высшая математика
.pdf
|
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) . |
||
∆ x→ 0 |
|
|
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 = A∆ x + 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 . |
||
∆ x→ 0 |
|
|
Достаточность. Предположим, что функция y =f (x) имеет производную в точке х, т.е. существует
183
|
|
|
|
|
|
|
|
lim |
∆ y |
= f ′(x) . |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
∆ x→ 0 |
∆ 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 |
|||||||
|
A∆ x |
|
|
|
||||||||||||
A ∆ x |
∆ x→ 0 |
|
∆ 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 |
|
|
|
|
e∆ x ≈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 |
|
f≥ x |
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
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 + 2∆ x = 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 x→ a , то c→ a 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