcinku \(\left \langle a;b \right \rangle\) oraz \(f(a)\cdot f(b) \lt 0,\) wówczas istnieje co najmniej jeden punkt \(c\in \left \langle a;b \right \rangle\) taki, że \(f(c)=0.\)
rysunek_5.3.4.1

 Równanie 1

\(x^{2}=e^{x}\) na odcinku \(\left \langle -1,0 \right \rangle\)

 Rozwiązanie

Aby udowodnić istnienie rozwiązania równania \(x^{2}=e^{x}\) na odcinku \(\left \langle -1,0 \right \rangle\) wystarczy zapisać podane równanie w postaci \(f(x)=0\) oraz udowodnić, że \(f(-1)\cdot f(0) \lt 0.\)
Przekształcamy równanie:
\[x^{2}-e^{x}=0\\
f(x)=x^{2}-e^{x}.\]
Liczymy wartości funkcji \(f\) na końcach przedziału:
\[ \begin{array}{l}
f(-1)=1-e^{-1}=1-\displaystyle\frac{1}{e}\gt 0\\
f(0)=0-e^{0}=0-1=-1 \lt 0
\end{array}\]
Zatem \(f(-1)\cdot f(0) \lt 0.\)
Aby wyznaczyć wartość argumentu, który jest rozwiązaniem danego równania, należy działać zgodnie z poniższym algorytmem.
ALGORYTM
Aby zgodnie z założeniem twierdzenia Darboux \(f(a)\cdot f(b) \lt 0\) , wówczas muszą być spełnione założenia: \( 1^{o}. \ f(a)\gt 0 \wedge f(b) \lt 0\) lub \( 2^{o}. \ f(a)\lt 0 \wedge f(b) \gt 0.\)

Rozpatrzmy pierwszy przypadek, czyli \(f(a)\gt 0 \wedge f(b) \lt 0.\)
  1. Dzielimy odcinek \(\left \langle a,b\right \rangle\) na dwie równe części argumentem \(r.\)
    rysunek_5.3.4.3
  2. Liczymy wartość funkcji \(f(x)\) w punkcie \(r,\) czyli \(f(r).\) Funkcja \(f\) to funkcja powstała na skutek przekształcenia równania wyjściowego do postaci \(f(x)=0.\)
  3. Jeżeli \(f(r)\lt 0,\) to w następnym kroku dzielimy odcinek \(\left \langle a,r\right \rangle\) na dwie równe części argumentem \(r_{1}\) i liczymy \(f(r_{1}).\)
    rysunek_5.3.4.4
  4. Jeżeli \(f(r)\gt 0,\) to w następnym kroku dzielimy odcinek \(\left \langle r,b\right \rangle\) na dwie równe części argumentem \(r_{2}\) i liczymy \(f(r_{2}).\)
    rysunek_5.3.4.5
  5. Z otrzymanym odcinkiem postępujemy podobnie aż do otrzymania żądanego przybliżenia rozwiązania równania \(f(x)=0.\)

Uwaga!
Analogicznie działamy, gdy \(\ f(a)\lt 0 \wedge f(b) \gt 0.\)
Równanie ma postać \(x^{2}-e^{x}=0.\)
Licząc wartości funkcji \(f\) na końcach przedziału \(\left \langle -1,0 \right \rangle\) dostaniemy \(1^{o}\) przypadek, gdzie \(f(a) \gt 0\) oraz \(f(b)\lt 0.\)

Dzielimy powyższy odcinek na dwie równe części argumentem \(-\displaystyle\frac{1}{2}\) i liczymy wartość funkcji \(f(-\displaystyle\frac{1}{2}).\)
rysunek_5.3.4.6

\[f(-\frac{1}{2})=\frac{1}{4}-e^{-\Large{\frac{1}{2}}}=\frac{1}{4}-\frac{1}{\sqrt{e}} \lt 0\]
Ponieważ \(f(-1)=1-e^{-1}=1-\displaystyle\frac{1}{e}\gt 0\) więc mamy różne znaki wartości funkcji na końcach przedziału.
Bierzemy teraz pod uwagę odcinek \(\left \langle -1,-\displaystyle\frac{1}{2} \right \rangle.\) Dzielimy go na dwie równe części argumentem \(-\displaystyle\frac{3}{4}.\) 
rysunek_5.3.4.7

Liczymy wartości funkcji dla argumentu \(-\displaystyle\frac{3}{4}.\)
\[f(-\frac{3}{4})=\frac{9}{16}-e^{-\Large{\frac{3}{4}}}=\frac{9}{16}-\frac{1}{\sqrt[3]{e^{4}}}\approx 0,56-0,47 \gt 0\]
Ponieważ \(f(-1)=1-e^{-1}=1-\displaystyle\frac{1}{e}\gt 0,\) zatem bierzemy pod uwagę odcinek \(\left \langle -\displaystyle\frac{3}{4}, -\displaystyle\frac{1}{2} \right \rangle.\)
rysunek_5.3.4.8

Dzielimy go na dwie równe części argumentem \(-\displaystyle\frac{5}{8}\)   \(\left \langle -\displaystyle\frac{3}{4},-\displaystyle\frac{1}{2} \right \rangle= \left \langle -\displaystyle\frac{3}{4},-\displaystyle\frac{2}{4} \right \rangle= \left \langle -\displaystyle\frac{6}{8},-\displaystyle\frac{4}{8} \right \rangle\) .
I znów liczymy wartość funkcji \(f\) dla argumentu \(-\displaystyle\frac{5}{8}.\)
\[f(-\frac{5}{8})=\frac{25}{64}-e^{-\Large{\frac{5}{8}}}\approx 0,39-0,54  \lt 0.\]
A ponieważ
\[f(-\frac{6}{8})=f(-\frac{3}{4})=\frac{9}{16}-e^{-\Large{\frac{3}{4}}}=\frac{9}{16}-\frac{1}{\sqrt[3]{e^{4}}}\approx 0,56-0,47  \gt 0,\]
zatem bierzemy pod uwagę przedział \(\left \langle -\displaystyle\frac{6}{8},-\displaystyle\frac{5}{8} \right \rangle.\)
Ponieważ \(-\displaystyle\frac{6}{8}=0,75,\  -\displaystyle\frac{5}{8}=0,625,\) więc dzielimy podany przedział argumentem \(-\displaystyle\frac{7}{10}\)
(nie musimy koniecznie brać po uwagę połowę przedziału).
Liczymy wartość funkcji \(f\) dla argumentu \(-\displaystyle\frac{7}{10}.\)
\[f(-\frac{7}{10})=\frac{49}{100}-e^{-\Large{\frac{7}{10}}}=\approx 0,49-0,4965  \lt 0.\]
Ponieważ
\[f(-\frac{6}{8})=f(-\frac{3}{4})=\frac{9}{16}-e^{-\Large{\frac{3}{4}}}=\frac{9}{16}-\frac{1}{\sqrt[3]{e^{4}}}\approx 0,56-0,47  \gt 0,\]
zatem rozwiązanie naszego równania mieści się na pewno w przedziale \(\left \langle -\displaystyle\frac{6}{8},-\displaystyle\frac{7}{10} \right \rangle.\)

W taki sposób postępujemy aż do uzyskania interesującego nas przybliżenia.
W tej chwili możemy powiedzieć, że równanie \(x^{2}=e^{x}\) posiada rozwiązanie na odcinku \(\left \langle -\displaystyle\frac{6}{8},-\displaystyle\frac{7}{10} \right \rangle.\) Możemy podać przybliżenie rozwiązania równania do jednego miejsca po przecinku, a mianowicie \(x\approx -0,7.\)

Poniżej interpretacja graficzna rozwiązania równania.
rysunek_5.3.4.2

 Równanie 2

\(x^{3}-2x+5=0\)  na odcinku \(\left \langle -3,-2 \right \rangle\)

 Rozwiązanie

Na początku musimy zdefiniować  funkcję \(f(x).\) Zatem \[f(x)=x^{3}-2x+5.\] Liczymy wartości funkcji na końcach odcinka, by mieć pewność, że na tym odcinku funkcja \(f\) na pewno posiada pierwiastek (miejsce zerowe).
\[ \begin{array}{l}
f(-3)=(-3)^{3}-2(-3)+5=-27+6+5 \lt 0\\
f(-2)=(-2)^{3}-2(-2)+5=-8+4+5=1 \gt 0.
\end{array}\]
Ponieważ \(f(-3)\cdot f(-2) \lt 0,\) zatem funkcja \(f\) posiada na odcinku \(\left \langle -3,-2 \right \rangle\) miejsce zerowe.

Aby wyznaczyć to miejsce z dowolną dokładnością musimy zastosować opisany w pierwszym przykładzie algorytm.

 Równanie 3

\(x^{6}-x-3=0\) w przedziale \(\left \langle 1;2 \right \rangle\)

 Rozwiązanie

Na początku sprawdzamy, czy równanie \(x^{6}-x-3=0\) posiada rozwiązanie na odcinku \(\left \langle 1;2 \right \rangle.\)
Liczymy wartości funkcji \(f(x)=x^{6}-x-3\) na końcach odcinka.
\[\begin{array}{l}
f(1)=1-1-3 \lt 0\\
f(2)=2^{6}-2-3 \gt 0
\end{array}\]
Ponieważ wartości funkcji na końcach przedziału mają różne znaki, czyli spełniają założenie \(f(a)\cdot f(b) \lt 0,\) zatem istnieje rozwiązanie równania \(x^{6}-x-3=0\) na odcinku \(\left \langle 1;2 \right \rangle.\)

Do wyznaczenia rozwiązania zastosujemy w tym przykładzie inną metodę. Poniżej jej opis.
ALGORYTM
Drugą metodą wyznaczania rozwiązania równania na przedziale \(\left \langle a;b \right \rangle\) jest  podział tego odcinka na 10 równych części i liczenie wartości funkcji \(f\) w kolejnych punktach przedziału.
rysunek_5.3.4.16

W momencie kiedy spotkamy się ze zmianą znaku wartości funkcji, zawężamy przedział do występujących po sobie argumentów (dla których zmieniła się wartość funkcji)
rysunek_5.3.4.17

i kolejny podział na 10 równych części.
rysunek_5.3.4.18

Takie działanie powtarzamy do uzyskania żądanego przybliżenia pierwiastka równania.
Dzielimy odcinek \(\left \langle 1;2 \right \rangle\) na 10 równych części.
rysunek_5.3.4.19

Liczymy  \( f(1,1)=(1,1)^{6}-1,1-3 \lt 0\\ f(\color{#F57C00}{1,2})=(1,2)^{6}-1,2-3 \color{#F57C00}{\lt} 0\\ f(\color{#F57C00}{1,3})=(1,3)^{6}-1,3-3 \color{#F57C00}{\gt} 0\)  dla kolejnych argumentów z podziału.
Widać, że dla \(x=1,2\) oraz \(x=1,3\) wartości funkcji zmieniają znak na przeciwny. W przybliżeniu do części dziesiętnych rozwiązanie równania wynosi \(x\approx 1,2.\) (Można również przyjąć \(x\approx 1,3\).)
W kolejnym kroku pokażemy jak dokonać dokładniejszego przybliżenia rozwiązania równania, tj do części setnych. Dzielimy odcinek \(\left \langle 1,2;1,3 \right \rangle\) na dziesięć równych części
rysunek_5.3.4.20

i liczymy  \( f(1,21)\approx -1,07 \lt 0\\ f(1,22)\approx -0,92 \lt 0\\ f(1,23)\approx -0,77 \lt 0\\f(1,24)\approx -0,6 \lt 0\\f(1,25)\approx -0,44 \lt 0\\f(1,26)\approx -0,26 \lt 0\\f(\color{#F57C00}{1,27})\approx -0,07 \color{#F57C00}{\lt} 0\\ f(\color{#F57C00}{1,28})\approx 0,11 \color{#F57C00}{\gt} 0\)  dla kolejnych argumentów.
Widać, że funkcja zmienia znak dla \(x=1,27\) oraz \(x=1,28.\) Możemy już oszacować, że rozwiązanie równania wynosi w przybliżeniu \(x=1,27\) (można również przyjąć \(x=1,28\)).

Dla zainteresowanych wykres funkcji \(f\) wraz z odcinkiem \(\left \langle 1;2 \right \rangle.\)
rysunek_5.3.4.21

 Polecenie

Uzasadnij, że podane równania mają jednoznaczne rozwiązania na wskazanych zbiorach.
Wyznacz rozwiązania równań z dokładnością do \(0,01.\)

 Równanie 1

\(\sin(x+2)=x+1\) w przedziale \(\left \langle -\displaystyle\frac{\pi}{2};0 \right \rangle\)

 Odpowiedź

Rozwiązanie równania \(\sin(x+2)=x+1\) w przedziale \(\left \langle -\displaystyle\frac{\pi}{2};0 \right \rangle\) istnieje i jest w przybliżeniu równe \(x\approx -\displaystyle\frac{8\pi}{400}\approx -0,06.\)

 Rozwiązanie

\[\begin{array}{l}
f(x)=\sin(x+2)-x-1\\
\displaystyle{f(-\frac{\pi}{4})=\sin(-\frac{\pi}{4}+2)+\frac{\pi}{4}-1\approx 0,72 \gt 0}\\
f(0)=\sin(2)-1\approx -0,09 \lt 0
\end{array}\]
Skorzystamy z drugiej metody do wyznaczenia miejsca zerowego funkcji \(f.\)
Dzielimy odcinek \(\left \langle -\displaystyle\frac{\pi}{4};0 \right \rangle\) na 10 równych części
rysunek_5.3.4.23

oraz liczymy wartość funkcji \(f\) dla kolejnych argumentów. (Podział odcinka wg mianownika \(40,\) gdyż \(-\displaystyle\frac{\pi}{4}=-\displaystyle\frac{10\pi}{40}.\))
\[\begin{array}{l}
\displaystyle{f(-\frac{9\pi}{40})=\sin(-\frac{9\pi}{40}+2)+\frac{9\pi}{40}-1 \approx 0,66 \gt 0}\\
\displaystyle{f(-\frac{8\pi}{40})=\sin(-\frac{8\pi}{40}+2)+\frac{8\pi}{40}-1 \approx 0,61 \gt 0}\\
\displaystyle{f(-\frac{7\pi}{40})=\sin(-\frac{7\pi}{40}+2)+\frac{7\pi}{40}-1 \approx 0,54 \gt 0}\\
\displaystyle{f(-\frac{6\pi}{40})=\sin(-\frac{6\pi}{40}+2)+\frac{6\pi}{40}-1 \approx 0,47 \gt 0}\\
\displaystyle{f(-\frac{5\pi}{40})=\sin(-\frac{5\pi}{40}+2)+\frac{5\pi}{40}-1 \approx 0,39 \gt 0}\\
\displaystyle{f(-\frac{4\pi}{40})=\sin(-\frac{4\pi}{40}+2)+\frac{4\pi}{40}-1 \approx 0,31 \gt 0}\\
\displaystyle{f(-\frac{3\pi}{40})=\sin(-\frac{3\pi}{40}+2)+\frac{3\pi}{40}-1 \approx 0,22 \gt 0}\\
\displaystyle{f(-\frac{2\pi}{40})=\sin(-\frac{2\pi}{40}+2)+\frac{2\pi}{40}-1 \approx 0,12 \gt 0}\\
\displaystyle{f(-\frac{\pi}{40})=\sin(-\frac{\pi}{40}+2)+\frac{\pi}{40}-1 \approx 0,017 \gt 0}
\end{array}\]
Ponieważ wartości funkcji \(f\) są dodatnie, to bierzemy liczbę najbliższą \(0,\) czyli \(-\displaystyle\frac{\pi}{40}.\)

W kolejnym kroku dzielimy odcinek \(\left \langle -\displaystyle\frac{\pi}{40};0 \right \rangle\) na 10 równych części. Doprowadzamy ułamek \(-\displaystyle\frac{\pi}{40}\) do mianownika 10 - razy większego, więc \(-\displaystyle\frac{\pi}{40}=-\displaystyle\frac{10\pi}{400}.\)
rysunek_5.3.4.24

Licząc wartości funkcji \(f\) dla kolejnych argumentów widzimy, że zmiana znaku następuje już dla argumentów \(-\displaystyle\frac{9\pi}{400}\) oraz \(-\displaystyle\frac{8\pi}{400},\) zatem już teraz możemy podać przybliżenie rozwiązania.  Rozwiązaniem równania jest \(x=-\displaystyle\frac{8\pi}{400}\approx -0,06,\) można również przyjąć \(-\displaystyle\frac{9\pi}{400}\) ale wśród wartości funkcji \(f\) szukamy wartości bliższej \(0.\)

Dla zainteresowanych wykresy funkcji \(\sin(x+2),\) \(x+1\) oraz wykres funkcji \(f(x)=\sin(x+2)-x-1.\) Jak widać, dla argumentu, dla którego wykresy funkcji \(\sin(x+2)\) oraz \(x+1\) przecinają się, funkcja \(f\) ma miejsce zerowe.
rysunek_5.3.4.22

 Równanie 2

\(\ln x=1 -2x^{2}\) na przedziale \(\left \langle \displaystyle\frac{1}{2};1 \right \rangle\)

 Odpowiedź

Równanie \(\ln x=1 -2x^{2}\) na przedziale \(\left \langle \displaystyle\frac{1}{2};1 \right \rangle\) posiada rozwiązanie. W przybliżeniu jest ono równe \(x\approx 0,79.\)

 Rozwiązanie

\[\begin{array}{l}
f(x)=\ln x+2x^{2}-1\\
\displaystyle{f(\frac{1}{2})=\ln (\frac{1}{2})+2\cdot \left ( \frac{1}{2} \right )^{2}-1\approx -1,19 \lt 0}\\
f(1)=\ln 1+2\cdot 1^{2}-1=0+2-1=1 \gt 0
\end{array}\]
Dzielimy odcinek \(\left \langle \displaystyle\frac{1}{2};1 \right \rangle\) na dziesięć równych części i liczymy wartości funkcji \(f\) dla kolejnych argumentów.
rysunek_5.3.4.27

Na tą chwilę można podać przybliżenie do części dziesiętnych rozwiązania równania, tj. \(x\approx 0,8.\)

Teraz odcinek \(\left \langle 0,75;0,8 \right \rangle\) dzielimy na dziesięć równych części i wyznaczamy wartości funkcji \(f\) dla kolejnych argumentów, zaczynając od ostatniego.
rysunek_5.3.4.28

Możemy podać przybliżenie rozwiązania równania \(\ln x=-2x^{2}+1\) do części setnych, tj \(x\approx 0,79.\)

Dla bardziej wnikliwych wykres funkcji \(f.\)
rysunek_5.3.4.25

 Równanie 3

\(x^{5}-3x-1=0\) na odcinku \(\left \langle 1;2 \right \rangle\)

 Odpowiedź

Rozwiązaniem równania \(x^{5}-3x-1=0\) na odcinku \(\left \langle 1;2 \right \rangle\) jest \(x\approx 1,39.\)

 Rozwiązanie

\[ \begin{array}{l}
f(x)=x^{5}-3x-1\\
f(1)=1-3-1 \lt 0\\
f(2)=2^{5}-6-1 \gt 0
\end{array}\]
Dzielimy odcinek \(\left \langle 1;2 \right \rangle\) na dwie równe części argumentem \(\displaystyle\frac{3}{2}.\)
Liczymy \(f(\displaystyle\frac{3}{2}) \approx  2,09 \gt 0.\)
Zatem dzielimy na pół odcinek \(\left \langle 1;\displaystyle\frac{3}{2} \right \rangle\) argumentem \(\displaystyle\frac{5}{4}.\)
Liczymy wartość funkcji dla argumentu \(\displaystyle\frac{5}{4}.\)
\[\displaystyle{f(\frac{5}{4})\approx-1,7 \lt 0}\]
Zatem ograniczamy przedział do \(\displaystyle{\left \langle \frac{5}{4};\frac{3}{2} \right \rangle}.\)
Ponieważ \(\displaystyle{\left \langle \frac{5}{4};\frac{3}{2} \right \rangle}=\displaystyle{\left \langle 1,25;1,5 \right \rangle},\) zatem dzielimy ten odcinek argumentem \(1,375.\)
Dzielimy uzyskane odcinki tak długo aż otrzymamy przybliżenie rozwiązania do części setnych \(x\approx 1,39.\)

Dla zainteresowanych wykres funkcji \(f.\)
rysunek_5.3.4.26