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Linear Approxima-on and Newton’s method for finding zeros UBC Math 102

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Linear  Approxima-on  

and    Newton’s  method  for  finding  zeros  

UBC    Math  102  

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Announcements  

•  Sign  up  for  Midterm:  •  Via  the  Wiki  or  this  link:  

hHp://www.math.ubc.ca/~cytryn/teaching/math102F15/MATH102SignupSheet.php  

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Course  Calendar:  

•     

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Office  hrs:  •  Regular  office  hrs:  •  Mon  4-­‐5pm  •  Wed  3-­‐4pm  

•  Thurs  12:30-­‐1:30pm*  (*except  on  days  when  I  have  a  dept  mee2ng  at  that  2me)  

   

•  Math  Annex  1111  

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Calcula-on  we  did  in  class  (1)  

Find  the  deriva-ve  of      Solu-on:  by  the  power  rule:      

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Calcula-on  we  did  in  class  (2)  

•     

•  (Find  x1)  

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Solu-on  (in  class)  to  (2)  

Eqn  of  tangent  line  at  x0  (from  last  -me)  

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Microscopic  mo-on:    The  inner  life  of  the  cell  

•  Starring  role:  kinesin  •  www.youtube.com/watch?v=wJyUtbn0O5Y  

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Fantas-c  vesicle  traffic  •  www.youtube.com/watch?v=7sRZy9PgPvg  

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Motion of Molecular motors carrying cargo inside a long (fungus) cell.

Martin Schuster et al. PNAS 2011;108:3618-3623

©2011 by National Academy of Sciences

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Vesicle  mo-on:  vesicles  carried  by  molecular  motors  along  microtubule  

tracks  

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distance  

-me  

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Simplified  view  

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Simplified  vesicle  mo-on  

•  Vesicle  1:  Sketch  the  velocity  and  describe  what  was  happening  to  the  vesicle  during  this  -me.    

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•  Vesicle  2:  Sketch  the  displacement  and  describe  what  was  happening  to  the  vesicle  during  this  -me.    

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Linear  approxima-on  

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(1)  Tangent  line  equa-on  

Which  of  the  following  is  the  equa-on  of  the  tangent  line  to    f(x)  at  the  point  x0  

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(2)  Linear  approxima-on  Close  to  the  point  x0  we  can  

approximate  the  func-on  f(x)  by  

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(3)  Linear  approxima-on  

The  approxima-on  is  good  provided  •  (A)  x  is  small  •  (B)  x0  is  small  •  (C)  (x-­‐x0)  is  small  •  (D)  (x0-­‐x)  is  large  •  (E)  None  of  the  above  

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(4)  A  linear  approxima-on..  

represents  the  true  value  of  the  func-on  at  some  point  close  to  x0  by  the  value  shown  in  

•  A,      B,    C,    D,  or    E     UBC    Math  102  

A  

B  

C  

D  E  

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Geometry  

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f(x0)  

Δf  

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Geometry  

UBC    Math  102  

f(x0)  

(x-­‐x0)  

f’(x0)(x-­‐x0)  

Δf  

Δf  

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(5)  Example:  

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(6)  Example  cont’d  

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(7)  Example  cont’d  

UBC    Math  102  

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(8)  Over  or  under-­‐es-mate?  The  approxima-on  we  made  will  (A) Over-­‐es-mate  the  true  value  (B) Under-­‐es-mate  “      “      “  

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PART  1  

•  A  demo  of  linear  approxima-on  on  Desmos  

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Desmos  

Graph  the  func-on:    Use  desmos  to  graph  its  deriva-ve      

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It  should  look  like:  

•     

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Desmos  cont’d  

Add  the  equa-on  of  a  generic  tangent  line  at  x=a      A  slider  should  appear  for  a  so  you  can  shin  the  loca-on  of  that  tangent  line.    Add  the  point  (a,  f(a))  to  your  graph.  

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It  should  look  like:  

•     

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Using  Desmos  

Consider  the  tangent  line  at  xo=5.  Use  your  graph  to  find  the  values  below:          f(5),    f(6)  and  the  linear  approx  to  f(6)      

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(9)  Using  Desmos  

I  got  the  values.        f(5),    f(6)  and  the  linear  approx  to  f(6)    (A)  4.37,  4,    5  (B)  4.37,    5,    2  (C)  4.37,    2,      2.5  (D)    huh??      

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PART  2  

•  A  demo  of  Newton’s  Method  on  Desmos  

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Intro  to  Newton’s  Method  

We  will  use  the  same  example  to  mo-vate  another  use  of  the  tangent  line      

FINDING  ZEROS  OF  A  FUNCTION  

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Find  zero  of  f  and  find  where  the  tangent  line  intersects  x  axis  

(Use  the  tangent  line  at  x0=5).  

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(10)  Find  zero  of  f  and  find  the  value  where  the  tangent  line  intersects  x  

axis  (Use  the  tangent  line  at  x0=5).    (A) The  zero  of  f  is  at  6,  the  TL  “zero”  is  at  8  (B) The  zero  of  f  is  at  7,  the  TL  “zero”  is  at  8  (C) The  zero  of  f  is  at  6.3,  the  TL  “zero”  is  at  7.1  (D) The  zero  of  f  is  at  6.587,    TL  “zero”  is  at  7.458  (E) The  zero  of  f  is  at  6.855,  the  TL  “zero”  is  at  

7.55  

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You  can  click  on  the  graph  to  find  the  coordinates  

•  TL  and  f(x)    

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Desmos  does  the  work  

Get  Desmos  to  find  the  point  at  which  the  tangent  line  crosses  the  x  axis:  •  Use  our  result  from  the  intro  to  this  lecture!    •  Add  the  “formula”  for  x1  to  your  Desmos  graph.  

•  Add  the  point  (x1,0)  to  your  graph  

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Should  look  like:  

•     

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Now  we  will  repeat  the  process    

To  get  closer  to  the  zero  of  f:    •  Construct  a  tangent  line  at  the  point  x1      •  Find  the  point  where  the  new  tangent  line  intersects  x  axis  (Find  x2).  

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Should  look  like:  

•     

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To  No-ce:  

•  We  are  geqng  closer  to  the  actual  zero  of  the  func-on.  

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Effect  of  ini-al  guess  

Go  to  the  slider  for  x0  and  shin  it  to  the  value  3.    What  happens  to  the  tangent  lines?    What  happens  to  the  approxima-on  for  the  zero  of  the  func-on?  

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Answers  

•  1  C    (Need  to  use  both  f  and  f’  at  x_0)  •  2  E    (uses  eqn  of  tangent  line  for  the  approx)  •  3  C    •  4  B  (uses  pt  on  tangt    line  as  approx  near  x_0)  •  5    D    •  6  B  (power  rule)  •  7  A    •  8  A  •  9    C  •  10  D  

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Related  test-­‐type  problem:  

Find  a  linear  approxima-on  that  provides  a  rough  es-mate  for  the  value  of  (1.1)8.  Explain  why  the  approxima-on  is  an  (over/under)-­‐es-mate.  

•  (Note:  a  calculator  value  is  2.1435)  

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Related  test  ques-on  (MT1,  2014)  (Tangent  lines)  

Consider  the  func-on    (a) At  which  points  (a,f(a))  does  the  graph  of  this  

func-on  have  tangent  lines  parallel  to  the  line      y  =  −x.    

(b)   What  is  the  equa-on  of  the  tangent  lines  at  each  of  these  points.    

     

solu-on  

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Solu-on:  

(a)    

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Solu-on    

(b)  

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Test  ques-on  (Quo-ent  rule,  ra-onal  func-ons)  MT1  2014  

At  an  all-­‐you-­‐can-­‐eat  buffet,  the  total  calories  you  gain  can  be  represented  by  the  func-on      where  t  ≥  0  is  the  -me  in  minutes  you  spend  at  the  restaurant  and  A  and  b  are  posi-ve  constants.    •  (a)  If  you  stayed  for  a  long  -me,  what  asymptote  would  your  total  caloric  gain  approach?    

•  (b)  Aner  how  much  -me  do  you  gain  exactly  half  of  that  asympto-c  caloric  amount?    

•  (c)  At  -me  t,  what  is  the  instantaneous  rate  at  which  your  caloric  gain  changes?     solu-on  

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Solu-on:  

(a)        (b)    (c)      

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