Zadanie 6.3.1

 Polecenie

Korzystając z różniczki funkcji oblicz przybliżone wartości podanych wyrażeń lub wielkość danego przybliżenia.

 Wskazówki

Definicja różniczki funkcji

Niech funkcja \(f\) ma pochodną właściwą w punkcie \(x_{0}.\) Różniczką funkcji \(f\) w punkcie \(x_{0}\) nazywamy funkcję \(df\) zmiennej \(\Delta x=x-x_{0}\) określoną wzorem \[df \left ( \Delta x \right )\stackrel{def}=f'(x_{0})\Delta x.\]
rysunek_6.2.4.1
Różniczka funkcji
Różniczkę funkcji przy ustalonej funkcji \(f\) i dla punktu \(x_{0}\) nazywamy funkcję liniową zmiennej \(\Delta x,\) której współczynnik kierunkowy jest równy \(f'(x_{0}).\) Jest to przyrost funkcji na stycznej (patrz rysunek).

Fakt (zastosowanie różniczki do obliczeń przybliżonych)

Jeżeli funkcja \(f\) ma pochodną właściwą w punkcie \(x_{0}\), to \[f(x_{0}+\Delta x)\approx f(x_{0})+f'(x_{0})\Delta x.\]
Uwaga
Błąd jaki popełniamy zastępując przyrost funkcji \(\Delta f=f(x_{0}+\Delta x)-f(x_{0})\) jej różniczką \(df=f'(x_{0})\Delta x,\) dąży szybciej do zera niż przyrost zmiennej niezależnej \(\Delta x,\) tzn. \[\displaystyle\lim_{\Delta x \to 0}\frac{\Delta f-df}{\Delta x}=0.\]
Zatem przyjmujemy \(\Delta f\approx df.\)

Fakt (zastosowanie różniczki funkcji do szacowania błędów pomiarów)

Niech wielkości \(y=f(x),\) przy czym pochodna \(f'(x_{0}),\) gdzie \(x_{0}\) jest wynikiem pomiaru wielkości \(x\), jest właściwa. Niech \(\Delta_{x}\) oznacza błąd bezwzględny pomiaru wielkości \(x.\) 
Wówczas błąd bezwzględny \(\Delta_{y}\) obliczanej wielkości \(y\) wyraża się wzorem przybliżonym \[\Delta _{y}\approx \left | f'(x_{0}) \right |\Delta _{x}.\]

 Ćwiczenie 1

\(\sqrt{3,999}\)

 Rozwiązanie

Dobieramy wzór funkcji \(f\) oraz wartość \(x_{0},\) aby skorzystać ze wzoru \(f(x_{0}+\Delta x)\approx f(x_{0})+f'(x_{0})\Delta x.\)
\[ \begin{array}{l}
f(x)=\sqrt{x}\\
x_{0}=4\\
\Delta x=x-x_{0}=3,999-4=-0,001\\
f(4)=\sqrt{4}=2\\
\end{array}\]
Liczymy pochodną funkcji \(f\) i jej wartość dla \(x_{0}=4.\)
\[ \begin{array}{l}
f'(x)=\frac{1}{2\sqrt{x}}\\
f'(4)=\frac{1}{2\sqrt{4}}=\frac{1}{4}
\end{array}\]
Podstawiamy do wzoru
\[\sqrt{3,999}\approx 2+\frac{1}{4}\cdot \left ( -0,001 \right )=2-0,00025=1,99975.\]
Możemy porównać z wynikiem kalkulatora: \(\sqrt{3,999}\approx 1.9997499843730466.\)

 Odpowiedź

Wynikiem przybliżenia wyrażenia \(\sqrt{3,999}\) jest \(1,99975.\)

 Ćwiczenie 2

\(e^{-1,01}\)

 Rozwiązanie

Dobieramy wzór funkcji \(f\) i wartość \(x_{0}.\)
\[ \begin{array}{l}
f(x)=e^{x}\\
x_{0}=-1\\
\Delta x=x-x_{0}=-1,01-(-1)=-0,01\\
{\displaystyle f(-1)=e^{-1}=\frac{1}{e}}
\end{array}\]
Wyznaczamy pochodną funkcji \(f\) i jej wartość dla \(x_{0}=-1.\)
\[ \begin{array}{l}
f'(x)=e^{x}\\
{\displaystyle f'(-1)=e^{-1}=\frac{1}{e}}
\end{array}\]
Korzystamy z różniczki wyznaczając przybliżenie wyrażenia:
\[e^{-1,01}\approx \frac{1}{e}+\frac{1}{e}\cdot (-0,01)=\frac{1}{e}-\frac{0,01}{e}=\frac{0,99}{e}\ (\approx 0.3642006467597279).\]
Wynik otrzymany na kalkulatorze: \(e^{-1,01}\approx  0.3642189795715233.\)

 Odpowiedź

Przybliżona wartość wyrażenia \(e^{-1,01}\) wynosi  \(0,3642.\)

 Ćwiczenie 3

Przekątna sześcianu zmierzona z dokładnością do \(0,01 \textrm{ mm }\) wynosi \(10 \textrm{ mm }.\) Z jaką dokładnością można obliczyć objętość tego sześcianu?

 Rozwiązanie

Dane:
  • długość przekątnej sześcianu  \(d=10 \textrm{ mm },\)
  • dokładność pomiaru przekątnej  \(\Delta_{d}=0,01 \textrm{ mm },\)
  • długość przekątnej w sześcianie - wzór  \(d=a\sqrt{3},\)
  • wyznaczona z powyższego wzoru długość krawędzi sześcianu  \({\displaystyle a=\frac{d\sqrt{3}}{3}}.\)
Zapisujemy wzór na objętość sześcianu jako funkcję zmiennej \(d\) oraz liczymy pochodną tej funkcji.
\[\begin{array}{l}
{\displaystyle V(d)=a^{3}=\left ( \frac{d\sqrt{3}}{3} \right )^{3}=\frac{d^{3}\sqrt{3}}{9}}\\
{\displaystyle V'(d)=\frac{3d^{2}\sqrt{3}}{9}}
\end{array}\]
Korzystamy z  \(\Delta _{y}\approx \left | f'(x_{0}) \right |\Delta _{x}\)  (zastosowania różniczki funkcji do szacowania błędów pomiarów).
\[\left | \Delta_{V} \right |\approx \left | V'(d) \right |\cdot \left | \Delta _{d} \right |\]
Zatem
\[\left | \Delta_{V} \right |\approx \left |\frac{3d^{2}\sqrt{3}}{9}\right|_{d=10 \textrm{mm}}\cdot 0,01 \textrm{ mm}^{3}\approx \\
\approx \left |\frac{3\cdot 10^{2}\sqrt{3}}{9}\right|\cdot 0,01 \textrm{ mm}^{3}\approx \frac{\sqrt{3}}{3}\textrm{ mm}^{3} \approx   0.5773502691896258 \textrm{ mm}^{3}.\]

 Odpowiedź

Objętość sześcianu można obliczyć z dokładnością do \(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{3}\textrm{ mm}^{3}.\)

 Polecenie

Korzystając z różniczki funkcji oblicz przybliżone wartości podanych wyrażeń lub wielkość danego przybliżenia.

 Ćwiczenie 1

\(\ln 1,001\)

 Odpowiedź

Przybliżona wartość wyrażenia \(\ln 1,001\) wynosi \(0,001.\)

 Rozwiązanie

\[ \begin{array}{l}
f(x)=\ln x\\
x_{0}=1\\
\Delta_{x}=0,001\\
f(1)=\ln 1=0\\
f'(x)=\displaystyle\frac{1}{x}\\
f'(1)=1\\
\ln 1,001\approx 0+1\cdot 0,001=0,001
\end{array}\]
Porównując z wynikiem z kalkulatora: \(\ln 1,001 \approx 0.0009995003330835.\)

 Ćwiczenie 2

Czas zmierzony zawodnikowi w biegu na 1 km mierzy się z dokładnością \(0,01\) s. Z jaką w przybliżeniu dokładnością można obliczyć średnią prędkość zawodnika, jeśli uzyskał on czas \(2\) min \(48\) s.

 Odpowiedź

Średnią prędkość zawodnika można obliczyć z dokładnością w przybliżeniu \({\displaystyle \left |\Delta _{V}  \right |\approx 0.00035\  \frac{m}{s}}.\)

 Rozwiązanie

\[ \begin{array}{l}
s=1\textrm{ km }=1000\textrm{ m }\\
\left | \Delta_{t} \right |=0,01 \textrm{ s }\\
{\displaystyle V=\frac{s}{t}}\\
{\displaystyle V(t)=\frac{1000}{t}}\\
{\displaystyle V'(t)=-\frac{1000}{t^{2}}}\\
t=2\textrm{ min } 48\textrm{ sek}=168 \textrm{ sek }\\
\\
\left |\Delta _{V}  \right |\approx \left | V'(t) \right |\left |\Delta _{t}  \right |\\
{\displaystyle \left |\Delta _{V}  \right |\approx \left |-\frac{1000}{t^{2}} \right |_{t=168}\left |0,01  \right |=\frac{1000\cdot 0,01}{168^{2}}\approx 0.0003543083900227\  \frac{m}{s}}
\end{array}\]