Если функция дифференцируема в точке, то её приращение можно представить в виде суммы двух слагаемых
.
Эти слагаемые являются бесконечно
малыми функциями при
.Первое слагаемое
линейно относительно
,второе является
бесконечно малой более высокого порядка,
чем
.Действительно,
.
Таким образом второе слагаемое
при
быстрее стремится к нулю и при нахождении
приращения функции
главную роль играет первое слагаемое
или (так как
)
.
Определение
.
Главная часть
приращения функции
в точке
,
линейная относительно
,называется
дифференциалом
функции
в этой точке
и обозначается
dy
или
df
(x
)
. (2)
Таким
образом, можно сделать вывод: дифференциал
независимой переменной совпадает с её
приращением, то есть
.
Соотношение (2) теперь принимает вид
(3)
Замечание . Формулу (3) для краткости часто записывают в виде
(4)
Геометрический смысл дифференциала
Рассмотрим
график дифференцируемой функции
.
Точки
ипринадлежат графику функции. В точкеМ
проведена
касательная К
к графику
функции, угол которой с положительным
направлением оси
обозначим через
.
Проведем прямыеMN
параллельно
оси Ox
и
параллельно осиOy
.
Приращение функции равно длине отрезка
.
Из прямоугольного треугольника
, в котором
,
получим
Изложенные выше рассуждения позволяют сделать вывод:
Дифференциал
функции
в точке
изображается приращением ординаты
касательной к графику этой функции в
соответствующей её точке
.
Связь дифференциала с производной
Рассмотрим формулу (4)
.
Разделим обе части этого равенства на dx , тогда
.
Таким образом, производная функции равна отношению её дифференциала к дифференциалу независимой переменной .
Часто это отношение рассматривается просто как символ, обозначающий производную функцииу по аргументу х .
Удобными обозначениями производной также являются:
,
и так далее.
Употребляются также записи
,
,
особенно удобные, когда берется производная от сложного выражения.
2. Дифференциал суммы, произведения и частного.
Так как дифференциал получается из производной умножением её на дифференциал независимой переменной, то, зная производные основных элементарных функций, а также правила для отыскания производных, можно прийти к аналогичным правилам для отыскания дифференциалов.
1 0 . Дифференциал постоянной равен нулю
.
2 0 . Дифференциал алгебраической суммы конечного числа дифференцируемых функций равен алгебраической сумме дифференциалов этих функций
3 0 . Дифференциал произведения двух дифференцируемых функций равен сумме произведений первой функции на дифференциал второй и второй функции на дифференциал первой
.
Следствие . Постоянный множитель можно выносить за знак дифференциала
.
Пример . Найти дифференциал функции .
Решение.Запишем данную функцию в виде
,
тогда получим
.
4. Функции, заданные параметрически, их дифференцирование.
Определение
.
Функция
называется заданной параметрически,
если обе переменныех
и
у
определяются
каждая в отдельности как однозначные
функции от одной и той же вспомогательной
переменной – параметра
t
:
где
t
изменяется в пределах
.
Замечание
.
Параметрическое задание функций широко
применяется в теоретической механике,
где параметр t
обозначает
время, а уравнения
представляют собой законы изменения
проекций движущейся точки
на оси
и
.
Замечание . Приведем параметрические уравнения окружности и эллипса.
а) Окружность с центром в начале координат и радиусом r имеет параметрические уравнения:
где
.
б) Запишем параметрические уравнения для эллипса:
где
.
Исключив параметр t из параметрических уравнений рассматриваемых линий, можно прийти к их каноническим уравнениям.
Теорема
.
Если функция у
от аргумента
х задана
параметрически уравнениями
,
где
и
дифференцируемые по
t
функции и
,
то
.
Пример . Найти производную функции у от х , заданной параметрическими уравнениями.
Решение.
.
24.1. Понятие дифференциала функции
Пусть функция у=ƒ(х) имеет в точке х отличную от нуля производную.
Тогда, по теореме о связи функции, ее предела и бесконечно малой функции, можно записать D у/D х=ƒ"(х)+α, где α→0 при ∆х→0, или ∆у=ƒ"(х) ∆х+α ∆х.
Таким образом, приращение функции ∆у представляет собой сумму двух слагаемых ƒ"(х) ∆х и а ∆х, являющихся бесконечно малыми при ∆x→0. При этом первое слагаемое есть бесконечно малая функция одного порядка с ∆х, так кака второе слагаемое есть бесконечно малая функция более высокого порядка, чем ∆х:
Поэтому первое слагаемое ƒ"(х)· ∆х называют главной частью приращения функции ∆у.
Дифференциалом функции у=ƒ(х) в точке х называется главная часть ее приращения, равная произведению производной функции на приращение аргумента, и обозначается dу (или dƒ(х)):
dy=ƒ"(х) ∆х. (24.1)
Дифференциал dу называют также дифференциалом первого порядка. Найдем дифференциал независимой переменной х, т. е. дифференциал функции у=х.
Так как у"=х"=1, то, согласно формуле (24.1), имеем dy=dx=∆x, т. е. дифференциал независимой переменной равен приращению этой переменной: dх=∆х.
Поэтому формулу (24.1) можно записать так:
dy=ƒ"(х)dх, (24.2)
иными словами, дифференциал функции равен произведению производной этой функции на дифференциал независимой переменной.
Из формулы (24.2) следует равенство dy/dx=ƒ"(х). Теперь обозначение
производной dy/dx можно рассматривать как отношение дифференциалов dy и dх.
<< Пример 24.1
Найти дифференциал функции ƒ(х)=3x 2 -sin(l+2x).
Решение: По формуле dy=ƒ"(х) dx находим
dy=(3х 2 -sin(l+2x))"dx=(6х-2cos(l+2х))dx.
<< Пример 24.2
Найти дифференциал функции
Вычислить dy при х=0, dx=0,1.
Решение:
Подставив х=0 и dx=0.1, получим
24.2. Геометрический смысл дифференциала функции
Выясним геометрический смысл дифференциала.
Для этого проведем к графику функции у=ƒ(х) в точке М(х; у) касательную МТ и рассмотрим ординату этой касательной для точки х+∆х (см. рис. 138). На рисунке ½ АМ½ =∆х, |AM 1 |=∆у. Из прямоугольного треугольника МАВ имеем:
Но, согласно геометрическому смыслу производной, tga=ƒ"(х). Поэтому АВ=ƒ"(х) ∆х.
Сравнивая полученный результат с формулой (24.1), получаем dy=АВ, т. е. дифференциал функции у=ƒ(х) в точке х равен приращению ординаты касательной к графику функции в этой точке, когда х получит приращение ∆х.
В этом и состоит геометрический смысл дифференциала.
24.3 Основные теоремы о дифференциалах
Основные теоремы о дифференциалах легко получить, используя связь дифференциала и производной функции (dy=f"(x)dx) и соответствующие теоремы о производных.
Например, так как производная функции у=с равна нулю, то дифференциал постоянной величины равен нулю: dy=с"dx=0 dx=0.
Теорема 24.1. Дифференциал суммы, произведения и частного двух дифференцируемых функций определяются следующими формулами:
Докажем, например, вторую формулу. По определению дифференциала имеем:
d(uv)=(uv)" dx=(uv" +vu" )dx=vu" dx+uv" dx=udv+vdu
Теорема 24.2. Дифференциал сложной функции равен произведению производной этой функции по промежуточному аргументу на дифференциал этого промежуточного аргумента.
Пусть у=ƒ(u) и u=φ(х) две дифференцируемые функции, образующие сложную функцию у=ƒ(φ(х)). По теореме о производной сложной функции можно написать
у" х =у" u u" x .
Умножив обе части этого равенства на dx, поучаем у" х dx=у" u u" х dx. Но у" х dx=dy и u" х dx=du. Следовательно, последнее равенство можно переписать так:
dy=у" u du.
Сравнивая формулы dy=у" х dx и dy=у" u du, видим, что первый дифференциал функции у=ƒ(х) определяется одной и той же формулой независимо от того, является ли ее аргумент независимой переменной или является функцией другого аргумента.
Это свойство дифференциала называют инвариантностью (неизменностью) формы первого дифференциала.
Формула dy=у" х dx по внешнему виду совпадает с формулой dy=у" u du, но между ними есть принципиальное отличие: в первой формуле х - независимая переменная, следовательно, dx=∆х, во второй формуле и есть функция от х, поэтому, вообще говоря, du≠∆u.
С помощью определения дифференциала и основных теорем о дифференциалах легко преобразовать таблицу производных в таблицу дифференциалов.
Например: d(cosu)=(cosu)" u du=-sinudu
24.4. Таблица дифференциалов
24.5. Применение дифференциала к приближенным вычислениям
Как уже известно, приращение ∆у функции у=ƒ(х) в точке х можно представить в виде ∆у=ƒ"(х) ∆х+α ∆х, где α→0 при ∆х→0, или ∆у=dy+α ∆х. Отбрасывая бесконечно малую α ∆х более высокого порядка, чем ∆х, получаем приближенное равенство
∆у≈dy, (24.3)
причем это равенство тем точнее, чем меньше ∆х.
Это равенство позволяет с большой точностью вычислить приближенно приращение любой дифференцируемой функции.
Дифференциал обычно находится значительно проще, чем приращение функции, поэтому формула (24.3) широко применяется в вычислительной практике.
<< Пример 24.3
Найти приближенное значение приращения функции у=х 3 -2х+1 при х=2 и ∆х=0,001.
Решение: Применяем формулу (24.3): ∆у≈dy=(х 3 -2х+1)" ∆х=(3х 2 -2) ∆х.
Итак, ∆у» 0,01.
Посмотрим, какую погрешность допустили, вычислив дифференциал функции вместо ее приращения. Для этого найдем ∆у:
∆у=((х+∆х) 3 -2(х+∆х)+1)-(х 3 -2х+1)=х 3 +3х 2 ∆х+3х (∆х) 2 +(∆х) 3 -2х-2 ∆х+1-х 3 +2х-1=∆х(3х 2 +3х ∆х+(∆х) 2 -2);
Абсолютная погрешность приближения равна
|∆у-dy|=|0,010006-0,011=0,000006.
Подставляя в равенство (24.3) значения ∆у и dy, получим
ƒ(х+∆х)-ƒ(х)≈ƒ"(х)∆х
ƒ(х+∆х)≈ƒ(х)+ƒ"(х) ∆х. (24.4)
Формула (24.4) используется для вычислений приближенных значений функций.
<< Пример 24.4
Вычислить приближенно arctg(1,05).
Решение: Рассмотрим функцию ƒ(х)=arctgx. По формуле (24.4) имеем:
arctg(x+∆х)≈arctgx+(arctgx)" ∆х,
т. е.
Так как х+∆х=1,05, то при х=1 и ∆х=0,05 получаем:
Можно показать, что абсолютная погрешность формулы (24.4) не превышает величины М (∆х) 2 , где М - наибольшее значение |ƒ"(х)| на сегменте [х;х+∆х].
<< Пример 24.5
Какой путь пройдет тело при свободном падении на Луне за 10,04 с от начала падения. Уравнение свободного падения тела
H=g л t 2 /2, g л =1,6 м/с 2 .
Решение: Требуется найти H(10,04). Воспользуемся приближенной формулой (ΔH≈dH)
H(t+∆t)≈H(t)+H"(t) ∆t. При t=10 с и ∆t=dt=0,04 с, H"(t)=g л t, находим
Задача (для самостоятельного решения). Тело массой m=20 кг движется со скоростью ν=10,02 м/с. Вычислить приближенно кинетическую энергию тела
24.6. Дифференциалы высших порядков
Пусть у=ƒ(х) дифференцируемая функция, а ее аргумент х - независимая переменная. Тогда ее первый дифференциал dy=ƒ"(х)dx есть также функция х; можно найти дифференциал этой функции.
Дифференциал от дифференциала функции у=ƒ(х) называется ее вторым дифференциалом (или дифференциалом второго порядка) и обозначается d 2 y или d 2 ƒ(х).
Итак, по определению d 2 y=d(dy). Найдем выражение второго дифференциала функции у=ƒ(х).
Так как dx=∆х не зависит от х, то при дифференцировании считаем dx постоянным:
d 2 y=d(dy)=d(f"(x)dx)=(ƒ"(х)dx)" dx=f"(x)dx dx=f"(x)(dx) 2 т. е.
d 2 y=ƒ"(х)dх 2 . (24.5)
Здесь dx 2 обозначает (dx) 2 .
Аналогично определяется и находится дифференциал третьего порядка
d 3 y=d(d 2 y)=d(ƒ"(х)dx 2)≈f"(x)(dx) 3 .
И, вообще, дифференциал n-го порядка есть дифференциал от дифференциала (n-1)-го порядка: d n y=d(d n-l y)=f (n) (x)(dx) n .
Отсюда находим, что, В частности, при n=1,2,3
соответственно получаем:
т. е. производную функции можно рассматривать как отношение ее дифференциала соответствующего порядка к соответствующей степени дифференциала независимой переменной.
Отметим, что все приведенные выше формулы справедливы только, если х - независимая переменная. Если же функцию у=ƒ(х), где х - функция от кαкой-mo другой независимой переменной , то дифференциалы второго и выше порядков не обладают свойством инвариантности формы и вычисляются по другим формулам. Покажем это на примере дифференциала второго порядка.
Используя формулу дифференциала произведения (d(uv)=vdu+udv), получаем:
d 2 y=d(f"(x)dx)=d(ƒ"(х))dx+ƒ"(х) d(dx)=ƒ"(х)dx dx+ƒ"(х) d 2 x, т. е.
d 2 y=ƒ"(х)dx 2 +ƒ"(х) d 2 x. (24.6)
Сравнивая формулы (24.5) и (24.6), убеждаемся, что в случае сложной функции формула дифференциала второго порядка изменяется: появляется второе слагаемое ƒ"(х) d 2 х.
Ясно, что если х - независимая переменная, то
d 2 x=d(dx)=d(l dx)=dx d(l)=dx 0=0
и формула (24.6) переходит в формулу (24.5).
<< Пример 24.6
Найти d 2 y, если у=е 3х и х - независимая переменная.
Решение: Так как у"=3е 3х, у"=9e 3х, то по формуле (24.5) имеем d 2 y=9e 3x dx 2 .
<< Пример 24.7
Найти d 2 y, если у=х 2 и х=t 3 +1и t- независимая переменная.
Решение: Используем формулу (24.6): так как
у"=2х, у"=2, dx=3t 2 dt, d 2 x=6tdt 2 ,
то d 2 y=2dx 2 +2x 6tdt 2 =2(3t 2 dt) 2 +2(t 3 +1)6tdt 2 =18t 4 dt 2 +12t 4 dt 2 +12tdt 2 =(30t 4 +12t)dt 2
Другое решение: у=х 2 , х=t 3 +1. Следовательно, у=(t 3 +1) 2 . Тогда по формуле (24.5)
d 2 у=у ¢¢ dt 2 ,
d 2 y=(30t 4 +12t)dt 2 .
ЛЕКЦИЯ 10. ДИФФЕРЕНЦИАЛ ФУНКЦИИ. ТЕОРЕМЫ ФЕРМА, РОЛЛЯ, ЛАГРАНЖА И КОШИ.
1. Дифференциал функции
1.1. Определение дифференциала функции
С понятием производной теснейшим образом связано другое фундаментальное понятие математического анализа – дифференциал функции.
Определение 1. Функция y = f (x), определенная в некоторой окрестности точки x , называется дифференцируемой в точке x , если ее приращение в этой точке
y = f (x + x) − f (x)
имеет вид
y = A · x + α(Δx) · x,
где A – постоянная, а функция α(Δx) → 0 при x → 0.
Пусть y = f (x) – дифференцируемая функция, тогда дадим следующее определение.
Определение 2. Главная линейная |
часть A · x |
приращения |
функции f (x) |
|
называется дифференциалом функции в точке x и обозначается dy. |
||||
Таким образом, |
||||
y = dy + α(Δx) · x. |
||||
Замечание 1. Величина dy = |
x называется |
главной линейной частью |
||
приращения y в связи с тем, что другая часть приращения α(Δx) · |
x при малых |
|||
x становится гораздо меньше A · |
Утверждение 1. Для того чтобы функция y = f (x) была дифференцируемой в точке x необходимо и достаточно, чтобы она имела в этой точке производную.
Доказательство. Необходимость. Пусть функция f (x) дифференцируема в точке
x + α(Δx) · x, при |
x → 0. Тогда |
|||||||||||
A + lim α(Δx) = A. |
||||||||||||
Поэтому производная f ′ (x) существует и равна A. |
||||||||||||
Достаточность. Пусть существует |
f ′ (x), т. е. существует предел lim |
F ′ (x). |
||||||||||
F ′ (x) + α(Δx), |
||||||||||||
y = f ′ (x)Δx + α(Δx) · x.
Последнее равенство означает дифференцируемость функции y = f (x).
1.2. Геометрический смысл дифференциала
Пусть l касательная к графику функции y = f (x) в точке M (x, f (x)) (рис. 1). Покажем, что dy величина отрезка P Q. Действительно,
dy = f ′ (x)Δx = tg α x = |
||||||||||||||||
" " l |
||||||||||||||||
"" " " |
||||||||||||||||
" α |
||||||||||||||||
Итак, дифференциал dy функции f (x) в точке x равен приращению ординаты касательной l в этой точке.
1.3. Инвариантность формы дифференциала
Если x независимая переменная, то
dy = f ′ (x)dx.
Допустим, что x = ϕ(t), где t независимая переменная, y = f (ϕ(t)). Тогда
dy = (f (ϕ(t))′ dt = f ′ (x)ϕ′ (t)dt = f ′ (x)dx (ϕ′ (t)dt = dx).
Итак, форма дифференциала не изменилась, несмотря на то, что x не является независимой переменной. Это свойство и называется инвариантностью формы дифференциала.
1.4. Применение дифференциала в приближенных вычислениях
Из формулы y = dy + α(Δx) · x, отбрасывая α(Δx) · x, видно, что при малых
y ≈ dy = f ′ (x)Δx.
Отсюда получим
f (x + x) − f (x) ≈ f ′ (x)Δx,
f (x + x) ≈ f (x) + f ′ (x)Δx. (1) Формула (1) и используется в приближенных вычислениях.
1.5. Дифференциалы высших порядков
По определению, вторым дифференциалом от функции y = f (x) в точке x называется дифференциал от первого дифференциала в этой точке, который обозначается
d2 y = d(dy).
Вычислим второй дифференциал:
d2 y = d(dy) = d(f ′ (x)dx) = (f ′ (x)dx)′ dx = (f ′′ (x)dx)dx = f ′′ (x)dx2
(при вычислении производной (f ′ (x)dx)′ учтено, что величина dx не зависит от x и, следовательно, при дифференцировании является постоянной).
Вообще, дифференциалом порядка n функции y = f (x) называется первый
дифференциал |
от дифференциала |
этой функции, который |
|||||||||||
обозначается через |
|||||||||||||
dn y = d(dn−1 y) |
|||||||||||||
dn y = f (n) (x)dxn . |
|||||||||||||
Найти дифференциал функции y = arctg x . |
|||||||||||||
Решение. dy = (arctg x)′ · dx = |
|||||||||||||
1+x2 |
|||||||||||||
Найти дифференциалы первого и второго порядков функции v = e2t . |
|||||||||||||
Решение. dv = 2e2t dt , d2 v = 4e2t dt2 . |
|||||||||||||
Сравнить приращение и дифференциал функции y = 2x3 + 5x2 . |
|||||||||||||
Решение. Находим |
|||||||||||||
5x2 = |
|||||||||||||
10x)Δx + (6x + 5)Δx |
|||||||||||||
dy = (6x2 + 10x)dx. |
|||||||||||||
Разность между приращением |
y и дифференциалом dy есть бесконечно малая высшего |
||||||||||||
порядка по сравнению с |
x , равная (6x + 5)Δx2 + 2Δx3 . |
Пример 4. Вычислить приближенное значение площади круга, радиус которого равен 3, 02 м.
Решение. Воспользуемся формулой S = πr2 . Полагая r = 3 , r = 0, 02 , имеем
S ≈ dS = 2πr · r = 2π · 3 · 0, 02 = 0, 12π.
Следовательно, приближенное значение площади круга составляет 9π + 0, 12π = 9, 12π ≈
28, 66 (м 2 ).
Пример 5. Вычислить приближенное значение arcsin 0, 51 c точностью до 0,001. Решение. Рассмотрим функцию y = arcsin x . Полагая x = 0, 5 , x = 0, 01 и
применяя формулу (1)
x) ≈ arcsin x + (arcsin x)′ · |
(arcsin x)′ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
≈ arcsin 0, 5 + |
0, 011 = 0, 513. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
1 − (0, 5)2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
Пример 6. Вычислить приближенно √ 3 |
c точностью до 0,0001. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Решение. Рассмотрим функцию y = √ 3 |
и положим x = 8, |
x = 0, 01. Аналогично |
||||||||||||||||||||||||||||||||
по формуле (1) |
(√ 3 x)′ = |
√3 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
√ x + x ≈ √ 3 x + (√ 3 x)′ · x, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
3√ 3 64 |
· 0, 01 = 2 + 3 · 4 · 0, 01 ≈ 2, 0008. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
p 8, 01 ≈ √ 8 + |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
2. Теоремы Ферма, Ролля, Лагранжа и Коши
Определение 3. Говорят, что функция y = f (x) имеет (или достигает) в точке α локальный максимум (минимум), если найдется такая окрестность U (α) точки α, что для всех x U (α) :
f (α) ≥ f (x) (f (α) ≤ f (x)).
Локальный максимум и локальный минимум объединяются общим названием
локальный экстремум.
Функция, график которой изображен на рис. 4, имеет локальный максимум в точках β, β1 и локальный минимум в точках α, α1 .
Утверждение 2. (Ферма) Пусть функция y = f (x) дифференцируема в точке α и имеет в этой точке локальный экстремум. Тогда f ′ (α) = 0.
Идея доказательства теоремы Ферма следующая. Пусть для определенности f (x) имеет в точке α локальный минимум. По определению f ′ (α) есть предел при x → 0 отношения
f (α + x) − f (α) |
||||
Но при достаточно малых (по абсолютной величине) x |
||||
f (α + x) − f (α) ≥ 0. |
||||
Следовательно, при таких |
x получаем |
|||
Отсюда и следует, что |
||||
f ′ (α) = lim g(Δx) = 0. |
||||
Проведите полное доказательство самостоятельно. |
||||
Утверждение 3. (Ролля) |
Если y = f (x) непрерывна на |
Дифференцируема на |
||
(a, b) и f (a) = f (b), то существует такая точка α (a, b), |
что f ′ (α) = 0. |
Доказательство. По свойству функций, непрерывных на отрезке, найдутся такие точки x1 , x2 , что
экстремум. По условию теоремы f (x) дифференцируема в точке α. По теореме Ферма f ′ (α) = 0. Теорема доказана.
Теорема Ролля имеет простой геометрический смысл (рис. 5): если крайние ординаты кривой y = f (x) равны, то на кривой y = f (x) найдется точка, в которой касательная к кривой параллельна оси Ox.
Утверждение 4. (Коши) Пусть f (x), g(x) непрерывны на , дифференцируемы на (a, b) и g′ (x) =6 0 при любом x (a, b). Тогда найдется такая точка α (a, b), что
f ′ (α) |
|||
g′ (α) |
Доказательство. Заметим, что g(a) =6 g(b). Действительно, в противном случае для функции g(x) были бы выполнены все условия теоремы Ролля. Следовательно, нашлась бы такая точка β (a, b), что g′ (β) = 0. Но это противоречит условию теоремы.
Рассмотрим следующую вспомогательную функцию:
F (x) = f (x) − f (a) − f (b) − f (a) (g(x) − g(a)). g(b) − g(a)
Функция F (x) непрерывна на , |
дифференцируема на (a, b). Кроме того, очевидно, |
|||||||||
что′ |
F (a) = F (b) = 0. Поэтому по теореме Ролля найдется такая точка α (a, b), что |
|||||||||
F (α) = 0, т. е. |
||||||||||
f ′ (α) |
g′ (α) = 0. |
|||||||||
− g(b) |
||||||||||
Отсюда следует |
||||||||||
f ′ (α) |
||||||||||
g′ (α) |
Теорема доказана.
Утверждение 5. (Лагранжа) Если y = f (x) непрерывна на , дифференцируема на (a, b), то найдется такое α (a, b), что
F ′ (α).
Доказательство. Теорема Лагранжа прямо следует из теоремы Коши при g(x) =
Геометрически теорема Лагранжа означает, что на кривой y = f (x) между точками
A и B найдется такая точка C, касательная в которой параллельна хорде AB. y
значениях x и ее значения на концах отрезка |
Равны: f (1) = f (5) |
||||||||
теорема Ролля на этом отрезке |
выполняется. Значение c |
определяем |
уравнения |
||||||
f ′ (x) = 2x − 6 = 0, т. е. c = 3. |
найти точку |
M, в которой |
|||||||
Пример 8. На дуге |
AB кривой y = 2x − x |
||||||||
касательная параллельна хорде |
|||||||||
Решение. Функция y = 2x −x |
непрерывна и дифференцируема при всех значениях |
||||||||
x. По теореме Лагранжа между двумя значениями a = 1, |
b = 3 существует значение |
x = c, удовлетворяющее равенству y(b) − y(a) = (b − a) ·y′ (c), где y′ = 2 − 2x. Подставив соответствующие значения, получим
y(3) − y(1) = (3 − 1) · y′ (c),
(2 · 3 − 32 ) − (2 · 1 − 12 ) = (3 − 1) · (2 − 2c),
отсюда c = 2, y(2) = 0.
Таким образом, точка M имеет координаты (2; 0).
Пример 9. На дуге AB кривой, заданной параметрическими уравнениями
x = t2 , y = t3 , найти точку |
M, в которой касательная параллельна хорде AB, если |
|||||||||||||||||
точкам A и B соответствуют значения t = 1 и t = 3. |
||||||||||||||||||
Решение. Угловой коэффициент хорды AB равен |
А угловой коэффициент |
|||||||||||||||||
касательной в точке M (при |
t = c) равен |
y′ |
(c)/x′ |
x′ = 2t, |
y′ = 3t2 . Для |
|||||||||||||
определения c по теореме Коши получаем уравнение |
||||||||||||||||||
yt ′ (c) |
||||||||||||||||||
xt ′ (c) |
||||||||||||||||||
т. е. c = 13/6.
Найденное значение c удовлетворяет неравенству 1 < c < 3. Подставив значение t = c в параметрические уравнения кривой, получаем x = 169/36, y = 2197/216. Итак искомая точка M (169/36; 2197/216).
Коль скоро я не объяснил (на данный момент), что такое производная функции, то не имеет смысла объяснять, и что такое дифференциал функции. В самой примитивной формулировке дифференциал – это «почти то же самое, что и производная».
Производная функции чаще всего обозначается через .
Дифференциал функции стандартно обозначается через (так и читается – «дэ игрек»)
Дифференциал функции одной переменной записывается в следующем виде:
Другой вариант записи:
Простейшая задача: Найти дифференциал функции
1) Первый этап. Найдем производную:
2) Второй этап. Запишем дифференциал:
Дифференциал функции одной или нескольких переменных чаще всего используют дляприближенных вычислений .
Помимо других задач с дифференциалом время от времени встречается и «чистое» задание на нахождение дифференциала функции. Кроме того, как и для производной, для дифференциала существует понятие дифференциала в точке. И такие примеры мы тоже рассмотрим.
Пример 7
Найти дифференциал функции
Перед тем, как находить производную или дифференциал, всегда целесообразно посмотреть, а нельзя ли как-нибудь упростить функцию (или запись функции) ещё до дифференцирования? Смотрим на наш пример. Во-первых, можно преобразовать корень:
(корень пятой степени относится именно к синусу).
Во-вторых, замечаем, что под синусом у нас дробь, которую, очевидно, предстоит дифференцировать. Формула дифференцирования дроби очень громоздка. Нельзя ли избавиться от дроби? В данном случае – можно, почленно разделим числитель на знаменатель:
Функция сложная. В ней два вложения: под степень вложен синус, а под синус вложено выражение . Найдем производную, используя правило дифференцирования сложной функции два раза:
Запишем дифференциал, при этом снова представим в первоначальном «красивом» виде:
Когда производная представляет собой дробь, значок обычно «прилепляют» в самом конце числителя (можно и справа на уровне дробной черты).
Пример 8
Найти дифференциал функции
Это пример для самостоятельного решения.
Следующие два примера на нахождение дифференциала в точке.
Пример 9
Вычислить дифференциал функции в точке
Найдем производную:
Опять, производная вроде бы найдена. Но в эту бодягу еще предстоит подставлять число, поэтому результат максимально упрощаем:
Труды были не напрасны, записываем дифференциал:
Теперь вычислим дифференциал в точке :
В значок дифференциала единицу подставлять не нужно, он немного из другой оперы.
Как видим, для нахождения дифференциала нужно умножить производную на dx . Это позволяет из таблицы формул для производных сразу записать соответствующую таблицу для дифференциалов.
Полный дифференциал для функции двух переменных:
Полный дифференциал для функции трех переменных равен сумме частных дифференциалов: d f(x,y,z)=d x f(x,y,z)dx+d y f(x,y,z)dy+d z f(x,y,z)dz
Определение
. Функция y=f(x) называется дифференцируемой в точке x 0 , если ее приращение в этой точке можно представить в виде ∆y=A∆x + α(∆x)∆x, где A – константа, а α(∆x) – бесконечно малая при ∆x → 0.
Требование дифференцируемости функции в точке эквивалентно существованию производной в этой точке, причем A=f’(x 0).
Пусть f(x) дифференцируема в точке x 0 и f "(x 0)≠0 , тогда ∆y=f’(x 0)∆x + α∆x, где α= α(∆x) →0 при ∆x→0. Величина ∆y и каждое слагаемое правой части являются бесконечно малыми величинами при ∆x→0. Сравним их: , то есть α(∆x)∆x – бесконечно малая более высокого порядка, чем f’(x 0)∆x.
, то есть ∆y~f’(x 0)∆x. Следовательно, f’(x 0)∆x представляет собой главную и вместе с тем линейную относительно ∆x часть приращения ∆y (линейная – значит содержащая ∆x в первой степени). Это слагаемое называют дифференциалом функции y=f(x) в точке x 0 и обозначают dy(x 0) или df(x 0). Итак, для произвольных значений x
dy=f′(x)∆x. (1)
Полагают dx=∆x, тогда
dy=f′(x)dx. (2)
Пример
. Найти производные и дифференциалы данных функций.
а) y=4 tg2 x
Решение:
дифференциал:
б)
Решение:
дифференциал:
в) y=arcsin 2 (lnx)
Решение:
дифференциал:
г)
Решение:
=
дифференциал:
Пример
. Для функции y=x 3 найти выражение для ∆y и dy при некоторых значениях x и ∆x.
Решение
. ∆y = (x+∆x) 3 – x 3 = x 3 + 3x 2 ∆x +3x∆x 2 + ∆x 3 – x 3 = 3x 2 ∆x+3x∆x 2 +∆x 3 ; dy=3x 2 ∆x (взяли главную линейную относительно ∆x часть ∆y). В данном случае α(∆x)∆x = 3x∆x 2 + ∆x 3 .