Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Matykání XIX: Výlet do infinitesimální džungle

Nebude to žádná procházka růžovým sadem. Jídlo a pití na tři dny s sebou. Plus gumáky, deštník, kalkulačku, žákovskou knížku a harpunu. A samozřejmě také potvrzení od rodičů, že pokud vás kousne tygr, můžete si za to sami.

Určitě jste si všimli, že Sněžku si prohlédnete daleko lépe, pokud stojíte na některém z protilehlých hřebenů, než když se nalézáte na úbočí samotné hory. Takový je zákon horské perspektivy. Abyste měli na nějaký vrcholek dobrý výhled, potřebujete určitý odstup.

Infinitesimální počet (zahrnující počet diferenciální a integrální) představuje určitý vrchol základní aplikované matematiky. Dá-li příroda, časem se k němu také prokoušeme a na jeho strmých úbočích zažijeme mnohá vzrušující dobrodružství. Protože se ale zrovna nacházíme na protáhlém hřbetu Funkčních hor, máme vzácnou příležitost podívat se na tuto výspu matematického vědění s trochu větším nadhledem, než když budeme viset za lano ve skalní stěně Taylorova polynomu a odhánět hladové orly kalkulačkou. V technických detailech se dnes nebudeme příliš babrat, ale spíš se podíváme na klíčové pojmy těchto disciplín přes pomyslný Obří důl.

Předpokládejme, že studujeme nějakou funkci, říkejme jí f(x), a chceme se o jejím chování na daném intervalu dozvědět co nejvíce. K tomuto cíli nám dopomohou další dvě funkce, které jsou z té naší jistým způsobem odvozené, a to derivace a integrál. Protože víme, že daná funkce není nic jiného než krabička s trpaslíkem, její derivace a integrál nebudou v naší matematické výbavě představovat žádný velký konceptuální skok a pouze do ní přidají dva nové (byť – přiznejme si – trochu jurodivé) trpaslíky. Dokonce uvidíme, že v případě integrálů bude těch trpaslíků nekonečně mnoho. Není proto divu, že Jára Cimrman, sám velký propagátor infinitesimálního počtu v horských oblastech severního Pojizeří, si na jejich pozoruhodnou všudypřítomnost mnohokrát stěžoval, když za svitu petrolejových lampiček vysvětloval chudým tkalcům metodiku navlékání člunku pomocí věty o střední hodnotě.

Pokud s vámi pomocní trpaslíci nebudou chtít během četby spolupracovat, nevěšte hlavu. Stačí vzít harpunu a trochu je tím ostrým koncem popíchnout. A jak potom spolupracují!

Ve volné přírodě poznáme derivaci i integrál poměrně snadno, a to podle barvy kapitánské pásky na ruce jejich trpaslíka – derivace má červenou a integrál modrou. Fyziognomicky totiž oba pomocní gnómové vypadají přesně jako jejich kolega z původní funkce (tomu jsem pro snadné rozlišení navlékl pásku zelenou). Cimrman to před sto lety svým žákům vysvětloval genderově (to už by asi dneska neprošlo): „Říkáme TA derivace, proto má derivace pásku červenou, zatímco TEN integrál má pásku modrou."


Pokud jsme si pro základní funkci vybrali symbol f(x), pro derivaci používáme označení „s čárkou“ – tedy f'(x) – a pro integrál příslušné velké písmeno – zde F(x). Často se také používá diferenciální značení (na poslední řádce), ale s tím si prozatím nebudeme dělat starosti (ten prapodivný symbol v pravém dolním rohu, trochu připomínající škvíru v houslích, se vyslovuje integrál).

Nuže, kdo se pročetl až sem, může o sobě směle tvrdit, že již ovládá základy diferenciálního a integrálního počtu. Červená páska derivace, modrá páska integrál. No prosím, jak vám to jde.

Přestože jejich výpočet pro složitější funkce f(x) dokáže zakabonit čelo nejednoho učence, podstata a praktický význam obou pojmů nejsou ničím, co by běžný středoškolák nemohl pochopit. Kdo se chce o obou pomocných funkcích dozvědět něco více, může pokračovat ve čtení. Zbytek čtenářstva nechť si rozevře záchranný deštník a vyskočí z našeho vzdělávacího balónu.

Mamííí, co je to derivace?

Představ si, že honíš lupiče a policejní vůz ti právě hlásí, že byli spatřeni na rohu Ječné a Jiráskovy ulice. To ti ale samo o sobě k úspěšnému pronásledování nestačí. K zachycení jejich stopy ještě potřebuješ zjistit, kterým směrem jeli a jak rychle. Jinými slovy v reálném životě je užitečné vědět nejen, kde věci jsou, ale také kam směřují. V matematice k tomuto účelu slouží derivace. Zatímco funkce jako takové popisují stav dané kvantity, derivace nám ukazují, jakým způsobem se tyto kvantity mění, tedy zda rostou nebo klesají a jak rychle. Až ti bude Péťa zase ukazovat, že má stále víc a víc hraček, tak mu prostě řekneš, že počet jeho hraček má kladnou derivaci. Ten bude panečku koukat.

V první řadě si musíme uvědomit, že derivace dané funkce je také jenom funkce (tedy krabička s dalším trpaslíkem, který ze vstupních hodnot vytváří hodnoty výstupní), a není tudíž potřeba se jí bát, natož před ní skákat do kopřiv. Abychom pochopili, jak derivace funguje, stačí nám podívat se, co červený trpaslík udělá, pokud mu do jeho krabičky vhodíme vstupní hodnotu x.

Na následujícím obrázku je libovolná funkce, které budu říkat f(x), a dvě vstupní hodnoty na x-ové ose. Jednu jsem označil A a druhou B. Připomeňme si nejdřív, že pokud do původní funkce (kde žije zelený trpaslík) vhodíte hodnotu A, na výstupu vám trpaslík vyhodí funkční hodnotu y = f(A) a ta vám v podstatě říká, jak vysoko se v daném bodě (x=A) graf funkce nachází. To je ta zelená úsečka. A totéž pro hodnotu B.

My bychom ale chtěli nejen vědět, jak vysoko v daném bodě funkce je, ale také jakou změnu můžeme pro nejbližší hodnoty x očekávat, tedy jakou má funkce v tom bodě tendenci. A to právě zajišťuje derivace. Směřování funkce vyjadřuje schematicky na obrázku červená šipečka. Teď už jen musíme najít nějaký rozumný způsob, jak ji proměnit v číslo, které nám bude červený trpaslík servírovat na výstupu derivace.


Nejlepší je se na derivaci dívat mechanicky. Představte si, že červený bod je loď, která pluje podél grafu naší funkce (tedy po modré křivce), a ta šipečka je bidlo, které z naší kocábky trčí na přídi (a tím pádem ukazuje, kterým směrem momentálně plujeme). Takto definovaný směr plavby můžeme proměnit v číslo tak, že si zaznamenáme úhel mezi červenou šipkou a nějakým předem zvoleným směrem – třeba horizontálním směrem vyznačeným světle šedou úsečkou vycházející z daného bodu. U bodu B jsem úhel naznačil hvězdičkou (u bodu A je směr plavby totožný se směrem horizontálním, takže úhel je tam nula).

Ten úhel sám o sobě ještě není derivace, ale už jsme blízko. Pomůžeme si jednou vychytávkou ze středoškolské matematiky. Z pohledu analytické geometrie je přímka lineární funkcí s rovnicí y = kx+q, kde q je průsečík přímky s osou ypsilon a k je tzv. směrnice přímky, tedy tangens jejího úhlu. Na obrázku vpravo vidíte několik přímek vycházejících z červeného bodu, včetně jejich směrnic (a odpovídajících úhlů). Máte-li po ruce kalkulačku, můžete si sami ověřit, že směrnice je skutečně tangens naznačeného úhlu.

Vidíte, že pokud přímka neklesá, ani nestoupá, její směrnice je 0. Klesající přímky mají zápornou směrnici k (a čím rychleji klesají, tím zápornější směrnice je), zatímco stoupající přímky mají směrnici kladnou.

A teď můžeme v definici derivace udělat poslední krok. Červený trpaslík nám na výstupu prostě vyhodí směrnici přímky určené tou červenou šipečkou (jmenuje se Slečna Tečna, ale seznámit se s ní nepokoušejte – je poměrně netečná). Jinými slovy, derivace v daném bodě není nic jiného než směrnice tečny ke grafu funkce v tom bodě.

Derivace (coby funkce) tedy funguje takto. Vhodíte do trpaslíkovy krabičky nějakou vstupní hodnotu x, trpaslík si vyhledá bod na grafu původní funkce, který odpovídá příslušné souřadnici x, a v tom bodě si nakreslí červenou šipečku. Pak se podívá, jaký úhel šipečka svírá s kladným směrem podél osy x (horizontální směr), a na výstup vám vyhodí tangens toho úhlu.

Protože tangens převádí kladné úhly na kladná čísla a záporné na záporná, derivace nám velmi intuitivně ukazuje, zda funkce v daném bodě roste, anebo klesá. Pokud funkce roste (šipečka trčí vzhůru), úhel mezi šipečkou a šedou referenční úsečkou bude kladný, a tudíž derivace (coby směrnice neboli tangens tohoto úhlu) bude taktéž kladná. Pokud funkce klesá, úhel bude záporný a stejně tak derivace. Čím strměji funkce klesá, tím zápornější její derivace bude.

Podívejme se na obrázek vlevo. Protože tangens je protilehlá ku přilehlé, derivace dané funkce v bodě A není nic jiného než poměr přírůstku y-ové složky (který jsem označil jako dy) k přírůstku x-ové složky (dx) podél tečny. Písmenko d pochází z řeckého delta, kterým se obvykle vyznačuje změna v hodnotě nějaké proměnné. Máme tedy:

f'(A) = dy/dx (*)

To nám umožňuje velmi vizuální interpretaci čísla, které nám červený trpaslík (derivace) vyhazuje na výstupu.

Funkce vlevo je f(x)=x2 a v tabulkách si najdeme, že její derivací je funkce f'(x) = 2× (druhý řádek shora, kde položíme n=2). Pokud tedy chceme vědět, jak rychle kvadratická funkce stoupá v naznačeném bodě x=1.5, prostě toto číslo předhodíme červenému trpaslíkovi a ten nám na výstup pošle hodnotu f'(1.5) = 2*1.5 = 3. Takže derivace v bodě x=1.5 je 3.

Z formulky (*) nyní dovodíme, že v bodě A platí:

3 = dy/dx neboli dy = 3*dx

Z pohledu inženýra to znamená, že když vstupní hodnotu trochu zvětšíme o dx, hodnota na výstupu se zvětší zhruba o trojnásobek této hodnoty. A čím je dx menší, tím je odhad přesnější (pro nelineární funkce se tečna daná červenou šipečkou začne dříve nebo později odchylovat). Číslo 3 je zde v podstatě konstantou úměrnosti mezi přírůstkem vstupní proměnné a očekávaným přírůstkem proměnné výstupní. To samozřejmě platí jen v okolí bodu A. Jakmile s bodem A trochu pohnete, derivace se změní (protože do vzorečku dosadíte jinou hodnotu x) a převodové poměry se změní s ní. Pouze přímky – tedy lineární funkce – mají derivaci konstantní, protože přibývají či ubývají stále stejným tempem.

Anebo jinak. Když si vezmete silnou lupu a podíváte se na okolí červeného bodu, uvidíte, že lokálně se funkce chová jako přímka (podobně jako si Zemi můžeme lokálně představit jako rovinu, přestože je to ve skutečnosti koule). A ta konkrétní hodnota derivace (tedy 3) nám říká, že v okolí bodu A se naše kvadratická parabola chová zhruba jako přímka se směrnicí 3 (tohle je vlastně jenom jiná interpretace pojmu tečna). To znamená, že na každý krok doprava udělá tři kroky směrem vzhůru.

Tak či onak, derivace (vyčíslená v určitém bodě x) nám ukazuje, jak rychle se v bodě mění proměnná y v závislosti na x. A získat tuto informaci prostřednictvím jednoho čísla je pochopitelně praktičtější než naházet zelenému trpaslíkovi zkusmo do krabičky hafo hodnot x a přitom pozorně sledovat, co se děje na výstupu.

Tatííí, co je to integrál?

Představ si, že jdeš po silnici a na každém patníku leží mince. Jako každý chudý školák minci sebereš a dáš si ji do tobolky. To, co je pro tebe důležité, ale není to, jaká mince na tom kterém patníku právě leží – třeba je to jen koruna – ale jakou celkovou hodnotu mají mince ve tvé tobolce. Na ostatních patnících mohly klidně ležet třeba dvacky. V praktickém životě nás vždycky zajímá hlavně nastřádaná (kumulativní) hodnota, ne momentální kořist. Mezi funkcemi hraje roli kumulativního indikátoru právě integrál, který do jisté míry ukazuje, kolik kvantity reprezentované danou funkcí sis zatím nahamounil. Tady například uvažujeme funkci, která každému patníku přiřazuje určitou minci. Tak až se Péťa bude zase vytahovat, že nasbíral cennější mince než ostatní, tak mu prostě vysvětlíš, že jeho silnice má větší integrál. A ono mu sklapne.

Stejně jako derivace, integrál není nic jiného než prachobyčejná funkce (trpaslík s modrou kapitánskou páskou), takže se podívejme, co tento pidimužík udělá, pokud mu do krabičky vhodíme nějakou vstupní hodnotu x.

Každý modrý trpaslík má ve své skříňce zapsanou určitou startovní hodnotu s (ta se může trpaslík od trpaslíka lišit). Když trpaslíkovi do krabičky vhodíte číslo x, on si změří plochu pod grafem původní funkce f(x) od té startovní hodnoty s až po vaše zadané číslo x. Velikost této plochy vám potom vyhodí na výstupu (na obrázku níže je vystínovaná modře). Nic víc a nic míň. Musí se tam sice dávat trochu bacha na znaménko, tedy zda je funkce kladná (nad osou x), a nebo záporná (pod osou), ale s tím si zatím nebudeme lámat hlavu.

Funkce, která takto funguje, se jmenuje integrál té původní funkce f a obvykle se značí příslušným velkým písmenem – v našem případě tedy F(x). Někdy také té funkci F(x) říkáme primitivní funkce a angličtina pro ni má dokonce výraz anti-derivace, který naznačuje, že v jistém smyslu je integrál jakýmsi protějškem derivace (koho to zajímá podrobněji, vysvětlení najde na konci sekce Jauvajs).


V praxi nás většinou zajímá velikost plochy pod funkcí mezi nějakými dvěma konkrétními hodnotami, lidově vocuď-pocuď, ale s tím, že to „vocuď“ nemusí být nutně ta startovací hodnota s, kterou má každý trpaslík zafixovanou (pravděpodobně ve stropě). Proto se při počítání ploch pod funkcemi v našich výpočtech většinou objevuje rozdíl hodnot primitivní funkce v těch dvou bodech (vocuď-pocuď). Jako příklad (viz další obrázek) si odvodíme výraz pro plochu poslední tmavomodré „nudličky“ mezi hodnotami x-dx a x (zde je dx libovolné číslo naznačující šířku nudličky). Když se na to budeme dívat čistě geometricky, tak nám stačí obě hodnoty předhodit modrému trpaslíkovi (integrál) a odečíst, tedy spočítat F(x) – F(x-dx). Rozmyslete si, že toto vám skutečně dá kýženou plochu (první člen vyjadřuje plochu od s do x, ten druhý od s do x-dx a jejich rozdíl je přesně to, co potřebujete).


Aby nám startovací hodnota s nevrtala v hlavě moc dlouho (s děravou hlavou se špatně počítá), podíváme se jí trochu na zoubek.

Protože žijeme v době volného trhu, může se stát, že pro výpočet integrálu dané funkce f nabídnou své služby dva nezávislí trpaslíci. Ten původní, říkejme mu Standa, který na výstupu vyhazuje velikost plochy pod funkcí od hodnoty s (kterou si vybral, když skládal trpaslické zkoušky) do hodnoty x (kterou jste mu vhodili na vstupu vy), a potom jeho konkurent, budeme mu říkat Zdenda, který velikost té plochy počítá od z (jako „začátek“) do x (viz obrázek nahoře).

Z geometrie je jasné, že když oběma hodíte na vstup to samé číslo x, jejich výstupní hodnoty se budou lišit přesně o velikost té světle hnědé plochy, říkejme jí C. To znamená, že pokud je Zdenda mazanej, tak po vašem vhození x nejprve zavolá Standovi, zeptá se, jak velkou plochu pro to konkrétní x dostal, a pak k ní prostě přičte C a hodí vám to na výstup. Jinými slovy, obě primitivní funkce, Standova i Zdendova, se liší pouze o konstantu C. A protože máme nekonečně mnoho možností pro výběr počátečního bodu, máme de facto pro každou funkci f(x) nekonečně mnoho primitivních funkcí, ale všechny se liší pouze o konstantu. To se při výpočtu obvykle zohlední tak, že k primitivní funkci automaticky připlácneme libovolnou konstantu: F(x)+C (říká se jí „integrační konstanta“).

Protože nás z výše uvedených důvodů většinou zajímá rozdíl hodnot primitivních funkcí, nemusíme si s konstantou dělat hlavu. Ona se při výpočtu vyruší. Např. tmavomodrá nudlička vpravo na předchozím obrázku bude mít podle jiného trpaslíka plochu (F(x)+C) – (F(x-dx)+C), což vede opět k výrazu F(x) – F(x-dx).

Neurčitost v definici integrálu si můžeme představit jako počítání let v kalendáři. Západní civilizace si jako startovní bod vybrala (nejpravděpodob­nější) rok narození Krista, ale pokud bychom si vybrali třeba rok narození Karla IV., dostali bychom obdobný kalendář, který by začínal v roce 1316 a na ten křesťanský by se dal lehce přepočítat. Sám Karel by podle takového kalendáře žil v letech 0 až 62 (po Karlovi), zatímco podle standardního kalendáře žil v letech 1316 až 1378 (po Kristovi). V obou případech se dožil 62 let. Ten rozdíl musí být stejný. A z podobného důvodu dostaneme stejnou plochu pod funkcí (počítáno vocaď-pocaď), ať už ji zadáme Standovi (který začíná měřit v bodě s), a nebo Zdendovi (který začíná v z). Rozdíl primitivních funkcí musí být stejný.

Tak a teď když jsme se probrodili konstantami a náhodně vybraná startovací pozice už nás netrápí, podíváme se, co Standa v té své krabičce vlastně dělá, když pro nás tu plochu počítá. Pokud se dá primitivní funkce F(x) vyjádřit vzorečkem, tak do něj Standa prostě dosadí x a pošle vám výsledek na výstup. Existují ovšem poměrně jednoduché funkce, např. sin(x)/x, pro které ani v 21. století tu primitivní funkci stále neznáme, respektive ji neumíme vyjádřit pomocí známých funkcí. V takovém případě se Standa musí uchýlit k malé lsti, které se říká numerická integrace.

Představme si, že máme spočítat světle modrou plochu od nějaké hodnoty a (vocaď) do nějaké hodnoty b (pocaď). Na obrázku výše je a=1 a b=3.

Nejprve si tu světle modrou plochu rozřežeme na N tmavomodrých nudliček, takže každá z nich bude mít šířku dx = (b-a)/N. Tedy slovy: délka intervalu dělená počtem nudliček. Na obrázku jsou nudličky jen dvě – aby nebyl moc přeplácán – ale pokud si je představíte všechny, uvidíte jako na dlani tu kumulativní vlastnost integrálu. Každá nudlička představuje „mincovní úlovek“ naší funkce f(x) na nějakém úzkém intervalu, na kterém je funkce zhruba konstantní. A při počítání celé plochy ty malé plošky de facto sčítáme (integrál taky není nic jiného než určitá forma nekonečného a dokonce nespočetného součtu).

Protože křivočaré plochy moc počítat neumíme, budeme se tvářit, že každá nudlička je plus minus obdélník (za tím účelem ji nahoře lehce opilujeme) a žádanou plochu získáme sečtením ploch všech obdélníkových nudliček (bude tam sice trochu chybka, ale jako první aproximace nám to stačí). Šířka každé nudličky je dx a její výška je určená funkční hodnotou v nějakém bodě dané nudličky. Ty hodnoty si označíme jako f1, f2, …, fN a spočítat je není žádný problém. Hodnotu x, kterou jsme si z každé nudličky vybrali, předhodíme zelenému trpaslíkovi (ten co šéfuje té původní funkci f) a máme vystaráno. Který konkrétní bod jsme si z každé nudličky vybrali, je více méně jedno. Pokud jsou nudličky dostatečně úzké (tj. N je dostatečně veliké), tak je funkční hodnota uvnitř každé nudličky prakticky konstantní. Takže pro výslednou plochu dostaneme přibližně tento součet nudličkových ploch:

P = (f1 + f2 + f3 + … fN)*dx = (b-a) * (f1 + f2 + f3 + … fN) / N

A to je číslo, které nám Standa vyhodí na výstupu. Současně jsme si ale připravili půdu pro jednu zajímavou aplikaci integrálu.

Když se podíváte na předchozí vzoreček, na jeho pravé straně v podstatě vidíte průměrnou funkční hodnotu mezi body x=a a x=b. Pokud si ji označíme PFH, dostaneme pro ni výraz PFH = P/(b-a). A protože ve fyzice je výpočet průměrných hodnot funkce na nějakém intervalu (a,b) jako houska na krámě, máme zde univerzální návod: stačí spočítat plochu P (integrálem), pak vydělit délkou intervalu a průměr je na světě.

A taky obráceně. Plochu můžeme vydyndat z průměru. Představte si třeba, že funkce f(x) z předchozího obrázku je teplotní křivka, která vylézá z nějakého měřicího přístroje. Tady samozřejmě nemáme šanci vyjádřit primitivní funkci vzorečkem, protože neznáme ani vzoreček pro funkci původní. Numerickou integraci si teď můžete vyložit tak, že změříte teplotu každou minutu (nebo nějaký jiný malý interval), tím dostanete posloupnost f1, f2, …, fN, pak prostě spočítáte její aritmetický průměr a nakonec ho vynásobíte faktorem (b-a). A plocha je na světě.

Na závěr si ukážeme jeden příklad, kdy se integrál dá vyjádřit formulkou, takže příslušnou plochu získáme jako rozdíl hodnot primitivní funkce. Vezměme si opět třeba kvadratickou parabolu mezi body 1 a 3 (obrázek vpravo). Protože integrovat zatím neumíme, vyhledáme si primitivní funkci v tabulce integrálů (je to první řádek, kde položíme n=2). Tabulka nám vlastně ukazuje, jak ze zelených trpaslíků (první sloupec) vytvořit ty modré (druhý sloupec).

V našem případě je primitivní funkcí F(x) = x3/3, takže dosadíme obě hodnoty a odečteme: naznačená plocha od 1 do 3 má tedy velikost

P = F(3) – F(1) = (33 – 13)/3 = 26/3 = 8.6666…

Pro průměrnou funkční hodnotu mezi body 1 a 3 pak vychází

PFH = P/(b-a) = 8.666… / 2 = 4.333…

Všimněte si, že průměrná hodnota je o něco méně než 5, což je průměr z funkčních hodnot v koncových bodech (12=1 a 32=9). To je proto, že funkce na intervalu trochu „zatahuje bříško“ (takovým funkcím říkáme „konvexní“).

Rychlé shrnutí dnešního výletu:

Pro danou funkci f nám funkční hodnota f(x) v bodě x ukazuje, jak vysoko je graf funkce nad osou x. Derivace této funkce f'(x) v bodě x nám ukazuje směrnici tečné přímky (to je přímka ve směru červené šipky) a tedy vypovídá o tom, jak rychle funkce v tom bodě roste nebo klesá. A konečně primitivní funkce (neboli integrál) F(x) v bodě x nám udává plochu pod funkcí f(x) od nějakého referenčního bodu do bodu x. A to nám prozatím bude stačit.

Sekce jauvajs: A jak se tedy ty vymyšlenosti vlastně počítají?

jen pro mimořádně otrlé jedince

Podíváme se nejprve v kostce, jak se počítá derivace. Tedy jak ze zeleného trpaslíka udělat červeného. Přesněji jak ze vzorečku pro funkci vyždímat vzoreček pro její derivaci. Protože diferenciální počet je téma na několik vysokoškolských přednášek, ukážu vám jenom malý příklad.

Při tomto výpočtu se počítá s nekonečně malými (tzv. infinitesimálními) veličinami. Prozatím si je můžete představovat jako velmi malá desetinná čísla (např. 0.000001). Připomenu vám ale jednu důležitou vlastnost malých čísel. Jejich čtverec (druhá mocnina) se dá z praktického hlediska zanedbat. Např. 0.012 je 0.0001, zatímco 0.0012 už je 0.000001. A čím je číslo menší, tím je snadnější jeho čtverec zanedbat (i když malinká chybka tam pořád bude). Důvod, proč si matematici vymysleli infinitesimální veličiny, je, že teprve pro číslo nekonečně malé se ten čtverec dá zanedbat „přesně“.

Tak a teď do díla. Na následujícím obrázku máme bod na grafu funkce f(x) (jeho souřadnice vidíte v kroucené závorce) a zajímá nás, jak spočítat směrnici tečny dané červenou šipečkou. Protože směrnice je tangens úhlu přímky, ptáme se, jak spočítat podíl dy/dx (protilehlá ku přilehlé) pro nějakou rozumnou hodnotu dx (tu si můžeme zvolit celkem libovolně, protože délka červené šipky je na nás). Problém je, jak pro zvolené dx spočítat dy (a zdůraznil bych, že to dy je nárůst y podél tečny, takže nahoře sahá až po okraj té červené šipečky!).


Když o tom budete chvíli přemýšlet, zjistíte, že daleko jednodušší by bylo místo dy spočítat naznačené Dy, které sahá pouze po modrý bod. Jeho souřadnice lze v pohodě získat dosazením do původní funkce (najdete je opět v závorce) a toto Dy by se pak dalo spočítat jako rozdíl y-ových souřadnic obou bodů. Tímto postupem (nahrazením přírůstku dy podél tečny přírůstkem Dy podél funkce) se však dopustíme určité chyby, kterou jsem na obrázku vyznačil písmenkem ch.

Celá krása infinitesimálního počtu spočívá v tom, že pokud dx bude velmi malé, tak se chyba ch stane zanedbatelnou a bude v podstatě jedno, zda do vzorečku pro směrnici přímky dosadíme dy nebo Dy. To je vidět tak, že s modrým bodíkem budete ve své mysli couvat zpátky k bodu červenému a při tom pozorovat, jak se chyba ch postupně zmenšuje. No a pokud by dx bylo „nekonečně malé“, tak by chybka ch byla vlastně zcela nepodstatná. Sečna procházející červeným a modrým bodem by pak splynula s tečnou a její směrnice Dy/dx by se stala směrnicí tečny.

Takže si to „funkční“ Dy rozepíšeme (pro dx „velmi malé“) jako rozdíl

Dy = f(x+dx) – f(x)

a dosadíme ho drze do směrnice tečny namísto „správného“ dy:

f'(x) = dy / dx = Dy / dx = ( f(x+dx) – f(x) ) / dx

(kde ta druhá „rovnost“ se v reálu musí ošetřit limitou)

Pomocí tohoto vzorečku si zkusíme spočítat třeba derivaci funkce f(x) = x2:

f'(x) = ((x+dx)2 – x2)/dx = (2×*dx + dx2)/dx = 2×*dx / dx = 2×

(tady jsme roznásobili a použili fakt, že pro malé dx se dx2 dá zanedbat!)

A dostali jsme přesně ten samý výsledek, který jsme si v sekci o derivacích museli vyhledat v tabulce. Takhle se derivace v zásadě počítají, jenom se dnes používají limity, protože manipulace s nekonečně malými veličinami trochu plave na vodě (i když je velmi intuitivní).

A co s integrály?

No, to už je vysloveně džungle. Výpočet integrálů je v mnoha případech komplikovanější než sestavení vrtné plošiny ze stavebnice IKEA. Ale jednu věc vám přece jen ještě ukážu.

Zkusme si spočítat derivaci integrálu. Tedy co by se stalo, kdybychom čapli trpaslíka s modrou páskou a na ruku mu ještě narvali pásku červenou.

Pro derivaci primitivní funkce použijeme stejný trik jako nahoře:

F'(x) = ( F(x+dx) – F(x) ) / dx

Když si rozmyslíte, co máme v závorce – je to vlastně rozdíl dvou ploch – to, co tam po odečtení zbyde, je de facto plocha závěrečné modré nudličky (z obrázku u integrálů), kterou můžeme opět odhadnout jako obdélníček o malé šířce dx a výšce odpovídající náhodně zvolené funkční hodnotě z podstavy obdélníčku. Protože se ale nacházíme mezi x a x+dx (kde dx je velmi malé), můžeme si za náhodně zvolené číslo vybrat přímo x, takže výška „nudličky“ pak bude přímo f(x). Opět velkoryse zanedbáme to, že obdélníček je nahoře trochu pokřivený, a dostaneme:

F'(x) = (plocha té poslední nudličky) / dx = (f(x) * dx) / dx = f(x)

Zjistili jsme tedy, že derivace tajemného integrálu je původní funkce (tedy většinou – občas to z různých důvodů nefunguje). A tento nenápadný postřeh nám umožní spoustu integrálů spočítat přesně, tedy najít vzoreček pro primitivní funkci.

Nahoře jsme například spočítali, že derivací funkce x2 je funkce 2×. Co by asi tak mohlo být integrálem funkce 2×? Nezapomeňte, že derivací integrálu je původní funkce. Takže ať to bude, co to bude, musí to mít derivaci 2×. Neznáme náhodou nějakou funkci, jejíž derivací je 2×? Ale to se ví, že známe. To je přece x2. A vida, právě jsme spočítali svoji první primitivní funkci. Integrálem funkce 2× je x2. A ani to nebolelo.

Integrování a derivování jsou tedy v jistém smyslu inverzní operace. Jako když jedete do Pyšel a pak zase z Pyšel.



Článek je redakčně upravenou verzí blogového příspěvku na serveru iDNES.cz. Publikováno s laskavým svolením autora.

Další díly a původní texty jsou dostupné na blogu Jana Řeháčka.


Mohlo by vás také zajímat:

Matykání I: Hudba sfér
Matykání II: Chcete vidět nekonečno?
Matykání III: Jak se dopočítat nekonečna
Matykání IV: Jak se nedopočítat nekonečna
Matykání V: Tajemný svět prvočísel
Matykání VI: Na konečné nekonečné řady
Matykání VII: Moje nekonečno je větší než to tvoje
Matykání VIII: Živočichozpyt číselné osy
Matykání IX: Mají zlomky rodiče?
Matykání X: Jak komunikovat s mimozemšťankami
Matykání XI: Proč má oktáva 12 půltónů?
Matykání XII: Olbersův paradox
Matykání XIII: Jak počítají počítače?
Matykání XIV: Cantorovo monstrum
Matykání XV: Kluzké ďáblovo schodiště
Matykání XVI: Věta o dvou policajtech
Matykání XVII: V rytmu logaritmů
Matykání XVIII: Sinus, kosinus, deskriptiva

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop