Racionális törtfüggvény

Innen: Hungaropédia
Ugrás a navigációhozUgrás a kereséshez

A racionális törtfüggvény a valós számok halmazának olyan önmagára való leképezése, amelyben a hozzárendelést két polinom hányadosával adjuk meg: y=Pm(x)Qn(x)=amxm+am1xm1+...+a1x+a0bnxn+bn1xn1+...+b1x+b0 . A függvény két polinomfüggvény, vagyis racionális egészfüggvény hányadosa. Az együtthatók lehetnek racionális, valós vagy komplex számok, az egyetlen kikötés, hogy Qn(x) nem lehet nulla, emiatt nem lehet az azonosan nulla polinom. A leképezés értelmezési tartománya azokból a valós számokból áll, amelyekre Qn(x) nem nulla.

Típusai

Ha a Qn polinom foka nulla, azaz konstans, akkor a függvény polinomfüggvény, vagyis racionális egészfüggvény. Egyébként, ha a nevező foka nagyobb, akkor valódi racionális törtfüggvényről van szó. Ha ez nem teljesül, akkor a racionális törtfüggvény nem valódi. Polinomosztással egy polinom és egy racionális törtfüggvény összegeként ábrázolható. A táblázat mutat néhány példát a számláló különböző z fokaira és a nevező különböző n fokaira:

Példa Alternatív írásmód z = n = Függvénytípus
f:x3x34x+52 f:x32x32x+52 3 0 racionális egészfüggvény
f:x2x1x2+1 1 2 valódi racionális törtfüggvény
f:x(x1)2(x+2)x(23x2) f:xx33x+22x3x3 3 3 nem valódi racionális törtfüggvény
f:xx+1+1x1 f:xx2x1 2 1 nem valódi racionális törtfüggvény

Tulajdonságai

Mivel Qn(x)-nek legfeljebb n nullhelye van, a függvény értelmezési tartománya legfeljebb n+1 nyílt intervallum uniója. Ezeken a nyílt intervallumokon a függvény folytonos és akárhányszor differenciálható. Az összefüggő zárt résztartományokon integrálható. A függvény grafikonja általában egy vagy több aszimptotával rendelkezik.

Fokszám, rendszám

Az m illetve n fokszámú polinomokkal definiált törtfüggvényeket (m/n)-edfokúnak nevezzük, s a grafikonjuk r rendszámát az egyenletük implicit alakjában szereplő legmagasabb fokszámmal adjuk meg: {y.Qn(x)=Pm(x)y.amxm+=anxn+ {r=m+1,(m+1n)r=n,(m+1<n)

Fontosabb törtfüggvények

Fordított arányosság

A görbe hiperbola (kúpszelet), explicit illetve implicit egyenlete:

y=ax;xy=a

(Az ábrán a<0 együtthatójú görbe, aszimptotái a koordináta-rendszer tengelyei.)

Lineáris törtfüggvény

A függvény és grafikonja az egyenes arányosság transzformáltja.

Reciprok hatványfüggvény

Pontosabban: negatív egész kitevőjű hatványfüggvény. Grafikonja hiperbolikus típusú görbe. Páros kitevő esetén a két ága az Y tengelyre, páratlan kitevő esetén az origóra szimmetrikus.

Reciprok polinomfüggvény

Az n-edfokú polinom reciprokaként megadott racionális törtfüggvény, melynek grafikonja a nevezőtől függően változatos alakú és számú nyílt görbeívből áll. A görbe rendszáma: r = n+1. Az ábrán az y=1ax2+bx+c explicit alakban adott harmadrendű görbe látható. (Ennek speciális esete az Agnesi-féle görbe)

Aszimptotika

A racionális törtfüggvényeknek szakadásuk van a nevező gyökeinél. Emellett még a végtelenben vett viselkedés is kérdéses. A végtelenben vett viselkedés szempontjából a nevező és számláló foka döntő fontossággal bír. A szakasz további részében z a számláló, n a nevező fokszáma. Ha x, akkor f(x)

  • tart sgn(azbn)-hez, hogyha z>n, ahol sgn a szignumfüggvény.
  • tart azbn-hez, ha z=n (az aszimptota párhuzamos az x-tengellyel),
  • tart 0-hoz (az x-tengely vízszintes aszimptota), ha z<n.

Ha x, akkor a második és a harmadik esetben ugyanaz a határérték, mint x esetén. A többi eset:

  • Ha zn páros, akkor az érték ugyanaz, mint x esetén.
  • Ha zn páratlan, akkor az előjel ellentettje az x értékének.

Ahogy majd később írjuk, polinomosztással a függvény felbontható egy polinom és egy valódi racionális törtfüggvény összegére. A polinom aszimptotikus görbét ad. A z=n+1 speciális esetben ferde aszimptota adódik. Az aszimptotikus görbe vizsgálatával az x± viselkedése egyszerűbben elemezhető. Példák:

  • Az f:x2x1x2+1 lineáris törtfüggvény esetén a számláló foka z=1 és a nevező foka n=2, így az x± határérték 0.
  • Az f:xx33x+22x3x3 racionális törtfüggvény számlálójának foka z=3, nevezőjének foka n=3; a főegyütthatók a3=1 und b3=3, tehát adódik az aszimptota egyenlete: y=13.
  • Az f:xx2x1 racionális törtfüggvény számlálójának foka z=2, nevezőjének foka n=1; az a2=1 és b1=1 főegyütthatókkal adódik, hogy

f(x)sgn(11)=+, ha x. Mivel zn=1 páratlan, azért x határértékének előjele az előző ellentettje. A függvény írható úgy is, mint f:xx+1+1x1, a ferde aszimptota egyenlete y=x+1, amivel az előbbi értékek könnyebben adódnak.

Diszkusszió

Az f=pq:xp(x)q(x) függvényterm grafikonjának elemzésére a következő diszkusszió végezhető.

Szimmetria

Mivel szakadásai a q gyökeiben vannak, a gyökök száma pedig véges, azért az f periodikusságáról nem lehet szó. Egy polinomfüggvény akkor páros vagy páratlan, ha minden kitevője páros vagy páratlan. Ha a számláló és a nevező típusa is ilyen, akkor az f racionális törtfüggvény páros vagy páratlan. Nevezetesen:

  • Ha p és q egyszerre páros vagy páratlan, akkor a racionális törtfüggvény páros.
  • Ha p és q egyike páros, másika páratlan, akkor f páratlan.

Egyéb esetben nehéz f szimmetriáját meghatározni. Példák:

  • Az f(x)=2x33xx2+1 függvény szimmetrikus az origóra, mivel p páratlan és q páros, a függvény páratlan.
  • Az f:xx5x3x3+x függvény szimmetrikus az y tengelyre, mivel p ésq is páratlan, így a hányados függvény páros. Kiemelve egy x-et a számlálóból és a nevezőből, egyszerűsíthetjük a függvényt az f(x)=x4x2x2+1*xx. Mivel itt p és q páros, azért a hányados függvény is páros.
  • Az f(x)=xx1 függvényről nem lehet szimmetriát megállapítani az alakja alapján, de megmutatható, hogy szimmetrikus a P(1, 1) pontra, ugyanis:
    f(1+x)1=1+x(1+x)11=1+xxxx=1x és
    1f(1x)=11x(1x)1=xx+1xx=1x.
Eszerint elvégezve az átalakításokat f(1+x)1=1f(1x), tehát szimmetrikus az szimmetrikus a P(1, 1) pontra. Egy alternatív módszer, hogy belátjuk, hogy a függvény megkapható g:x1x-ből eltolással, azaz 1-gyel x irányba, és 1-gyel y irányba.

Értelmezési tartomány, nevezetes pontok

A racionális törtfüggvény nincs értelmezve a q polinom gyökeiben. Nullhelyei azok a helyek, melyek gyökei p-nek, de nem gyökei q-nak. Speciális esetben az a valós szám mind a számlálónak, mind a nevezőnek gyöke. Polinomosztással kiemelhető egy vagy több xa tényező mind a számlálóból, mind a nevezőből. Hogy hányszor, azt a gyök multiplicitásának nevezik.

  • Ha a nevezőben nagyobb a multiplicitás, akkor a hely pólushely, és a nevezőbeli multiplicitás a pólushely multiplicitása.
  • Különben a szakadás megszüntethető.

Példák:

  • Az f:xx1(2x4)2 függvény értelmezési tartománya 𝔻={2}, mivel a q:x(2x4)2 nevezőnek nullhelye x=2. A függvénynek nullhelye van x=1-ben, mivel ez a p:xx1 számlálónak egy olyan nullhelye, ami nem gyöke a nevezőnek. x=2 kétszeres pólus.
  • Az f:xx2xx21 függvény értelmezési tartománya 𝔻f={±1}. Itt azonban 1 a számláló és a nevező közös gyöke. Kiemelve az (x1) tényezőt, adódik, hogy f:xx(x1)(x+1)(x1). Innen x=1 egyszeres pólus, x=1 megszüntethető szakadás, x=0 nullhely. Az x=1 helyen nincs nullhely, mivel itt a függvény nincs értelmezve. f folytonos folytatására f~(x)=xx+1 és 𝔻f~={1}.

Aszimptoták

Polinomosztással kapjuk a függvény p=gq+r alakját, ahol g és r polinomok, és r fokszáma kisebb, mint q fokszáma. Az f=pq=g+rq függvény aszimptotikus viselkedését a g polinom határozza meg. A polinomosztást csak a harmadik és a negyedik esethez érdemes elvégezni.

  1. z<n → az x-tengely aszimptota: g(x)=0
  2. z=n → függőleges aszimptota: g(x)=azbn
  3. z=n+1 → ferde aszimptota: g(x)=mx+c;m0 (a 4-es speciális esete)
  4. z>n+1 → racionális egészfüggvény mint közelítőfüggvény, lásd approximáció

Derivált

A racionális törtfüggvények deriválásához általában a hányadosszabályt lehet használni, habár gyakran a láncszabály is hasznos lehet, például ha a nevező egy kéttagú összeg hatványa. A deriválás előtt előnyös elvégezni a polinomosztást, a számláló és a nevező közös tagjainak kiemelését egy külön tényezőbe, hogy a függvény alakja minél egyszerűbb legyen. Példák:

  • Az f:x2x1(x2+1)2 függvény esetén érdemes a láncszabályt is használni, mivel a nevezőben binom hatványa szerepel. A láncszabállyal a q nevező deriváltja:
    q(x)=2(x2+1)2x=4x(x2+1),
így a teljes függvény deriváltja
f(x)=2(x2+1)2(2x1)4x(x2+1)(x2+1)4.
A számlálóban kiemelhetünk egy (x2+1) tényezőt:
f(x)=2(x2+1)(2x1)4x(x2+1)3(x2+1)(x2+1).
  • Az f(x)=x4+x37x212x43x3+12x2+12x függvény polinomosztással
    f(x)=13x1+x243x3+12x2+12x
alakra hozható, ahonnan leolvasható a ferde aszimptota egyenlete:
y=13x1.
A számláló és a nevező tényezőkre bontása:
f(x)=13x1+(x+2)(x2)3x(x+2)2,

felismerhető és kiemelhető mindkét helyen egy (x+2) tényező. A deriválásra előkészített alak:

f(x)=13x1+x23x2+6x(x+2)(x+2);

az egyszerűség kedvéért ebből az

f(x)=13x1+x23x2+6x;

tényezőt fogjuk deriválni. A hányadosszabállyal

f(x)=13+1(3x2+6x)(x2)(6x+6)(3x2+6x)2=13+3x2+12x+12(3x2+6x)2=13+x2+4x+43x2(x+2)2.

A szélsőértékek kereséséhez a deriváltat újra beszorozzuk az elhagyott tényezővel:

f(x)=x2(x+2)2x2+4x+43x2(x+2)2=x4+4x3+3x2+4x+43x2(x+2)2.

Primitív függvény

A racionális egészfüggvényekkel szemben a racionális törtfüggvényeknek gyakran viszonylag nehéz meghatározni a primitív függvényét. A racionális törtfüggvény alakja szerint a következő összefüggéseket lehet használni, amihez általában a megfelelő alakra kell hozni:

1mx+adx=1mln(mx+a)+C ha m,a,m0
1(mx+a)ndx=1m1n11(mx+a)n1+C ha m,a,m0,n{0;1}
1x2+1dx=arctan(x)+C vagy =arccot(x)+C
1x21dx=artanh(x)+C=12ln(1+x1x) ha |x|<1
1x21dx=arcoth(x)+C=12ln(x+1x1) ha |x|>1
u(x)u(x)dx=ln|u(x)|+C ha u(x)0

Szükség lehet a parciális törtekre bontásra is. Példák:

  • Keressük az f(x)=5x13x+2 függvény primitív függvényét. Polinomosztással:
    f(x)=53139x+6.
Az első szabály alkalmazásával a primitív függvény:
F(x)=53x139ln(9x+6).
  • Keressük az f(x)=x2+1x21 függvény primitív függvényét, ha x abszolútértéke legfeljebb 0,5. Polinomosztással
    f(x)=1+2x21.
A negyedik szabállyal:
F(x)=x+2artanh(x).
  • Keressük az f(x)=x+2x2+4x+5 függvény primitív függvényét. A függvény írható úgy is, mint
    f(x)=122x+4x2+4x+5=12u(x)u(x), ahol u(x)=x2+4x+5.
Az utolsó szabály primitív függvénye:
F(x)=12ln(x2+4x+5).
  • Az f(x)=1x2+2x+2 függvény primitív függvénye az y=x+1 helyettesítéssel határozható meg, miután a nevezőt teljes négyzetté alakítottuk:
    1x2+2x+2dx=1(x+1)2+1dx=1y2+1dy=arctan(y)+C=arctan(x+1)+C
  • Az f(x)=1x2x6 primitív függvénye parciális törtekre bontással kapható a kiemelések után:
    1x2x6dx=1(x3)(x+2)dx=15(1x31x+2)dx=15(ln(x3)ln(x+2))+C=15ln(x3x+2)+C

Alkalmazások

A természettudományokban és a technikában számos alkalmazásuk van a racionális törtfüggvényeknek:

  • Rögzített út megtételéhez szükséges idő és sebesség.
  • Adott mennyiségű oldott anyag koncentrációja fordítottan arányos az oldószer térfogatával.
  • Adott erő esetén a gyorsított test tömege és gyorsulása.
  • Egy síkkondenzátor C elektromos kapacitása a lemezek közötti d távolság függvényében:
C(d)=ϵ0ϵrAd,
ahol A a lemezek felülete, ϵ0 a vákuum permittivitása, és ϵr a permittivitás.
  • A fizika több területén is előkerül az f(x;y)=xyx±y függvény a harmonikus középpel összefüggően. Ha az egyiket paraméternek tekintjük vagy adottnak vesszük, akkor a másik racionális törtfüggvénye adódik. KÉt másik függvény reciprokainak összegének reciprokáról van szó.
  • Az optikában egy lencse f gyújtótávolsága a tárgy t és a kép k távolságágából számítható: f(t;k)=tkt+k; átrendezve hasonló képlet adódik, de összeadás helyett kivonással.
  • Párhuzamos kapcsolás esetén két ellenállás, R1 és R2 együttes ellenállása: R=R1R2R1+R2. Hasonló teljesül két sorosan kapcsolt kondenzátor kapacitására.
  • A mechanikában ha két rugót egymás után függesztünk, és rugóállandójuk D1 és D2, akkor az együttes rugóállandó D=D1D2D1+D2.
  • Feszültségelosztó esetén egy R ellenálláson eső U feszültség U(R)=U0RR+R, ahol U0 az elosztandó feszültség és R a másik ellenállás.
  • Egy R ellenállású fogyasztó által leadott P teljesítményére adódik, hogy P(R)=U2R(R+Ri)2, ahol U feszültség és Ri a feszültségforrás belső ellenállása. A legnagyobb lehetséges teljesítmény: R=Ri.
  • Egy nem túl rövid L induktivitású tekercsre az r sugárral összefüggésben teljesül a következő: L(r)=μ0N2πr2l+r/1,1, ahol l a tekercs hossza, N a menetek száma, μ0 a mágneses mező konstansa.
  • Egy Atwood-féle gép esetén az a gyorsulás a következőképpen függ m és M tömegektől: a=m2M+mg; a tekinthető m vagy M racionális törtfüggvényének.
  • A geometria is felvethet olyan kérdéseket, amelyekre racionális törtfüggvény adja a választ: Egy test egy l, 2r, és r élű téglatest és egy erre illesztett l magasságú, r sugarú félhenger egyesítése. Adott térfogat esetén a felszín: A(r)=(π+4)r3+2Vr.

Polinomok hányadosteste

Az absztrakt algebrában a polinomok hányadosteste hasonlóan áll elő polinomokból. Egy K test fölötti n változós polinomgyűrű hányadostestéről van szó absztrakt értelemben. A racionális törtfüggvények szoros kapcsolatban állnak a polinomok gyűrűjének hányadostestével, de a két fogalom nem azonos. Például a p(x)=x1x21 és a q(x)=1x+1 kifejezések mint a valós együtthatós polinomok hányadostestének elemei egyenlőek, mivel ott x21 osztható x1-gyel, és a hányados x+1. De ha p(x)-et és q(x)-et mint racionális törtfüggvényeket tekintjük, akkor nem egyenlőek, hiszen q(x) értelmezhető az x=1 helyen, p(x) viszont nem. Véges test fölött a különbségtétel még egyszerűbb: 𝔽p (maradékosztályok teste modulo egyp prímszám) fölött definiált hányadostestben 1XpX jóldefiniált racionális függvénye X-nek, habár szűkebb értelemben véve nem függvény, mivel sehol sem értelmezhető. Ugyanis behelyettesítve x𝔽p elemeit, kapjuk, hogy 1xpx, ami nem értelmezhető, hiszen xpx a kis Fermat-tétel miatt azonosan nulla. Végtelen test fölött ugyanez nem fordulhat elő, csak viszonylag kevés helyen nincs egy racionális törtfüggvény értelmezve. A Zariski-topológia szerint azok a helyek, ahol a függvény nincs értelmezve, Zariski-zárt halmazt alkotnak, és az értelmezési tartomány lezártja a teljes halmaz. Legyen V varietás, amit az f1,,fmk[x1,,xn] polinomok definiálnak. Azaz

V={x𝔸nf(x)=0 minden fS} esetén. Vagyis
I(V)={fk[x1,,xn]f(x)=0 ha xV}.

Az egfész függvények gyűrűje k[x1,,xn]/I(V). A racionális függvények teste ennek hányadosteste. Általánosabb a racionális leképezések fogalma, azaz a kvázi-projektív varietásoké. A racionális függvények egy varietás 𝔸1-be menő racionális leképezéseinek speciális esetei.

Források

Commons:Category:Rational functions
A Wikimédia Commons tartalmaz Racionális törtfüggvény témájú médiaállományokat.

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Rationale Funktion című német Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Irodalom

  • Bronstein – Szemengyajev: Matematikai zsebkönyv. Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1987. ISBN 963 1053091
  • Dr. Hack & all.: Négyjegyű függvénytáblázatok,…(Nemzeti Tankönyvkiadó, 2004) ISBN 978-963-19-5703-7
  • Reiman István: Matematika (Műszaki Könyvkiadó, 1992)
  • Reinhardt, F. – Soeder, H.: SH atlasz-Matematika (Springer-Verlag, 1993)
  • Sain Márton: Matematikatörténeti ABC (Nemzeti Tankönyvkiadó - Typotex, 1993)
  • Szász Pál: A differenciál- és integrálszámítás elemei (Közoktatásügyi Kiadóvállalat, 1951)
  • Pattantyús Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 1. kötet. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1961.