1 Esponenziale e logaritmo.

Transcript

1 Espoeziale e logaritmo.. Risultati prelimiari. Lemma a b = a b Lemma Disuguagliaza di Beroulli per ogi α e per ogi ln a k b k. k=0 + α + α Teorema Disuguagliaza delle medie Per ogi ln, per ogi upla {a k } k di umeri reali positivi è verificata la seguete disuguagliaza a k a k. La dimostrazioe di lemmi è u facile; procediamo duque alla dimostrazioe della disuguagliaza delle medie. Dimostrazioe Lemma Sia P il predicato l equazioe a k a k è verificata per ogi upla {ak } k di umeri reali positivi. Osserviamo iazitutto che P è baalmete vera se = metre per = si verifica immediatamete che a + a a a a + a a a = 3 Vorremmo procedere per iduzioe sul umero di elemeti dell upla, ovvero dimostrare che se P è vera allora è vera ache P +. Purtroppo questo passaggio o è semplice e richiede u piccolo trucco: dimostreremo ifatti che i P P. ii Se P è vera allora Pm è vera per ogi m. Quidi per passare da a + procederemo el modo seguete: P P P + dove la prima implicazioe è vera grazie a i e la secoda grazie a ii uitamete al fatto che +. Per dimostrare i procediamo ella maiera seguete: a k = a k a +k quidi supposta P vera otteiamo a k a +k a k a +k = [ a k ] a +k 4

2 ma, utilizzado la disuguagliaza 3 osserviamo che a k a +k [ a k + ] [ a +k = e sostituedo l espressioe trovata al secodo membro dell equazioe 4 termiaimo la dimostrazioe del puto i. Dimostriamo allora ii: suppoiamo che P sia vera, dato m e data comuque ua m-upla {a k } k m defiiamo µ = m { ak k m a k, b k = 5 m µ k > m Osservado che b k = µ m m a k, b k = m a k + mµ = mµ + mµ = µ si verifica facilmete che applicado la disuguagliaza all -upla {b k } k si ottiee la disuguagliaza m µ m a k µ quidi o a k = 0 k el qual caso o c e ulla da dimostrare oppure µ > 0 e duque dividedo etrambi i membri per la quatità positiva! µ m e ricordado la defiizioe di µ otteiamo la tesi. # a k ] Esercizi:. Dimostrare il lemma.. Dimostrare il lemma. Dimostrare ioltre che la disuguagliaza o è vera i geerale seza l ipotesi α e idividuare ella dimostrazioe i passaggi i cui tale ipotesi viee utilizzata. 3. Dimostrare che la disuguagliaza delle medie si riduce ad u uguagliaza se e solo se gli a soo tutti uguali. 4. Dimostrare la disuguagliaza tra media geometrica e media armoica, ovvero che se {b k } k è ua upla di umeri strettamete positivi allora /b k [Suggerimeto: porre a k = /b k e utilizzare la disuguagliaza.]. La fuzioe espoeziale i base aturale. Sia x lr, cosideriamo la successioe di poliomi defiita da p x = + x dove ln : Poiamo expx def = lim + p x. Al fie di studiare le proprietà della fuzioe expx procederemo per piccoli passi successivi: b k.

3 a Per ogi x lr fissato la successioe p x è crescete per > x. Pertato expx = lim p x = sup{p x : > x}. + Ifatti posto + x k α k = k = + quidi, applicado la disuguagliaza delle medie agli + umeri positivi α k + + α k + cioè, sostituedo ella formula sopra l espressioe esplicita degli α k ed elevado etrambi i membri a poteza + -esima otteiamo p + x = + α k + x + + x = p x + b Per ogi x lr fissato p è superiormete limitata. Pertato expx < + per ogi x. Ifatti si ha e duque p x p x = + x x = x 0 < p x p x < > x 6 ora, visto che p x è crescete, posto 0 = mi{ ln : > x } avremo che p x p 0 x 0 da cui, teedo ache coto dell equazioe 6, si ottiee p x p x p 0 x. 7 da cui la tesi. Osserviamo che la disuguagliaza 7 implica che expx p 0 x. c Vale l idetità algebrica + y + x = y x + y k + x k. k=0 d Dalla disuguagliaza precedete segue che, se x y C, 0 + y + x expcy x d Dal puto c segue ache che, se x y, expxy x expy expx expyy x. Pertato exp è ua fuzioe strettamete crescete, ioltre per ogi C R fissato exp : ], C] R è ua fuzioe strettamete crescete. 3

4 e Se x x allora + x expx. Cosegueza di c poedo y = x e passado al limite. La fuzioe exp si chiama espoeziale i base aturale. La proposizioe seguete recapitola le proprietà pricipali di exp e giustifica, oltre al ome, ache la otazioe expx = e x. Proposizioe 3 La fuzioe exp : R, + R +, è u omomorfismo strettamete crescete. Valgoo ifatti le segueti proprietà. expx expy = expx + y x, y lr. I particolare exp0 =, exp x = [expx].. expx > 0 x R. 3. expx + x x R. Dim: Se x, y lr, si ha che expx expy = lim + + x lim + + y x + y + xy/ = lim + = expx + y 8 + dove l ultima uguagliaza segue da e. Le altre proprietà seguoo facilmete dalla defiizioe, dalla proprietà o dalle osservazioi precedeti. # Esercizi:. Dimostrare per iduzioe che [expx] = expx x lr, Z.. Sia exp := e e è detta la costate di Nepero. Mostrare che < e < Mostrare che exp : R R + è surgettivo cioé che per ogi b > o l equazioe e x = b ha soluzioe. [Sugg: provare che se b la successioe x = b / è decrescete, iferiormete limitata e pertato ammette u limite a che soddisfa l equazioe e a = b.] 4. Calcolare lim expx = 0, lim x expx = +. 9 x + 5. Provare che per ogi x, x R si ha expx = expx + x x. 6. Mostrare che per ogi x 0, x R e t [0, ] vale la disuguagliaza exptx + tx 0 t expx + t expx 0 ovvero la fuzioe espoeziale è covessa. 7. Mostrare che +x expx per ogi x <. 8. Provare che 9. fuzioi iperboliche????? expx + exp x 4

5 .3 La fuzioe logaritmo. Nella sezioe precedete esercizio 4 abbiamo dimostrato che la fuzioe espoeziale i base aturale è bigettiva se come codomiio prediamo la sua immagie lr +. Quidi essa ammette u iversa log : lr + lr che viee chiamata fuzioe logaritmo e risulta essere u omomorfismo crescete da R +, R, +. Valgoo ioltre le segueti proprietà. logxy = logx + logy x, y R +, i particolare log = 0 e logx = logx.. loglr + = lr; 3. log + x x x >. Esercizi:. Mostrare che, se x > 0, x = exp/ log x.. Mostrare che logx logx 0 + x 0 x x 0 per ogi x, x 0 R Dimostrare che per x < vale la seguete stima Dedure che x log + x x. + x + log + 4. Utilizzare il risultato precedete per provare che 5. Mostrare che, se 0 < δ x < y allora log +. k 0 < log y log x y x. δ 6. Dimostrare che il logaritmo è ua fuzioe cocava, ovvero ln. logtx + ty t log x + t log y t [0, ] x, y > 0 7. Dimostrare la seguete disuguagliaza disuguagliaza di Youg ab ap p + bq q, a, b, p, q > 0, : p + q =. [Suggerimeto: sfruttare la cocavità del logaritmo.].4 L espoeziale e il logaritmo i base qualuque..5 La fuzioe espoeziale. Sia a > 0 fissato, si cosideri la seguete applicazioe Z lr a tale fuzioe mada Z, + i lr,, trasformado somme i prodotti a x+y = a x a y x, y Z 0 5

6 Se vogliamo estedere tale fuzioe a tutto lr i modo che la proprietà 0 sia verificata x, y lr basta porre exp a x def = expx log a. È facile verificare che se p/q Q allora exp a p/q = q a p pertato i geere si usa la otazioe exp a x = a x. Ioltre co tale defiizioe la proprietà 0 è verificata su tutto lr. Osserviamo ioltre che, se a, si ha logexp a x = x loga, exp a log x log a = x pertato la fuzioe x log x log a è l iversa di exp a, viee chiamata il logaritmo i base a ed idicata col simbolo log a x, si oti che logx = log e x. I effetti tutti i logaritmi differiscoo uicamete per u fattore moltiplicativo: log a x log b x = log b log a a, b R + \ {0}, pertato, se o c e motivo particolare, utilizzeremo sempre il logaritmo i base aturale. Esercizi: Dimostrare che. log a blog b a = a, b > 0. log a b = log c blog a c 3. Mostrare la formula già be ota el caso x, y fossero iteri a x y = a xy x, y R 4. Le segueti valutazioi del logaritmo soo umeri razioali; calcolarle seza l ausilio della calcolatrice log 3 7 log 3 /9 log 3 / 3 log 8 / log 4 8 log Mostrare che se, m N + e m log < m + allora l espressioe di i base ha m + cifre. 6. Dire, seza utilizzare la calcolatrice, quate cifre soo ecessarie per esprimere il umero 64 ell usuale base 0. Il logaritmo i base aturale si idica talvolta ache co lx. 6