S pojmom funkcije kao zakonitosti pridruživanja smo se već susreli. Ako realnim brojevima pridružujemo realne brojeve, riječ je o realnoj funkciji realne varijable.
Zamislimo stroj koji proizvoljnim realnim brojevima po određenoj zakonitosti pridružuje neke druge realne brojeve. Nazovimo ga „funkcijski stroj”. Pogledajmo kako takav stroj u nastavku „stvara” uređene parove brojeva te im pridružuje pripadajući graf i to za tri različita pridruživanja.
Prepoznajete li što nam je nacrtao „funkcijski stroj” u prvom slučaju? A u drugom?
Najprije smo s pomoću linearne funkcije nacrtali pravac, a zatim s pomoću kvadratne funkcije parabolu.
Možete li pogoditi kroz koji su „funkcijski stroj” prošle točke u trećem slučaju? Kako izgleda funkcija?
Je li dovoljno imati samo zakon pridruživanja da bi funkcija bila dobro definirana? Prisjetimo se čime je funkcija definirana i kako smo do sada crtali grafove nekih funkcija.
Ponovimo što smo dosad naučili o funkciji i njezinu grafu.
Funkcija je preslikavanje koje elementu
pridružuje točno jedan element
Da bi funkcija bila dobro definirana potrebno je sljedeće:
1. Postupak u kojem se svakom elementu domene
pridružuje točno jedan realan broj
nazivamo
i pišemo
2.
je element skupa koji nazivamo
ili područje definicije funkcije,
.
3.
je iz skupa koji nazivamo
ili područje vrijednosti
funkcije
. Za
jedinstveni pridruženi
nazivamo , a skup svih takvih vrijednosti funkcije nazivamo .
Pridružite nepoznanici točno značenje.
Graf funkcije je skup svih uređenih parova oblika:
Kako smo crtali pravac, palabolu?
S obzirom na to da se graf funkcije
sastoji od točaka oblika
pronašli smo nekoliko takvih točaka i povukli krivulju kroz njih.
Funkciju oblika
nazivamo potencija. Zbrajanjem, oduzimanjem i množenjem različitih potencija dobivamo polinome. Do sada smo se susretali s polinomima nultoga, prvoga i drugog stupnja. Prisjetimo se njihovih svojstava i grafova.
Razvrstajte elemete u pripadajuća tri skupa polinoma.
Polinom nultog stupnja ili je funkcija čiji je graf .
Polinom prvog stupnja ili je funkcija čiji je graf .
Polinom drugog stupnja ili je funkcija čiji je graf .
„Najbolja je povijest ona što se dogodila jer druge i nije bilo."
G. W. Leibniz
Pogledajmo zato kako su se kroz povijest postupno uvodile vrijednosti eksponenata potencije od prirodnih do realnih brojeva.
Što ako nam je u zapisu potencije baza konstanta, a eksponent promjenjiva varijabla? Kako definirati takvu funkciju, nacrtati graf ili odrediti sliku?
Počnimo redom.
Primjer 1.
Nacrtajmo u bilježnicu ponovno graf iz uvodne animacije te pronađimo pravilo pridruživanja (funkciju).
Zamjećujemo da je svaki sljedeći rezultat dvostruko veći od prethodnog, dakle dobijemo ga tako da prethodni pomnožimo s
Napravite u bilježnici tablicu s vrijednostima za te nacrtajte graf.
U sljedećoj interakciji s pomoću klizača smanjujte razmak između točaka. Razmislite što je domena te funkcije s obzirom na točke koje promatramo. Na grafu su vrijednosti apscisa između
što se događa izvan tih vrijednosti? Što se događa s grafom kada se razmak između
-eva smanjuje?
Uočimo da smo najprije u eksponentu imali cijele brojeve (domena je skup cijelih brojeva). Smanjivanjem razmaka između točaka naše apscise postaju decimalni brojevi (domena je skup racionalnih brojeva). S prirodnim, cijelim i racionalnim brojevima znamo potencirati, tj. znamo izračunati
(pravila potenciranja ponovili smo u prošloj jedinici). Što se događa kad
postaje realan? Iz ovog razmatranja možemo zaključiti (ako uzmemo iracionalan broj zaokružen na nekoliko decimala) da se graf funkcije „popunjava” s realnim brojevima u neprekinutu krivulju.
Vratimo se još jedanput na našu interakciju s eksponencijalnom funkcijom. Ovoga puta ćemo uz promjenu gustoće točaka mijenjati i bazu naše funkcije.
Promatrajte što se događa kada se mijenja baza. Neka razmak između točaka za početak bude jedan. Posebno uočite sljedeće situacije (prikaz možete povećavati i pomicati) i promjene koje se pritom događaju.
Sada sva zapažanja ponovite mijenjajući gustoću točaka za različite baze.
Je li krivulja koja nastaje kad je baza negativna graf funkcije s domenom
Je li krivulja koja nastaje kad je baza pozitivna graf neke funkcije?
Što je graf funkcije kad je baza jednaka jedan?
Za bazu između nula i jedan vrijednosti funkcije (kako raste) su:
Za bazu veću od jedan vrijednosti funkcije (kako
raste) su:
Što je domena funkcije, uz uvjet da je baza pozitivna i različita od jedan?
(Za koje vrijednosti
-eva su funkcije definirane?)
Što je slika funkcije,
uz uvjet da je baza pozitivna i različita od jeda
n?
(Koje sve vrijednosti funkcija može poprimiti?)
Ako na neko od pitanja niste znali odgovoriti, vratite se na interaktivnu vježbu, istražite i pokušajte pronaći odgovor.
Koliko god smanjivali udaljenosti između apscisa točaka, one nam popunjavanju praznine u grafu. Možemo intuitivno zaključiti gdje će na grafu biti točke s iracionalnim apscisama.
Eksponencijalnu funkciju definirali smo kao funkciju oblika za realan broj
Domena funkcije je skup realnih brojeva
a slika funkcije skup pozitivnih realnih brojeva
U interaktivnoj smo vježbi zamijetili da je tablica
kod potencija s negativnom bazom
uglavnom prazna (s upitnicima). Negativna se baza može potencirati samo za cijele eksponente i to za parne postaje pozitivno rješenje, a za neparne ostaje negativno rješenje. Kažemo da rješenja alterniraju (izmjenjuju se predzanci). Za bazu manju od nule izraz
ne određuje funkciju čija je domena skup realnih brojeva nego je domena skup cijelih brojeva. Pripadni bi graf bio „točkast”. Takve funkcije ne smatramo eksponencijalnim funkcijama.
Kada potenciramo bazu
na bilo koji realan eksponent, dobivena će potencija također biti jednaka
pa je takva funkcija konstantna.
Zato smo u definiciju uveli ograničenje na pozitivnu bazu različitu od jedan.
Elementarne funkcije dijelimo na algebarske i transcedentne (potražite na internetu koje su to elementarne funkcije, npr. na poveznici). S algebarskim funkcijama smo se već susretali (npr. linearna, kvadratna, polinomi, potencije s racionalnim eksponentom). To su funkcije čije se vrijednosti mogu dobiti primjenom četiriju osnovnih računskih radnji, potenciranjem i korjenovanjem. Funkcije čije se vrijednosti ne mogu dobiti samo algebarskim radnjama nazivamo transcedentim funkcijama. Takva je eksponencijalna funkcija, a uskoro ćete upoznati još jednu, logaritamsku funkciju.
Nacrtajte u bilježnicu grafove funkcija
s pomoću tablice.
Često se pod eksponencijalnom funkcijom podrazumijeva oblik
gdje je
linearna funkcija. U zadatcima primjene iz poznatih podataka trebamo odrediti eksponencijalnu funkciju ili iz zadane eksponencijalne funkcije „pročitati” neki podatak. Pokušajmo iskoristiti tehnologiju i na jednom primjeru odrediti eksponencijalnu funkciju koristeći se dostupnim interaktivnim predlošcima u GeoGebri te „pročitati” rješenje s grafa.
Primjer 2.
Posadili ste biljku s pet listova. Nakon dva tjedna prebrojili ste listova. Ako i dalje s ljubavlju njegujete i zalijevate biljku, ona će nastaviti rasti i broj listova će se eksponencijalno povećavati. Koliko će biljka imati listova nakon mjesec dana (četiri tjedna)?
Pokušajmo dobiti rješenje s pomoću GeoGebre.
Postavimo problem. Neka nam je na osi apscisa broj tjedana, a na osi ordinata broj listova od trenutka sadnje. Dakle, imamo dvije točke na krivulji:Možemo iskoristiti alate GGB-a i pokušati najprije dobiti eksponencijalnu funkciju. Otvorimo GGB te u polje za unos upišimo naredbu: PrilagodbaRasta((0,5),(2,20)) i Enter. Dobili smo graf s pripadajućom funkcijom
Prilagodimo omjere koordinatnih osi u grafičkom prikazu (desna tipka miša), npr. na radi preglednosti.
Naredbom Točka(f) postavimo točku na graf te ju pomičimo dok ne dobijemo željene koordinate. U našem se zadatku traži broj listova nakon četiri tjedna. Dakle, potrebno je pronaći točku s apscisom i pročitati ordinatu.
Lijevo u algebarskom prozoru imamo sve potrebno za „pročitati” rješenje.
Eksponencijalno povećanje listova dano je formulom
Iz točke možemo pročitati da će za četiri tjedna na našoj biljci biti biti listova.
Sarin je tata dobio kaznu za prebrzu vožnju kad se vraćao s posla. Iznos kazne povećava se eksponencijalno s obzirom na broj mjeseci odgode plaćanja. Ako plati za mjesec dana, kazna iznosi
no ako plati za tri mjeseca, kazna se povećava na
Koliko će platiti kaznu ako ju ne plati pet mjeseci? Koliko bi iznosila kazna da je platio odmah?
Translacija grafa eksponencijalne funkcije
Kod kvadratne funkcije smo crtanje parabole translacijom usporedili s grafom funkcije apsolutne vrijednosti. Iz jednadžbi krivulja
znamo da osnovne krivulje oblika
translatiramo u smjeru osi
za
i u smjeru osi
za
Istovrsno vrijedi i za eksponencijalnu funkciju. Graf krivulje
dobijemo pomakom grafa
u smjeru osi
za
te u smjeru osi
za
Nacrtajmo grafove eksponencijalnih funkcija:
Graf prve krivulje dobijemo pomakom eksponencijalnoga grafa za prema gore, a druge pomakom za udesno. Ako graf crtamo s pomoću točaka, pomaknemo dobivene točke grafa za odnosno za te povučemo krivulju kroz nove točke (kao što smo učinili i s parabolom). Nacrtajte u bilježnici, a rezultat provjerite s pomoću sljedeće GeoGebre.
Zadana je fukcija oblika Unosom u prazna polja upišite koeficijent koji množi eksponencijalnu funkciju ili ostavite zadani (kao i koeficijent uz ), a s pomoću klizača definirajte bazu te pomake
Pokušajte sami zaključiti što nam i govore o grafu eksponencijalne funkcije. Koja je asimptota krivulje i u kojoj točki krivulja siječe os
Riješite i sljedeći zadatak. Kao pomoć iskoristite interaktivni predložak u nastavku.
Nacrtajte u bilježnicu graf funkcije
te s pomoću pomaka nacrtajte grafove funkcija:
i
U sljedećoj ćemo vježbi pokušati utvrditi koja svojstva ima eksponencijalna funkcija.
Imamo dvije funkcije s bazama (između ) i (između ). Mijenjajte baze (jednu učvrstite, a drugu mijenjajte), usporedite grafove i pokušajte odgovoriti na pitanja.
Koordinate nekih točaka upisane su u tablicu tako da možete uspoređivati vrijednosti funkcija. Postoji istaknuta točka na grafu koju možete pomicati i pratiti što se događa s ordinatom točke kako povećavate apscisu.
Što se događa s grafom kada je
jako mali? Postoji li neki realan broj
za koji graf presijeca os apscisu? Pomičite točku na krivulji ulijevo i pratite vrijednost ordinate te točke. Hoće li poprimiti negativnu vrijednost, to jest prijeći ispod osi apscisa?
Odgovorite na sljedeća pitanja. Ako na neko pitanje ne znate odgovor, vratite se i ponovno istražite što se od vas traži.
Povežite uvjete na bazu s tijekom funkcije.
|
(funkcija je padajuća) |
|
Što je baza veća, krivulja je strmija („brže raste”). |
|
|
|
(funkcija je rastuća) |
recipročne baze) |
Što je baza manja, krivulja je strmija („brže pada”). |
Za eksponencijalnu funkciju
je:
|
|
domena funkcije
|
|
slika funkcije
|
. |
Svi grafovi eksponencijalne funkcije:
Koja je jednadžba osi apscisa?
Zamjećujemo da su nam svi grafovi eksponencijalnih funkcija iznad osi apscisa. Iz toga možemo zaključiti što je slika eksponencijalne funkcije (svi pozitivni realni brojevi). Isto tako dolazimo do zaključka da je os apscisa „približno tangenta krivulje”, ali ne možemo naći točku u kojoj se dodiruju. Udaljenost točke na krivulji od osi apscisa je sve manja i manja kako se
udaljava prema negativnoj beskonačnosti za
(odnosno prema pozitivnoj beskonačnosti za
), ali vrijednost funkcije uvijek ostaje pozitivna i jako blizu nule.
Pravac je asimptota krivulje
Sistematizirajmo svojstva eksponencijalne funkcije uočena vježbom te povežimo s onima koje znamo otprije.
Eksponencijalna funkcija ima sljedeća svojstva.
- Funkcija je definirana za sve realne brojeve,
- Slika funkcije su pozitivni realni brojevi,
- Za proizvoljne realne brojeve vrijedi
- Za proizvoljne realne brojeve vrijedi
- Zajednička točka svim krivuljama je
- Ako je funkcija je rastuća, za proizvoljne realne brojeve
- Ako je funkcija je padajuća, za proizvoljne realne brojeve
- Asimptota eksponencijalne funkcije je os apscisa,
- Funkcije su simetrične s obzirom na os ordinatu.
Ako je tada vrijedi To se svojstvo naziva injektivnost funkcije.
Pogledajmo iz čega proizlazi ovo zadnje svojstvo injektivnosti.
U prethodnoj vježbi postavite U koliko se točaka sijeku dobiveni pravac i eksponencijalna funkcija? Postoji li barem jedan usporedan pravac s osi apscisa koji siječe eksponencijalni graf u više od jedne točke?
Horizontalnim testom provjeravamo je li funkcija injekcija. Funkcija je injekcija ako pravac usporedan s osi apscisa siječe graf funkcije u najviše jednoj točki.
Svojstvo injektivnosti lako dokazujemo tako da pretpostavimo suprotno.
Pretpostavimo da iz slijedi da je Tada mora jedan biti manji od drugog. Neka je, primjerice, pa iz svojstva da je funkcija rastuća (padajuća) vrijedi što je suprotno pretpostavci da su vrijednosti jednake. Time smo dokazali da svojstvo injektivnosti vrijedi.
Ovdje smo dobili još jednu tvrdnju ekvivalentu zapisanom svojstvu injektivnosti:
Primjer 3.
Koje od sljedećih funkcija su injekcije?
- linearna funkcija
- kvadratna funkcija
- konstantna funkcija
- funkcija apsolutne vrijednosti
- eksponencijalna funkcija
Nacrtajmo u bilježnicu funkcije i s pomoću horizontalnog testa utvrdimo injektivnost.
Nacrtana su tri horizontalna pravca iz kojih se vidi da su injektivne eksponencijalna i linearna funkcija. Što je s konstantnom funkcijom? U koliko točaka usporedan pravac s osi apscisa siječe graf konstantne funkcije?
Koje od funkcija su injektivne?
Funkcije
i
su injektivne.
Primjer 4.
Primjenjujući svojstvo injektivnosti riješimo jednadžbu
Pronađimo jednake baze pa, koristeći se svojstvom injektivnosti, izjednačimo eksponente.
Primjenjujući svojstvo injektivnosti i riješite jednadžbe.
Primjer 5.
Primjenjujući svojstvo monotonosti funkcije (rasta i pada), riješimo nejednadžbu
Prikažimo desnu stranu s pomoću iste baze
S obzirom na to da je baza znamo da je funkcija rastuća pa vrijedi ista nejednakost i za eksponente. Rješenje je
Dakle, za sve vrijednost eksponencijalne funkcije s bazom je veća od osam. Prikkažite to grafički.
Primjenjujući svojstvo monotnosti funkcije te pravila potencije riješite nejednadžbe. (Pazite na tok funkcije kad su baze manje od jedan.)
Primjer 6.
Koristeći se činjenicom za što je baza manja krivulja je strmija, pridružimo eksponencijalnu jednadžbu pripadajućem grafu.
Veća je baza 1. eksponencijalne jednadžbe. Kako je funkcija
strmija (brže pada), zaključujemo da zelena funkcija ima jednadžbu
a
Koristeći se svojstvom
„
bržeg rasta” eksponencijalne funkcije, povežite sljedeće jednadžbe s grafovima.
|
|
|
|
|
|
|
Jedna od prvih primjena eksponencijalne funkcije je računanje konačne vrijednosti uloga kod složenoga kamatnog računa
gdje je
dekurzivni kamatni faktor,
početni ulog i
fiksna kamatna stopa.
Osim u ekonomiji, eksponencijalna funkcija ima primjenu u biologiji, fizici, kemiji, prirodnim pojavama, razvoju raznih populacija i sl. o kojima ćete više doznati u idućoj jedinici.
Još potkraj 16. stoljeća nizozemski matematičar i fizičar S. Stevin objavio je tablicu za provođenje kamatnog računa, koji se pojavio s razvojem trgovine. (Stevin je najprije radio kao knjigovođa. Prvi je postavio pravila za jednostavni i složeni kamatni račun).
Tablica je sadržavala vrijednosti potencije dekurzivnoga kamatnog faktora (potencije decimalnih brojeva oblika
). Međutim,
njegov suvremenik Bürgi
uočio je da je ta tablica pogodna za pojednostavnjivanje računanja s velikim brojevima. Tablica je švicarskome matematičaru Bürgiju bila poticaj za sastavljanje prvih logaritamskih tablica o čemu ćete učiti u sljedećem modulu (o logaritamskom računalu ste već nešto čuli u informatici u 1. razredu).
Prisjetite se što je kamatni račun (jednostavni i složeni) i što su kamate. Naučite razlikovati anticipativni od dekurzivnog obračuna kamata.
Jednostavni kamatni račun,
vam je poznat još iz osnovne škole, ali sa složenim se do sada niste susretali. Riješimo jedan primjer sa složenim kamatnim računom.
Koliko ćemo platiti kamata ako smo posudili
na četiri godine uz godišnju kamatnu stopu
Obračun kamata je godišnji i dekurzivan.
Da ne biste i vi upali u dužničko ropstvo, proučite kamatni račun, naučite računati kamate i dobro razmislite prije nego što se upustite u avanturu podizanja kredita uz nepovoljne kamatne stope i još nepovoljniji obračun kamata.
Dužničko ropstvo je oblik ropstva pri kojem dužnik radi besplatno za onoga komu duguje kako bi otplatio dug. Dužničko ropstvo postoji još od antičke Grčke.
Ujedinjeni narodi su definirali dužničko ropstvo kao moderan oblik ropstva te ga zabranili međunarodnim pravom.
Dužničko ropstvo danas u velikom dijelu podrazumijeva vraćanje duga bankama. Istražite s kojim se oblicima ropstva danas moderno društvo susreće i bori.
Povežite zadatak s pripadajućim rješenjem.
|
|
|
|
|
|
|
|
=
Nacrtajte u bilježnicu krivulje
Promatrajte grafove i odgovorite na pitanja.
Za koje brojeve je krivulja s bazom ispod krivulje s bazom | |
Za koje brojeve krivulja s bazom „brže” raste od krivulje s bazom | |
Sijeku li se krivulje?
|
|
Mogu li se te krivulje sjeći u dvjema točke? | |
Obje su krivulje monotono | |
Krivulje simetrične zadanim funkcijama s obzirom na os ordinata su monotono |