Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

высшая математика

.pdf
Скачиваний:
72
Добавлен:
18.02.2016
Размер:
5.88 Mб
Скачать

 

n

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

2

 

 

 

(n 1)

 

π

 

 

 

 

n(n 1)

 

(n

2)

π

 

y(

) =

sin

x +

n

 

 

 

x

 

+

n sin x

+

 

 

 

 

 

2x +

 

sin x +

 

2 =

2

 

2

 

2!

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

=

sin

x +

n

 

 

x

 

+

2nx sin x +

 

(n 1)

 

 

 

 

+

n(n 1)sin x + ( n

2)

 

.

 

 

2

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40. Применения производной в экономике. Пусть фун-

кция

I = I (x)

 

характеризует зависимость издержек производства от ко-

личества выпускаемой продукции. Предположим, что количество про-

дукции увеличивается на x , т.е.

равно x + ∆ x , соответствующие

издержки производства будут равны

I (x + ∆ x) .

 

 

Тогда приращению количества продукции x соответствует

приращение издержек производства продукции

 

 

I (x + ∆ x) I( x) = ∆ I( x) .

 

 

Среднее приращение издержек производства будет равно

I (x)

.

 

 

 

x

Это есть приращение издержек производства на единицу приращения количества продукции. Если перейти к пределу, когда x 0 , то получим значение предельных издержек производства

lim

I (x)

=

 

 

x

I (x) .

x0

 

 

Аналогично, если выручка от реализации х единиц товара описывается функцией W = W (x), то предельная выручка определяется как

lim

W (x)

 

x

= W (x) .

x 0

 

Подобным образом в экономике определяются другие предельные понятия. Например, широко применяется понятие эластичности функции. Эластичностью функции у = f (х) относительно переменной х называется величина

Ex (y) =

x

(9)

 

f (x) f (x) .

Эластичность функции характеризует процент прироста зависимой переменной, соответствующий приращению независимой переменной на 1%.

181

Пример 5. Найти эластичность функции y = x3 + 2. Решение. Применяя формулу (9), имеем

Ex (y) =

 

x

 

(x3

+

2)=

3x3

.

 

 

 

 

x3 +

2

x3 +

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В частности, если,

например, х = 2,

то

Ex (y) =

3 8

=

2,4 .

8 + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это означает, что если переменная х возрастает на 1%, то переменная у увеличится на 2,4%.

! Задания для самостоятельной работы

1. Найти производные следующих функций:

а) y = x4x; б) y = xsinx; в) y = (ln x)cosx.

2. Найти производные от следующих функций у=у(х), заданных неявно:

а) x

3

+ y

3

= 0; б)

x2

+

y2

= 1; в) 1 + ln (x

2

+ 2xy + 1) = 0.

 

 

a2

b2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Найти производные указанного порядка от данных функций:

а) y = cos(2x +

в) y = lg (sin x)

г) y = x3 cos x,

1) , y? б) y = e3x+ 1, y(4) (0) ? , y?

y(n) ? д) y = x2ex , y(5) ?

4. Рассчитать эластичность следующих функций и найти значения эластичности для указанных х:

а) y = sin 2x,

x =

π

; б) y = x3 + x + 1, x = 2; в) y = 4 ln x, x = e2.

3

 

 

 

182

Лекция 30

Дифференциал функции. Теоремы о среднем

Вводится понятие дифференцируемой в точке функции. Устанавливается его связь с существованием производной. Дается определение дифференциала функции, рассматриваются применения дифференциала в приближенных вычислениях. Приводятся основные теоремы дифференциального исчисления.

10. Понятие дифференцируемости функции в точке.

Выше указывалось, что операция нахождения производной называется дифференцированием. Применение этого термина оправдано следующими рассуждениями.

Функция y = f (x) называется дифференцируемой в точке х, если ее приращение y в этой точке можно представить в виде

y = Ax + α (x)x ,

(1)

где А – некоторое число, не зависящее от x, α (x) – БМФ при

x 0 .

Теорема 1.

Для того, чтобы функция y = f (x) была дифференцируемой в точке х, необходимо и достаточно, чтобы она имела в этой точке производную f (x) .

Доказательство. Необходимость. Пусть функция y = f (x) дифференцируема в точке х. Тогда справедлива формула (1). Разде-

лим обе части этого равенства на x

и получим

 

y

=

A + α (

x) .

 

x

 

 

 

 

По теореме 7 из Л.24 это означает, что существует

lim

y

=

 

x

A, т.е. f (x) = A .

x0

 

 

Достаточность. Предположим, что функция y =f (x) имеет производную в точке х, т.е. существует

183

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

y

= f (x) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

x

 

 

 

Тогда по той же теореме 7 из Л.24 имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) + α ( x) ,

 

 

где α (x) – БМФ при x

0 . Отсюда находим, что

 

 

 

 

 

 

y =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) x + α ( x) x ,

 

 

т.е. функция y =f (x)

дифференцируема в точке х.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, в формуле (1) можно положить A = f (x) .

20. Дифференциал функции и приближенные вы-

числения

с

помощью

дифференциала.

Пусть

функция

y = f (x)

дифференцируема в точке х. Тогда приращение функции в

этой точке может быть записано по формуле (1) в виде

 

где lim α (x) =

 

 

y =

A x + α (x) x ,

 

(2)

0 . Второе слагаемое

α (x) x является БМФ более

x

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

высокого порядка по сравнению с функцией A x (при условии, что

A 0),

lim

α

(

x)

x

= lim

α

(x)

= 0 . Поэтому первое слагаемое

 

Ax

 

 

 

A x

x0

 

x

0

 

A

 

 

 

является главной частью приращения y ,

причем это слагае-

мое есть линейная относительно x функция.

Главная,

линейная

относительно

x часть приращения функции y

в точке х называ-

ется дифференциалом функции y = f (x)

в этой точке. Для обозначения

дифференциала используется символ

dy = A x .

 

 

Если А = 0,

то

A x

 

 

не является, вообще говоря, главной час-

тью приращения y . В этом случае по определению полагают dy = 0.

Учитывая теорему 1, а именно, что A =

f (x) , можно записать, что

dy =

(3)

f (x) x .

Теперь найдем дифференциал функции f (x) = x. Применяя формулу (3), имеем

dy = (x)x = ∆ x .

Поэтому определяют дифференциал независимой переменной х

184

следующим образом: полагают dx = ∆ x . Тогда формулу (3) можно записать в виде

dy = f (x) dx .

 

Заметим, что производную функции y = f (x) обозначают

dy

или

dx

 

df (x)

 

 

 

 

.

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

Обратимся снова к формуле (2). На основании вышеизложенного

можно записать, что y dy

или

 

 

 

 

f (x + ∆ x)

 

(4)

 

 

f( x) f ( x) x .

 

Формула (4) часто используется в приближенных вычислениях. Покажем ее применение на следующих примерах.

Пример 1. Найти приближенное значение e0,2.

Решение. Воспользуемся формулой (4). Очевидно, в данном

случае f (x) = ex. Положим х = 0,

x = 0,2 .

 

Будем иметь:

 

 

ex+ ∆ x ex (ex ) x или

 

e0,2

e0 = e0 0,2,

e0,2 1+ 0,2 =

1,2.

Итак, e0,2 1,2. Более того,

при малых x

и x = 0 мы получим

формулу

 

 

 

 

ex 1+ ∆ x .

(5)

При применении формулы (4) важно правильно выбрать точку х

и x .

 

 

 

Пример 2. Найти приближенное значение sin 29°.

Решение. Нам известно значение sin 30°, равное 0,5. Воспользуемся

им и формулой (4). В качестве x

следует взять радианную меру 1°,

т.е. величину

2π

=

 

 

π

со знаком минус.

Имеем

 

 

 

360

180

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin(x + ∆ x)

sin x cos x x ,

x =

 

π

,

x = −

 

π

.

 

6

180

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поэтому получим,

что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 290

sin

π

cos π

π

=

1

3

 

π

0,4849 .

 

 

 

6

 

6

180

 

2

2

180

 

 

 

 

185

30. Теоремы о среднем. Рассматриваемые в этом пункте теоремы о среднем значении называют еще основными теоремами о дифференцируемых функциях.

Говорят, что функция y = f (x) имеет в точке xo локальный максимум (минимум), если существует δ–окрестность (xo δ; xo + δ) такая, что

 

x

(

0

δ ;+x

a

 

)

( )

(

0)

(

( )

( )

0

)

.

 

x

 

δ

 

: f x

f x

 

fx

f x

 

 

Локальный максимум и локальный минимум объединяются общим термином – локальный экстремум. Локальными называются свойства функции, которые имеют место в некоторой окрестности той или другой точки.

Теорема Ферма.

Пусть функция f определена на интервале (a; b) и в некоторой точке xo (a, b) имеет локальный экстремум. Тогда, если в точке xo существует производная, то она равна нулю, т.е. f (x0 ) = 0 .

Рис. 1

Теорема Ролля.

Геометрический смысл теоремы Ферма состоит в том, что если в точке x0 (a, b) функция имеет локальный минимум или максимум (рис. 1), то касательная в этой точке к графику функции y = f (x) параллельна оси Ох, т.е. угол наклона касательной к оси

Ох равен нулю, и f (x0 ) = tg 0 = 0 .

Пусть функция f непрерывна на отрезке [a; b], дифференцируема

на интервале (a; b) и на

концах отрезка [a; b] при-

нимает равные значения,

f (a) = f (b), то существу-

ет точка c

(a; b), в кото-

0 .

рой f (с) =

Г е о м е т р и ч е с к и й

 

смысл этой теоремы зак-

 

лючается в том, что у гра-

 

фика непрерывной на от-

Рис. 2

 

186

Рис. 3

резке [a; b] функции, принимающей на концах равные значения и дифференцируемой на (a; b), существует точка (с; f (с)), в которой касательная параллельна оси Ох.

Иначе говоря, такая функция внутри отрезка [a, b] будет иметь экстремум (например, в точке c (a; b)) и по теореме Ролля f (с) = 0 .

Теорема Лагранжа.

Если функция f непрерывна на отрезке [a; b], дифференцируема на интервале (a, b), то существует точка c (a; b), такая, что справедлива формула:

f (b)

f( a)

=

 

(6)

b

a

f (c) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим

геометри-

 

 

 

ческий смысл теоремы Лаг-

 

 

 

ранжа.

 

 

 

 

 

 

Из MKN

 

имеем, что

 

 

 

 

NK

 

 

f (b) f( a)

,

 

 

 

tg α = MK

=

b a

т.е. левая часть равенства (6) есть тангенс угла наклона секущей MN к оси Ох. Правая часть равенства (6) есть тангенс угла наклона касательной в некоторой

точке c (a; b). Таким образом, теорема Лагранжа утверждает, что найдется точка c (a; b), в которой касательная к графику функции параллельна секущей, соединяющей концы графика функции (точки

(a; f (a)) и (b; f (b)).

Соотношение (6) можно записать в виде:

 

f (b)

f( a) = f ( c)( b )a .

(7)

 

 

 

Формулу (7) называют формулой конечных приращений.

Теорема

Коши.

 

 

Если функции f и g непрерывны на отрезке [a; b], дифференциру-

емы на

интервале (a; b),

то существует точка

причем g (x) 0 ,

c (a; b),

такая, что справедливо равенство:

 

187

 

 

f (b) f( a) =

f (c) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g(b) g( a)

 

g (c)

 

 

 

Пример 2.

Найти дифференциал функции y = x2 + 2x + 2 в точке

х = 1 двумя способами:

линейную относительно x

 

 

а) выделяя главную,

часть прира-

щения y ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) по формуле (3).

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Придадим в точке х

приращение аргументу x и

найдем соответствующее

приращение функции y :

 

 

y = f (x + ∆ x) f( x) = ( x + ∆ x) 2 + 2( x + ∆ )x + 2 (x2 + 2x + 2) =

= 2x x + (x)2 + 2x = 2( x + 1) x +( x) 2 .

 

 

Если x –1 , то главной,

линейной относительно x ,

частью

приращения

функции

y

является величина 2(x + 1)

x , т.е.

dy = 2(x + 1) x .

Заметим,

что в данном случае

α (x) = (

x)

2 .

Если искать дифференциал по формуле (3), то найдем:

 

f (x) = 2x + 2 = 2( x + 1) и dy = f(x) x = 2( x + )1 x .

 

Если положить х = 1,

то dy = 4

x .

 

 

 

! Задания

для самостоятельной работы

 

 

1. Найти дифференциал функции

y = x3 + x2 + 1 в точке х = –1 дву-

мя способами:

 

 

линейную относительно x ,

 

 

а) выделяя главную,

часть прира-

щения функции y ;

 

 

 

 

 

α (x) .

 

 

б) по формуле (3) напишите выражения для

 

 

2. Прямолинейное

движение

точки

задано

уравнением

s = 2t2 + t + 1, где время t выражается в секундах, а путь s – в метрах. Найти приращение и дифференциал пути s в момент времени t = 1c и сравнить их при :

а)

t =

0,1c ;

 

 

б)

t = 0,2c ;

в) t = 1c .

 

 

3.

Найти дифференциал функции у в точке х, если:

 

 

 

 

 

2

 

 

2x

 

1

 

x

 

а)

y =

ln

x +

x

 

− 1

; б) y = xe

 

; в) y =

 

arctg

 

.

 

 

a

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Используя формулу (4), найти приближенные значения:

а) cos 61o;

б)

3 1,01 ;

в) arctg 1,1;

 

г) arcsin 0,51;

д) lg 11.

188

Лекция 31

Правило Лопиталя. Формула Тейлора

С помощью теорем о среднем выводятся правила для эффективного нахождения пределов. Рассматривается одна из главных формул высшей математики – формула Тейлора.

10. Правило Лопиталя. Пусть функции f и g дифференцируемы в некоторой окрестности точки x = a, f (a) = g(a) = 0 и g(x ) 0 при x a. Тогда, пользуясь теоремой Коши, можно записать:

 

f (x ) f (a)

=

f (c)

,

 

 

 

 

g(x ) g(a)

 

g(c)

 

 

 

 

где точка c находится между точками x и a. Иначе говоря,

 

 

 

 

 

f (x )

=

 

f (c)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g(x )

g(c)

 

 

 

 

Если xa , то ca и, следовательно, если существует lim

f (c)

,

g(c)

 

 

 

 

 

 

 

 

c

a

 

то существует и предел lim

f (x )

. Это утверждение и называют правилом

 

x a g(x )

 

Лопиталя. Сформулируем его более строго в виде следующей теоремы.

Теорема 1 (правило Лопиталя).

Пусть функции f и g определены и дифференцируемы в некоторой окрестности точки а , за исключением, может быть, самой

точки а. Пусть функции f и g являются БМФ при x a и

g(x ) 0 в

окрестности точки а. Тогда, если существует lim

f (x )

,

то

g(x )

 

 

 

 

 

x a

 

 

lim

f (x )

=

lim

f (x )

.

 

 

(1)

 

 

 

 

x a g(x )

x a

g(x )

 

 

 

Таким образом, в данном случае предел отношения двух БМФ сводится к пределу отношения их производных, что часто является весьма удобным приемом при вычислении пределов. Проиллюстрируем это на примере.

189

Пример 1. Найти предел lim sin 4x . x 0 tg2x

Решение. В данном случае условия правила Лопиталя выполняются. Функции f (x) = sin 4x и g(x) = tg 2x являются дифференцируемыми

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

π

 

 

 

функциями, например, на интервале

 

;

 

 

 

 

и f(0) = g(0) = 0. Приме-

4

4

ним формулу (1):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

sin 4x

=

lim

(sin 4x )=

lim

 

4 cos 4x

 

 

 

=

2 lim cos 4x cos2 2x =

 

 

1/cos2 2x

 

 

x 0 tg 2x

x 0

(tg 2x )

x 0 2

 

 

 

 

 

x

0

 

 

 

 

= 2 lim cos 4x lim cos2 2x =

2 .

 

 

 

 

 

x 0

x

0

 

 

 

 

 

 

 

 

Такимобразом,первоначальномыимеемнеопределенностьвида 00 ,послепере-

ходакпределуотношенияпроизводныхтакаянеопределенностьуже отсутствует. Если функции f и g дважды дифференцируемы в некоторой

окрестности

точки а,

f (a) =

g(a) =

f (a) = g(a) = 0 и существует

lim

f (x )

, то имеет место равенство:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x a g(x )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

f (x )

=

lim

 

f (x )

 

 

 

 

 

 

 

 

g(x ) .

 

 

 

 

 

x

a g(x )

x

a

 

 

 

Это означает, что если f (x )

и

g(x ) , в свою очередь, являются

БМФ при x

a, то правило Лопиталя применимо к пределу lim

f (x )

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x a

g(x )

Нетрудносформулироватьусловия,прикоторыхсправедливаследующаяформула:

 

lim

f (x )

 

=

lim

f (n) (x )

.

(2)

 

 

 

 

x a g(x )

 

x a g(n) (x )

 

Пример 2.

Найти предел

 

lim

x

sin x

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 0

x 3

 

Решение.

Функции f (x) = x – sin x и g(x) = x3

являются БМФ при

x 0. Применяя правило Лопиталя, найдем:

190