matematika s statistiko univerzitetni Študij biokemije 1. letnik
DESCRIPTION
MATEMATIKA S STATISTIKO UNIVERZITETNI ŠTUDIJ BIOKEMIJE 1. LETNIK. ŠTEVILA IN FUNKCIJE. Računanje s približki Realna števila Funkcije. Približne količine. Avogadrovo število je 6.023 x 10 23 molekul /mol . Kaj to pomeni?. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
MATEMATIKA S STATISTIKO
UNIVERZITETNI ŠTUDIJ BIOKEMIJE
1. LETNIK
ŠTEVILA IN ŠTEVILA IN FUNKCIJEFUNKCIJE
1.Računanje s približki
2.Realna števila
3.Funkcije
Avogadrovo število je 6.023x1023 molekul/mol. Kaj to pomeni?
V enem molu snovi je natanko 602300000000000000000000 molekul?
Seveda ne, vse količine, ki jih dobimo z merjenjem so približne.
6.02300decimalna mesta
pravilna mesta
Število decimalnih mest je odvisno od zapisa:
203.55=2.0355x102=2035.5x10-1
število pravilnih mest pa je vedno enako.
Približne količine
Pomemben dogovor:
v zapisu obdržimo le značilna mesta, tj. če zapišemo N0=6.0230x1023 pomeni, da je tudi zadnja ničla značilna.
Vsaka količina je rezultat zaokrožanja. Pri tem števke 0,1,2,3,4 zaokrožamo navzdol, 5,6,7,8,9 pa navzgor.
PRIMER
1.08462 = 1.085 zaokroženo na tri decimalke
= 1.08 zaokroženo na dve decimalki
Zato N0=6.0230x1023 pomeni
6.02295x1023 ≤ N0 < 6.02305x1023, oziroma (6.0230 ± 0.00005)x1023
medtem ko N0=6.023x1023 pomeni
6.0225x1023 ≤ N0 < 6.0235x1023 oziroma (6.023 ± 0.0005)x1023
Računanje s približnimi količinami
praktična pravila:
(1.2846+21.72) / 13.14=? kalkulator: 1.750730594
Katere decimalke je smiselno obdržati?
•natančnost rezultata ne more biti večja od natančnosti podatkov
•pri seštevanju in odštevanju naj bo število decimalnih mest rezultata enako najmanjšemu številu decimalnih mest faktorjev
(npr. 1.2846+21.72=23.00 in ne 23.0046)•pri množenju in deljenju naj bo število značilnih mest rezultata
enako najmanjšemu številu značilnih mest faktorjev
(npr. 23.0046/13.14=1.751 in ne 1.75 ali 1.750730594)
PRIMERI
S titracijo smo 25 cm3 raztopine NaOH nevtralizirali z 12.21 cm3 raztopine HCl. Izračunaj koncentracijo NaOH, če je koncentracija HCl 0.0942 mol/dm3.
c = (12.21 x 0.0942)/25.00 = 0.04600728
Upoštevamo tri značilna mesta ⇒ c = 0.0460 mol/dm3
Koliko železa nastane, če se pri redukcijski reakciji
Fe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO2
porabi 503 g ogljikovega monoksida? (Fe 55.85 g/mol, CO 28.01 g/mol)
m = 503/28.01 x 2/3 x 55.85 = 668.634412
Števila molekul, ki nastopajo v reakciji (2 Fe, 3 CO) so cela, tj. točna, zato štejemo, da je število značilnih decimalk neskončno.
m = 669 g
(12.215 x 0.09425)/24.995=0.046059761(12.205 x 0.09415)/25.005=0.045954839
Realna številaRealna števila so vsa (končna in neskončna) decimalna števila.
Realna števila so teoretični konstrukt, ki nam omogoča, da točno izrazimo vse količine.
Ker ni mogoče napisati neskončnega zaporedja decimalk, sloni zapis in računanje z realnimi števili na približkih.
Le nekatera realna števila (npr. koreni, število π ...) so podana implicitno in z njimi lahko računamo točno, brez zaokroževanja (npr. √2 x√3 =√6).
Če na premici označimo enotsko dolžino, lahko točke premice enačimo z množico realnih števil ℝ.
0 1
(pravimo, da smo na premici vpeljali koordinate)
Realno število lahko podamo z vedno boljšimi približki, npr. 3, 3.1, 3.14, 3.141, 3.1415, 3.14159, 3.141592, ... , π.
Sčasoma se je izkazalo, da je podajanje realnih števil z eksplicitnim navajanjem decimalk preveč okorno in da je boljše, če realno število podamo kot “največji” element neke (navzgor) omejene množice realnih števil.
Pri računanju z realnimi števili si prav tako pomagamo s približki:
če a,b ∈ ℝ nadomestimo približno nadomestimo z a’,b’, potem so a’+b’, a’-b’, a’b’ in a’/b’ približki za a+b, a-b, ab in a’/b’.
(vendar pozor, to niso vedno decimalni približki!)npr.
2.56 x 3.17 = 8.1152, medtem ko je 2.5 x 3.1 = 7.75
Naj bo A, množica naravnih števil, katerih kvadrat je manjši od 5:
2.2
2.23
2.236
2.2360
Vsaka navzgor omejena množica realnih števil določa zaporedje decimalk in s tem neko realno
število
PRIMER
5| 2 xRxA
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3
2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24
2.226 2.227 2.228 2.229 2.230 2.231 2.232 2.233 2.234 2.235 2.236 2.237
2.2350 2.2351 2.2352 2.2353 2.2354 2.2355 2.2356 2.2357 2.2358 2.2359 2.2360 2.2361
5
Tako določeno število a, presega vse elemente množice A, kar ne velja za nobeno od a manjše število, zato pravimo, da je a natančna zgornja meja množice A.
Vsaka navzgor omejena množica realnih števil ima natančno zgornjo
mejo
latinsko: a je supremum množice A, pišemo a=sup A
Kadar je a=sup A ∈ A, pravimo, da je a maksimum množice A in pišemo a=max A. Navzgor omejena množica ima vedno supremum, lahko pa se zgodi, da nima maksimuma.
Vsaka navzdol omejena množica realnih števil ima natančno spodnjo mejo, ki ji pravimo tudi infimum in pišemo a=inf A.Kadar je a=inf A element množice A, pravimo, da je a minimum množice A in pišemo a=min A. Navzdol omejena množica ima vedno infimum, lahko pa se zgodi, da nima minimuma.
PRIMERI 11|sup1|sup xQxxRx (maksimuma ni)
01|sup xZx max=0
24|sup 2 xRx
nn aaxRx |sup
55|sup 2 xRx
sup {ploščine krogu vrisanih mnogokotnikov}
= ploščina kroga =
inf {ploščine krogu orisanih mnogokotnikov}
dolžina krivulje = sup {dolžine ‘lomljenk’ ob krivulji}
Angleška 1. liga 2005-2006Topnost kisika v vodi pri tlaku 760 mmHg
FUNKCIJEFUNKCIJE
7,04359,3717
7,13349,5616
7,22339,7615
7,32329,9814
7,423110,2013
7,533010,4312
7,642910,6711
7,752810,9210
7,862711,199
7,992611,478
8,112511,767
8,252412,066
8,382312,375
8,532212,704
8,682113,053
8,842013,402
9,011913,771
9,181814,160
Kisik (mg/L)Temperatura (oC)Kisik (mg/L)Temperatura (oC)Premier League Final table
Chelsea 95
Arsenal 83
Manchester United 77
Everton 61
Liverpool 58
Bolton Wanderers 58
Middlesbrough 55
Mancester City 52
Tottenham Hotspur 52
Aston Villa 47
Charlton Athletic 46
Birmingham City 45
Fulham 44
Newcastle United 44
Blackburn Rovers 42
Portsmouth 39
West Bromwich Albion 34
Crystal Palace 33
Norwich City 33
Southampton 32
x je argument,
f(x) je funkcijska vrednost.
f: x ↦ f(x)
))((: xfgxfg
Funkciji f in g lahko sestavimo, če so vrednosti f vsebovane med argumenti g.
Funkcija je pravilo, ki vsakemu argumentu priredi eno funkcijsko vrednost.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Arsenal
Aston Villa
Birmingham City
Blackburn Rovers
Bolton Wanderers
Charlton Athletic
Chelsea
Crystal Palace
Everton
Fulham
Liverpool
Mancester City
Manchester United
Middlesbrough
Newcastle United
Norwich City
Portsmouth
Southampton
Tottenham Hotspur
West Bromwich Albion
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
Grafična predstavitev funkcije
Grafična predstavitev je smiselna, če nam nekaj pove o zvezi med argumenti in funkcijskimi vrednostmi.
Podajanje s formulo
53)( xxf linearna funkcija
2
2gts pot pri prostem padcu
razdalja točke do izhodišča
22),( vuvud
))()()((4
1cbacbacbacbaS Herenova formula
nxx
x n 1 povprečna vrednost
Formula je lahko odvisna od ene, dveh ali več spremenljivk.
Definicijsko območje formule tvorijo tisti nabori spremenljivk, za katere lahko izračunamo formulo.
GrafRARAf ,:
Graf f je množica točk v ravnini, ki so oblike (x, f (x)) za x∈A.
xx
xl
1
1)(
1
1
2,: RARAf
Graf f je množica točk v prostoru, ki so oblike (x, y,f(x,y)) za (x,y)∈A.
221),( yxyxf
Odsekoma definirane funkcije
PVT-diagram idealnega plina
PVT-diagram realne snoviV
nRTP
Značilnosti grafa odražajo naravo funkcijske zveze.
1. Definicijsko območje, zaloga vrednosti
2. Naraščanje in padanje, ekstremi
3. Ukrivljenost
4. Trend na robu definicijskega območja
5. Periodičnost in simetrije
V posodo točimo vodo iz pipe. Kateri graf prikazuje spreminjanje gladine h vode v odvisnosti od časa t ?
PRIMERI
t
hA
t
hB
t
hC
t
hD
Ker so stene posode navpične, gladina narašča enakomerno - linearno.
Kateri graf ponazarja kinetično energijo E telesa, ki se giblje s hitrostjo v?
v
EA
v
EB
v
EC
v
ED
Kinetična energija je sorazmerna kvadratu hitrosti, E=mv2/2.
Kateri graf prikazuje spremembo prostornine V zraka v posodi ob spreminjanju pritiska p?
p
VB
p
VD
p
VA
p
VC
Boyle-Mariottov zakon: pV=konst., zato je V~1/p.
Kateri graf ponazarja nihanje strune na kitari?
t
yA
t
yC
t
yB
t
yD
Fizikalno: amplituda eksponentno pada, frekvenca se ne spreminja.
Matematično: y=e-at sin(bt), a je dušenje, b je frekvenca nihanja.
Kateri graf ponazarja nihanje strune na kitari?
Nihanje napete strune je primer dušenega nihanja:
moč zvoka hitro upade, višina pa ostane nespremenjena.
Kateri graf prikazuje spremembo temperature T ogrevane posode v odvisnosti od časa t, če je posoda prazna, in kateri, če je posoda polna vode?
Posoda se ogreje do temperature vira toplote. Hitrost segrevanja je sorazmerna razliki temperatur (Newtonov zakon), zato razlika temperatur eksponentno upada. Temperatura polne posode se ne povečuje dokler vsa voda ne povre.
t
TB
t
TC
t
TA
t
TD
prazna posodaposoda z vodo
Kateri graf ponazarja število sekund, ki ga kaže sekundni kazalec na uri?
t
A
t
B
t
C
t
D
Definicijsko območje in zaloga vrednosti
xx
xf
1
1)(
Definicijsko območje Df je ‘senca’ (tj. slika projekcije) grafa na osi x, zaloga vrednosti Zf pa je senca na osi y.
1
1
)1,1[fD
),0[ fZ
Naraščanje in padanje funkcije
Pri stalni temperaturi je tlak padajoča funkcija prostornine.
naraščajoča padajoča
Lokalno naraščanje in padanje funkcije
pri b je funkcija naraščajoča
pri a je funkcija padajoča
a b
Globalni ekstremi
(globalni) minimum
(globalni) maksimum
Lokalni ekstremi
lokalni minimum
lokalni maksimum
ravnovesne lege so tipični primeri
lokalnih ekstremov
Konveksnost in konkavnost
Funkcija je konveksna, če se njen graf krivi navzgor in konkavna, če se graf krivi navzdol.
konkavnost grafa ponazarja pojemanje procesa
konveksnost grafa ponazarja pospeševanje procesa
konveksna
konkavna
Prevoji
Prevoji so točke, pri katerih funkcija preide iz konveksne v konkavno, ali obratno.
Kritična točka snovi je prevoj na kritični izotermi.
Prevoj je točka, pri kateri proces preide iz pospeševanja v zaviranje ali obratno.
Asimptote
npr. temperatura posode, ki se segreje le do temperature vira
npr. dušeno nihanje
Vodoravna asimptota
Linearna asimptota
Vsiljeno nihanje, asimptota je sinusoida
Periodičnost in simetrija
soda
liha
1. Definicijsko območje, zaloga vrednosti
2. Naraščanje in padanje, ekstremi
3. Ukrivljenost
4. Trend na robu definicijskega območja
5. Periodičnost in simetrije
Predstavitev značilnosti funkcije na grafu
Elementarne funkcije
Kotne in ločne funkcije
Polinomi
Racionalne funkcije
Algebrajske funkcije
Eksponentne in logaritmske funkcije
17)( 23 xxxp
1
53)(
3
2
xxxx
xQ
5 2
3 2 11)(
xxx
xxxA
xx eexf 2)( 2
)1ln()( 2xxxg
)cos(3)12sin()( 2 xxxu
xx
xv
1
1arcsin)( )1arctg()( 2xxw
Elementarne funkcije dobimo s pomočjo računskih operacij in sestavljanja iz osnovnih funkcij.
Osnovne funkcije:
potence Znxn ,
koreni Znxn ,
eksponentna ex
logaritemska ln
x
sinus sin x
arkus sinus arcsin x
arkus tangens arctg x
Funkcija f:AB je predpis, ki vsakemu elementu domene A priredi en element kodomene B.
Krivulja v ravnini je graf neke funkcije če jo vsaka navpična premica seka največ enkrat.
Funkcije podane z grafom
Obratne funkcije
Praslika f -1(b)={a∈A| f(a)=b} (rešitve enačbe f(a)=b)
Predpis b ↦ f -1(b) določa funkcijo, če imajo
množice f -1(b) natanko en element za vse b∈B.
Tedaj pravimo, da je f bijektivna, predpis
f -1:BA, b ↦ f -1(b)
pa je obratna (inverzna) funkcija za f.
Funkcijo, ki ni bijektivna po potrebi popravimo s spremembo domene ali kodomene.
f je surjektivna, če imajo f -1(b) vsaj en element.
f je injektivna, če imajo f -1(b) največ en element.
f :AB
Eksponentna funkcijainjektivna
surjektivna
Zožimo kodomeno na (0,+).
Obratna funkcija je
exp-1=ln: (0,+)
PRIMERI
exp: (0,+) je bijektivna.
Tangensinjektivna
surjektivna
Zožitev
je bijektivna.
R )2
,2
(:tg
je strogo naraščajoča, ima
vodoravni asimptoti y=±π/2
)2
,2
(:tgarctg 1 R
Obratna funkcija
je bijektivna.
]1,1[]2
,2
[:sin
]2
,2
[]1,1[:sinsinarc 1
Obratna funkcija je
2
2
1 1
2
2
1
1
Ločne funkcije (ciklometrične funkcije)
arc sin(x) ‘arkus sinus’
inverzna funkcija glavne veje funkcije sin(x)
definirana na intervalu [-1,1], zaloga vrednosti interval [-π/2,π/2 ]
xexy
yeyx
xexxf )(
bijekcija je :f
Obratna funkcija
ni elementarna funkcija.
:1f
Funkcijske enačbe, implicitne funkcije
Za funkcijo f pravimo, da je podana implicitno.
F(x,y)=0
f : AB je rešitev funkcijske enačbe če je F(x,y) definirana za x ∈ A, y ∈ B in je F(x,f(x))=0 za vse x∈A.
322 yxyx
]2,2[:, 21 ff
2
312)(
2
1
xxxf
2
312)(
2
2
xxxf
PRIMER
133 4224 yyxx
6
3123)(
42
1
xxxf
6
3123)(
42
2
xxxf
6
3123)(
42
3
xxxf
6
3123)(
42
4
xxxf
1
2a 2b
3a 3b
4
Implicitna enačba določa funkcijo na odseku med dvema navpičnima tangentama
)arctg()( xxf
xxf )(1
3)(
3
2
xxxf
53)(
53
3
xxxxf
753)(
753
4
xxxxxf
Zaporedja funkcij
Taylorjevi približki za funkcijo arctg(x)
)sin(19.1)(1 xxf
xxxxf 3sin29.02sin38.0sin19.1)(2
xx
xxxxf
5sin16.04sin20.0
3sin29.02sin38.0sin19.1)(3
xx
xx
xxxxf
7sin12.06sin13.0
5sin16.04sin20.0
3sin29.02sin38.0sin19.1)(4
)arctg()( xxf
Fourierjevi približki za funkcijo arctg(x)