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

Higher_Mathematics_Part_1

.pdf
Скачиваний:
95
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
9 Mб
Скачать

3) if the derivative at some point is positive (negative), then in the

neighbourhood of this point the function increases (decreases);

 

 

4) if the functions f1 (x) and

f2 (x)

are differentiable on the interval (a; b) ,

f (x) =

f (x) , at

the points a

and

b functions are

continuous,

then the

1

2

 

 

 

 

 

 

difference between these functions is

 

 

 

 

 

 

 

f1 (x) f2 (x) = const.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Cauchy’s theorem). If the functions

f (x) and

g(x) are

 

Theorem 3.14

 

 

 

 

continuous on the segment [a; b] , differentiable at the

interval

 

 

 

 

 

 

 

(a; b) , g (x) 0 , x (a; b) , then there’s at least one point c (a; b) ,

where the following statement takes place :

f (b) f (a)

=

f (c) .

g(b) g(a)

 

g (c)

 

21.2. Taylor’s and Maclaurin’s formulas

In some cases Taylor’s formula is used for function investigation (calculation the value of a function, boundaries of a function).

Theorem 3.15

Let the function f (x) at the point

x0 has the derivatives to

 

the (n + 1) -th order inclusively and

x is arbitrary value from

the given neighbourhood (x x0 ) . Then, there’s point c between points x0 and x , so that Taylor’s formula is true

 

 

f

 

 

f

′′(x0 )

 

 

f (x) = f (x0 ) +

(x0 )

 

(x x0 ) +

(x x0 )2

+ …

 

1!

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

(n) (x )

(x x )n +

 

 

 

... +

 

 

0

 

R (x) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

0

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where R

(x) =

f (n+1) (c)

(x x

)n+1

is remainder term in the Lagrange’s form,

 

n

 

(n + 1)!

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c = x0 + θ(x x0 ) , 0 < θ < 1.

 

 

 

 

 

The expression

 

 

 

f (n) (x )

 

 

 

 

 

f

(x )

 

(x x0 )n

 

Pn (x) = f (x0 ) +

 

0

(x x0 ) + …+

0

 

 

1!

n!

 

 

 

 

 

 

 

is called Taylor’s polynomial.

241

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

If x0 = 0 then Taylor’s formula is called Maclaurin’s formula:

f (x) = f (0) +

f (0)

x +

f ′′(0)

x

2

+ …+

f (n) (0)

x

n

+

f (n+1) (c)

x

n+1

1!

2!

 

n!

 

(n + 1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where c = θ x, 0 ≤ θ ≤ 1.

Let us consider some examples of expansions of elementary functions using Maclaurin’s formula:

 

ex = 1+

 

x

 

+

 

 

x2

+

x3

+ …+

 

xn

+ Rn (x) ;

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1!

 

 

 

 

 

3!

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x = x

x3

 

+

 

x5

 

 

− …+ (1)

n

 

 

 

x2n+1

 

+ R2n+1 (x) ;

 

 

3!

 

 

5!

 

 

 

(2n + 1)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos x = 1

 

x2

+

 

x4

− …+

(1)

n

 

 

x2n

 

+ R2n (x) ;

 

 

 

2!

 

4!

 

 

 

 

 

(2n)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln(1+ x) = x

 

x

2

+

 

x3

− …+ (1)

n1

 

xn

 

+ Rn (x) ;

 

(3.12)

2

 

 

3

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arctg x = x

x3

+

 

x5

 

− …+

(1)

n

 

x2n+1

 

+ R2n+1 (x) ;

 

 

 

3

 

 

 

5

 

 

 

 

2n + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1+ x)m = 1+

m

x +

m(m 1)

x2 +

m(m 1)(m 2)

x3

+ …+

(3.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3!

 

 

 

 

 

+

m(m 1)(m 2)

 

 

(m (n 1))

xn + R

(x) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If m = −1 then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

n

+ Rn (x) ,

 

(3.14)

 

 

 

 

 

= 1x + x x

+…+ (1)

x

 

 

 

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

= 1+ x + x2 + x3 + …+ xn + Rn (x) .

 

(3.15)

 

1x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21.3. L’Hospital’s rule

We use L’Hospital’s rule to disclosing indeterminate form of such kind as

0

 

 

 

 

 

or

 

.

 

 

0

 

 

242

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Theorem 3.16 (L’Hospital’s rule). Let functions ƒ(x) and g(x) be:

1) determined and differentiable in a neighbourhood of a point x0 , except,

probably, the point x0 , and

g(x) 0

in this neighbourhood;

 

2) lim

f (x) = lim

g(x) = 0

or

lim

f (x) = lim g(x) = ∞ ; i.e. ƒ(x), g(x)

xx0

xx0

 

 

 

xx0

 

xx0

 

 

are simultaneously infinitesimals or infinites as

x x0 ;

 

 

3) there is a finite lim

f (x)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x0

g(x)

 

 

 

 

 

 

f (x)

 

Then there is a limit of the quotient of functions lim

and

g(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx0

 

 

 

 

lim

f (x)

=

lim

f (x)

.

 

 

 

 

 

xx0

g(x)

xx0

g(x)

 

 

Let’s note, that the theorem is true and in that case, when x0 = ∞.

It should be noted, that sometimes students do a gross error, to search instead

of lim

f (x)

for

lim

 

f (x)

.

g(x)

 

xx

 

xx

 

g(x)

0

 

 

0

 

 

 

L’Hospital’s rule is named after the mathematician which for the first time has published it. But this rule was proved for the first time by I. Bernulli, therefore L’Hospital’s rule is still named Bernulli-L’Hospital’s rule.

L’Hospital’s rule directly apply to disclosing indeterminate forms of a kind

 

0

or

 

 

which are called the basic. Other indeterminate forms [0 ] ,

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[∞ − ∞] ,

1

, 00

,

0

 

are reduced to the basic.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Indeterminate form [0 ] ( lim

f (x)g(x) , when lim f (x) = 0,

 

 

lim g(x) = ∞)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx0

 

or

xx0

 

 

 

 

xx0

 

is reduced to indeterminate forms 0

. Thus,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)g(x) =

f (x)

0

 

 

or

f (x)g(x) =

g(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

0

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

20. Indeterminate form

[

∞ − ∞

]

( lim ( f (x) g(x)) , when

lim

f (x) = ∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

 

xx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

and lim

g(x) = ∞)

is reduced to the indeterminate form 0

so:

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

243

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

f (x) g(x) =

 

 

g(x)

f (x)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)g(x)

30. Indeterminate forms

1,

00

 

,

 

0

 

are reduced to the indeterminate

form 0 with

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

the

help

of

taking

previous

logarithm or representation of

function f (x)g(x)

as eg(x) ln f (x)

 

(using the basic logarithmic identity).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Micromodule 21

EXAMPLES OF PROBLEMS SOLUTION

Example 1. Expand functions using the Maclaurin’s formula:

a)

f (x) =

1

 

 

;

b) f (x) = ln(2x

2

+ 7x + 3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 + x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. а) we shall write down

 

f (x)

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 4

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Then using the formula (3.14) we have

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

x

 

2

x

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

x

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

 

 

 

1

 

 

+

 

 

 

− …+ (1)

 

 

 

 

 

 

 

+ Rn

(x) .

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) We use transformation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln(2x2 + 7x + 3) = ln(1+ 2x)(x + 3) = ln(1+ 2x) + ln(x + 3) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ln(1+ 2x) + ln(1+

x

) + ln 3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Using the formula (3.12) twice, we shall get

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln(1+ 2x) = 2x

 

 

(2x)2

 

(2x)3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1

(2x)n

1

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

− …+

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ Rn (x) ,

 

 

 

 

2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

ln(1+

x

)

=

x

1

 

x

2

+

1

 

x

3

 

− …+ (1)n1

1

 

x

n + R2 (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

3 2

 

3

 

 

 

3 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

3

 

n

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

(1)k 1

 

 

k

 

 

 

 

 

1

 

 

k

 

 

 

 

ln(2x2 + 7x + 3) = ln 3 +

 

 

 

 

 

2

 

 

+

 

 

 

 

x

 

+ R (x) .

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

244

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Example 2. Calculate limit, using L’Hospital’s rule.

Solution. We lim e3x ex

have indeterminate form 0

 

, then lim

e3x ex

=

x

 

3e3x ex

x0

x

 

0

 

x0

 

= lim

= 3 1 = 2 .

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 3. Calculate

lim x2 ln x.

 

 

 

 

 

 

 

 

x → +0

 

 

 

 

Solution. In this case we have indeterminate form 0 . We shall reduce to

indeterminate form

and use L’Hospital’s rule:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim x2 ln x = lim

 

 

ln x

 

=

 

lim

(ln x)

 

=

 

 

lim

 

1/ x

 

= −

1

lim x2

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

2

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 / x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+0

x→+0 1/ x2

 

 

 

 

 

x→+0 (1/ x

 

 

 

 

x→+0

 

2

x→+0

 

Example 4. Calculate lim

 

x + sin x

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. We have indeterminate form

. We shall find

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

x + sin x

= lim (1+ sin x) = 1+ 0 = 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

x

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 5. Calculate

 

lim (tgx sec x) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xπ

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[∞ − ∞] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Here indeterminate form

 

 

We

shall

reduce

it to

indeterminate form 0

then use L’Hospital’s rule:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x 1

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

(tg x sec x) =

lim (tg x

 

 

 

 

 

) =

 

lim

 

 

 

 

 

 

=

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

cos x

 

 

cos x

x

 

 

x→π / 2

 

 

 

 

 

 

x

→π / 2

 

 

 

 

 

 

 

→π

/ 2

 

 

0

 

 

=

 

 

lim

 

 

(sin x 1)

 

=

 

 

lim

 

cos x

 

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(cos x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xπ / 2

 

 

 

 

x→π / 2 sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 6. Calculate

lim (π − 2x)ños x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xπ

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

value x = π

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution.

Substituting

in

 

 

expression

 

 

the

 

, we

shall

receive

indeterminate form 00. For

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

convenience purposes

 

we

execute

 

replacement

π 2x = t , then t 0 . So,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

245

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

lim (π − 2x)cos x

= lim tsin(t / 2) = lim esin(t / 2) ln t =

 

lim sin(t / 2) ln t

= eA ,

x→π / 2

 

 

 

t0

 

 

 

t0

 

 

 

et0

1

 

ln t

A = lim sin(t / 2) ln t = [0 ] =

 

1

lim t ln t = [0 ] =

lim

 

=

 

 

 

 

 

 

t0

 

 

 

(ln t)

 

 

2 t0

 

 

 

 

2 t0 1/ t

 

 

 

1

 

=

1

 

 

1/ t

 

 

1

 

 

 

 

 

 

=

 

=

 

lim

 

 

 

lim

 

 

= −

lim t = 0 .

 

 

 

(1/ t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/ t

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 t0

 

2 t0

 

 

2 t0

 

 

 

 

 

Then

lim

(

π − 2x

)

cos x = e0

= 1.

x→π / 2

 

 

 

Micromodule 21

CLASS AND HOME ASSIGNMENTS

1.Expand a polynomial P4(x)=x4 – 5x3 + 5x2 + x + 2 in powers of binomial

x2.

Expand functions using Maclaurin’s formula:

1

2. 12x .

5.x2 + 1 .

x2

8. x sin x .

3.

1

.

 

4.

1

 

.

2 + x

 

 

(x 1)(x + 2)

6.

x cos2 x .

7.

ln

12x

.

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x

9.

1

.

10. ln(x2 3x + 2) .

 

 

1+ 4x

 

 

 

 

 

 

Calculate limits, using L’Hospital’s rule:

11.

lim

 

 

7x 3

.

 

12. lim (x2

+ 1)ex . 13.

lim(tg 2x)x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞ x2 + 2

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x cos 2x sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

16. lim x4 3

 

1

 

 

 

 

 

 

 

14.

 

 

. 15. lim(ex + x)

 

.

x2

.

 

 

 

 

 

lim

x

 

 

 

 

 

x0

 

 

x3

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17.

lim ln(7 2x) ln(6 2x) .

18. lim

ln(cos 3x)

.

19. lim

 

ln2 x

.

 

 

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

ln(cos 8x)

 

x→∞

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

arctg x

 

 

 

lim tg x ln

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

20.

 

x .

21.

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. 22.

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

e

x

1

 

 

 

 

x

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

sin x

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

23. lim

ex esin x

 

 

24.

 

 

2 (ex

+ ex ) cos x

. 25. lim

x + x2

 

 

 

 

 

 

.

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

x0

 

x sin x

 

 

 

 

x0

 

 

 

x4

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

e

x

 

246

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

 

 

 

Answers

 

 

 

 

 

 

 

1. (x 2)4 + 3(x 2)3 7(x 2) . 3. The instruction. Write

down expression

as

1

 

1

. 5. The instruction. To reduce expression of a kind

x + 2

 

5

 

.

2

1+ x / 2

2(1

x / 2)

 

 

 

 

11. . 12. 0. 13. 1. 14. –11/6. 15. e2 . 16. . 17. 0. 18. 3/8. 19. 0. 20. 0. 23. 1. 24. 1/3. 25. 0.

Micromodule 21

SELF-TEST ASSIGNMENTS

21.1. а) lim x ln2 x ;

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21.2. а) lim sin x ln2 x ;

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21.3. а) lim x2ex ;

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

21.4. а)

lim (x3 + 1)4x ;

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

21.5. а) lim (x3 x 2) 3x ;

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

21.6. а) lim

1cos x

)

ctg x

;

 

x0

(

 

 

 

 

 

21.7. а) lim

ln x ln

(

x 1

;

 

 

x1

 

 

 

)

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

21.8. а)

lim x2 e

x2

;

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

21.9. а) lim x4 2 x2 ;

x0

1

21.10. а) lim x2 2 x2 ;

x0

1

21.11. а) lim x4 5 x2 ;

x0

b)

lim

 

 

 

 

3x

 

 

 

 

 

 

;

c) lim(sin x)x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞ x2 5x + 2

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) lim

 

 

 

 

 

2x

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

c) lim(tg x)x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞ x2 + 3x + 1

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) lim

 

tg x sin x

 

;

 

 

 

 

c)

lim (tg x)2x − π .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

x sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) lim

 

 

ln(x2 8)

 

 

 

;

 

c)

lim

(

ctg x

)

sin x

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3 2x2 5x 3

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ex ex

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) lim

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

c)

lim

(

ctg x

)

ln x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0 sin x cos x

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

π x

 

 

b)

 

 

 

 

1

 

 

 

 

x

 

 

; c)

 

 

(1x)

cos

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

ln x

 

 

 

ln x

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) lim

 

x cos x sin x

; c) lim(1cos x)x .

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

b) lim

x arctg x

 

;

 

 

 

 

c)

lim

(ex + x)

 

.

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) lim

ex cosxxcosx

; c) lim

(

sin x

)

tg x .

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) lim

 

ln cos x

;

 

 

 

 

 

 

 

 

c) lim

(

cos x

)

ctg2 x

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0 ln cos 4x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)

lim

ln

2 x

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c) lim

(

cos 2x

)

x2

 

.

3

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

247

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

 

1

 

 

 

ln2 x

 

21.12. а) lim x4 6

 

;

b) lim

. ;

x4

 

 

x0

x→∞ 5 x4

 

 

21.13. а) lim ln(52x) ln(4 2x) ;

b) lim

 

ln x

;

 

 

 

x2

x0 ctg x

 

 

21.14. а)

lim ln(x 3) ln(7 2x) ;

b) lim

 

ln x

;

 

 

 

x3

x0 ctg x

 

 

21.15. а)

lim ln(2x 1) ln(2 2x) ; b) lim

ln(sin 2x)

ln(sin 5x)

 

x1

x0

c) lim (arcsin x)x .

x0

tg πx

c) lim(2 x) 2 .

x1

c) lim (tg x)tg 2x .

xπ / 4

1

; c) lim x1x .

x1

21.16. а) lim

1cos x

)

ctg2

x ;

b) lim

ln(sin 3x)

;

c)

lim (

2

arctg x)x .

x0

(

 

 

 

x0 ln(sin 7x)

 

 

x→+∞

 

π

 

 

 

 

 

1

 

 

ln(tg3

x)

 

 

 

 

 

21.17. а) lim(cos2 x 3cos x + 2) e

x2

; b) lim

; c)

lim

xtg x .

ln(sin 4x)

x0

 

 

 

 

 

x0

 

x→+0

 

 

 

1

21.18. а) lim(cos2 x 1) e x2 ;

x0

1

21.19. а) lim(1cos2 x) e x2 ;

x0

21.20. а)

lim arcsin x ln2 (2x) ;

 

x0

21.21. а) lim x3 ln2 x ;

 

x0

21.22. а)

lim x ln2 x ;

 

x0

21.23. а)

lim 4 x ln2 x ;

 

x0

21.24. а)

lim 3 x ln2 x ;

 

x0

 

1

 

21.25. а)

lim x8 2

x4

;

 

x0

b) lim

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

; c)

lim

 

 

(tg x)

2xπ

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

x

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

x

 

 

 

 

 

xπ

/ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln3 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arctg x

1

 

b) lim

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c) lim

x2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

sin x

 

 

 

 

 

 

b) lim

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;c)

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x1

ln x

 

 

 

 

1

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) lim

 

 

 

2x + 3x

 

 

;

 

 

 

 

c)

lim xarcsin x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞ x3 x + 1

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)

lim

 

 

5x 3x

 

 

 

 

; c)

lim (ln x)x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞ x2 6x + 4

 

x→+0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) lim

 

3x2

+ 4x 6

; c) lim(ctg x)sin x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

(1,1)x

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6x2 x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tg x

 

 

 

 

 

 

 

b)

lim

; c)

lim

x2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

(1, 5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x2 +10x20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

b)

lim

; c)

lim(x 1)2x .

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

(2,5)x

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

248

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

21.26. а)

lim (x2

+ 4x + 5) 3x ;

b) lim

ln(x2 + 3x + 1)

; c) lim xarc tg 2x .

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

x→∞

ln(2x2 1)

 

 

x0

 

 

 

21.27. а) lim (5x2

+ 3x + 2) 6x ;

b) lim

ln(x2 + ex )

;

 

c) lim sin xarc tg x .

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

x→∞

 

x

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

21.28. а)

lim x ln3 x ;

 

b) lim

ln(3x2 + 2x )

;c)

lim xxsin x .

 

 

x

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

21.29. а) lim(x2 1) ln2 (x 1) ;

b) lim

ln(4x2 + 3x )

;c) lim ln xln x .

 

x

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

ex

 

 

6

 

6

 

 

 

 

 

 

 

x

 

21.30. а)

lim x

 

2

x

 

;

b) lim

 

 

 

 

 

 

; c) lim (e

 

)

.

 

 

 

tg x

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

x0

sin x

 

e

1

x→∞

 

 

 

Micromodule 22

BASIC THEORETICAL INFORMATION.

THE USAGE OF DERIVATIVE IN INVESTIGATION OF A FUNCTION

Monotony of a function. Extremum. Intervals of convexity and concavity, inflection points. Asymptotes. The greatest and the least meanings of the function. General scheme of investigation of a function and constructing of its graph.

Literature: [2, chapter 5], [4, part 5], [6, chapter 5, § 6], [7, chapter 6, §20, 21], [9], [10, chapter 4, §§ 27—31], [11, chapter 5, §1], [12, chapter 5, § 3, 4].

22.1. Increasing and decreasing functions. Relative extremum of a function

Definition 3.25.

Function f (x) is

called increasing

(decreasing) on an

interval

(a; b) , if

for any two points

x1

and x2 from

the given interval

( x1 < x2 ), the following inequality is fulfilled

f (x1 ) < f (x2 )

( f (x1 ) > f (x2 )) .

Properties of increasing and decreasing functions:

 

 

1)

if

f

 

 

 

 

 

 

 

(x) > 0 for all x (a; b) , then function f (x) increases on (a; b);

2)

if

f

 

x (a; b) , then function

f (x)

decreases on (a; b);

(x) < 0 for all

3)

if

f

 

x (a; b) ,then function

f (x)

is constant on (à; b) .

(x) = 0 for all

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

249

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

y

y

ff((xx0))

f(x) f(x0)

 

О x0–δ x x0

x0x

 

О x0–δ x x0 x0x

 

 

 

x0 — point of maximum

 

x0 — is a point of minimum

 

 

 

Fig. 3.23

 

 

Fig. 3.24

 

 

 

 

 

 

Definition 3.26. Point x0 is

called the point of relative maximum (or

minimum) of function

f (x) , if there exists such neighbourhood 0 <

 

x x0

 

< δ

 

 

of point x0 , which belongs to the domain of the function, and for all x

from

this neighbourhood the following inequality is fulfilled

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) < f (x0 ) ( f (x) > f (x0 )) .

 

 

 

 

 

 

Geometrical interpretation of the definition is clear from the Fig. 3.23 and 3.24.

 

Let’s define the conditions of relative extreme.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Theorem 3.17

(necessary condition

of relative extreme). If

a function

 

 

f (x)

has at point x0

relative extremum and differentiable

 

at this point, then f (x0 ) = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

Geometrical

interpretation of

the theorem 3.17. If function

f (x) has in

point x0 relative extremum and differentiable at this point, then in this point there exists the tangent line to the graph of function y = f (x) and this point

belongs to the x-axis.

Condition f (x0 ) = 0 is necessary, but is not enough for the function, which is differentiable at the point x0 , to have relative extremum. For example, the derivative of the function y = x3 at point x = 0 is equal to zero, but it does not have relative extremum at this point. So, function y =| x | has at point x = 0

minimum, but does not have the derivative at this point. Function y = 3 x is not

differentiable at point x = 0 and does not have extremum at this point.

Point, in which the derivative is equal to zero, is called stationary. Point, in which the derivative is equal to zero or does not exist are called critical. Critical point is the point of possible extremum.

250

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]