- •Тема 1. Введение в математический анализ 9
- •Тема 2. Дифференциальное исчисление функции одной переменной 34
- •Тема 3. Интегральное исчисление 84
- •Тема 4. Ряды 144
- •Требования к результатам освоения дисциплины
- •Содержание дисциплины
- •Тема 1. Введение в математический анализ.
- •Тема 2. Дифференциальное исчисление функций одной переменной.
- •Тема 3. Интегральное исчисление.
- •Тема 4. Ряды.
- •Формы контроля
- •Литература
- •Курс лекций тема 1. Введение в математический анализ
- •1.1. Числовая последовательность
- •1.2. Ограниченные и неограниченные последовательности
- •1.3. Предел
- •1.4. Монотонные последовательности
- •1.5. Число е
- •1.6. Связь натурального и десятичного логарифмов
- •1.7. Предел функции в точке. Односторонние пределы
- •1.8. Предел функции при стремлении аргумента к бесконечности
- •1.9. Основные теоремы о пределах
- •1.10. Ограниченные функции
- •1.11. Бесконечно малые функции
- •1.12. Бесконечно большие функции и их связь с бесконечно малыми
- •1.13. Сравнение бесконечно малых функций
- •1.14. Свойства эквивалентных бесконечно малых функций
- •1.15. Некоторые замечательные пределы
- •1.16. Непрерывность функции в точке
- •1.17. Свойства непрерывных функций
- •1.18. Непрерывность некоторых элементарных функций
- •1.19. Точки разрыва и их классификация
- •1.20. Непрерывность функции на интервале и на отрезке
- •1.21. Свойства функций, непрерывных на отрезке
- •1.22. Комплексные числа
- •1.23. Тригонометрическая форма числа
- •1.24. Действия с комплексными числами
- •1.25. Показательная форма комплексного числа
- •Тема 2. Дифференциальное исчисление функции одной переменной
- •2.1. Производная функции, ее геометрический и физический смысл
- •2.2. Односторонние производные функции в точке
- •2.7. Производная показательно-степенной функции
- •2.8. Производная обратных функций
- •2.9. Дифференциал функции
- •2.10. Геометрический смысл дифференциала
- •2.11. Свойства дифференциала
- •2.12. Дифференциал сложной функции. Инвариантная форма записи дифференциала
- •2.13. Формула Тейлора. Формула Лагранжа. Формула Маклорена Тейлор (1685-1731) – английский математик
- •Колин Маклорен (1698-1746) шотландский математик.
- •2.14. Представление некоторых элементарных функций по формуле Тейлора. Бином Ньютона
- •2.15. Применение дифференциала к приближенным вычислениям
- •2.16. Теорема Ролля
- •2.17. Теорема Лагранжа
- •2.18. Теорема Коши
- •2.19. Раскрытие неопределенностей. Правило Лопиталя
- •2.20. Производные и дифференциалы высших порядков
- •2.21. Общие правила нахождения высших производных
- •2.22. Возрастание и убывание функций
- •2.23. Точки экстремума. Критические точки. Достаточные условия экстремума
- •2.24. Исследование функции на экстремум с помощью производных высших порядков
- •2.25. Выпуклость и вогнутость кривой. Точки перегиба
- •2.26. Асимптоты
- •Вертикальные асимптоты
- •Наклонные асимптоты
- •2.27. Схема исследования функций
- •2.28. Векторная функция скалярного аргумента. Уравнение касательной к кривой
- •2.29. Свойства производной векторной функции скалярного аргумента
- •2.30. Уравнение нормальной плоскости
- •2.31. Параметрическое задание функции
- •2.32. Уравнения некоторых типов кривых в параметрической форме о кружность
- •Циклоида
- •Астроида
- •2.33. Производная функции, заданной параметрически
- •2.34. Кривизна плоской кривой
- •Свойства эволюты
- •2.35. Кривизна пространственной кривой
- •О формулах Френе
- •3.4. Методы интегрирования. Интегрирование различных функций
- •Непосредственное интегрирование
- •Способ подстановки (замены переменных)
- •Интегрирование по частям
- •Интегрирование элементарных дробей
- •Интегрирование рациональных функций. Интегрирование рациональных дробей.
- •Интегрирование некоторых тригонометрических функций
- •Интегрирование некоторых иррациональных функций
- •1 Способ. Тригонометрическая подстановка.
- •3 Способ. Метод неопределенных коэффициентов.
- •Несколько примеров интегралов, не выражающихся через элементарные функции
- •3.5. Определенный интеграл и его свойства
- •Свойства определенного интеграла
- •3.6. Приемы и методы вычисления определенного интеграла
- •Замена переменных
- •Интегрирование по частям
- •Приближенное вычисление определенного интеграла
- •Формула прямоугольников
- •Формула трапеций
- •Формула парабол (формула Симпсона или квадратурная формула) (Томас Симпсон (1710-1761)- английский математик)
- •3.7. Несобственные интегралы
- •3.8. Интеграл от разрывной функции
- •3.9. Геометрические приложения определенного интеграла Вычисление площадей плоских фигур
- •Нахождение площади криволинейного сектора
- •Вычисление длины дуги кривой
- •3.8. Вычисление объемов тел Вычисление объема тела по известным площадям его параллельных сечений.
- •Объем тел вращения
- •3.9. Площадь поверхности тела вращения
- •3.10. Функции нескольких переменных
- •3.11. Производные и дифференциалы функций нескольких переменных
- •3.12. Полное приращение и полный дифференциал
- •3.12. Геометрический смысл полного дифференциала. Касательная плоскость и нормаль к поверхности
- •3.13. Приближенные вычисления с помощью полного дифференциала
- •3.14. Частные производные высших порядков
- •3.15. Экстремум функции нескольких переменных
- •Условный экстремум
- •3.16. Производная по направлению
- •3.17. Градиент
- •Связь градиента с производной по направлению
- •3.18. Двойные интегралы
- •Условия существования двойного интеграла
- •Свойства двойного интеграла
- •Вычисление двойного интеграла
- •Замена переменных в двойном интеграле
- •Двойной интеграл в полярных координатах
- •3.19. Тройной интеграл
- •Замена переменных в тройном интеграле
- •Цилиндрическая система координат
- •Сферическая система координат
- •3.20. Геометрические и физические приложения кратных интегралов
- •3) Вычисление объемов тел.
- •Тема 4. Ряды
- •4.1. Основные определения
- •4.2. Свойства рядов
- •4.3. Критерий Коши
- •4.4. Ряды с неотрицательными членами
- •4.5. Признак сравнения рядов с неотрицательными членами
- •4.6. Признак Даламбера
- •4.7. Предельный признак Даламбера
- •4.8. Признак Коши (радикальный признак)
- •4.9. Интегральный признак Коши
- •4.10. Знакопеременные ряды. Знакочередующиеся ряды
- •4.11. Признак Лейбница
- •4.12. Абсолютная и условная сходимость рядов
- •4.13. Признаки Даламбера и Коши для знакопеременных рядов
- •4.14. Свойства абсолютно сходящихся рядов
- •4.15. Функциональные последовательности
- •4.16. Функциональные ряды
- •4.17. Критерий Коши равномерной сходимости ряда. Признак равномерной сходимости Вейерштрасса
- •4.18. Свойства равномерно сходящихся рядов
- •4.19. Степенные ряды
- •4.20. Теоремы Абеля
- •4.21. Действия со степенными рядами
- •1) Интегрирование степенных рядов.
- •2) Дифференцирование степенных рядов.
- •3) Сложение, вычитание, умножение и деление степенных рядов.
- •4.22. Разложение функций в степенные ряды
- •Если применить к той же функции формулу Маклорена
- •4.23. Решение дифференциальных уравнений с помощью степенных рядов
- •4.24. Ряды Фурье
- •Тригонометрический ряд
- •Достаточные признаки разложимости в ряд Фурье
- •Разложение в ряд Фурье непериодической функции.
- •Ряд Фурье для четных и нечетных функций
- •Ряды Фурье для функций любого периода
- •Ряд Фурье по ортогональной системе функций
- •4.25. Интеграл Фурье
- •Можно доказать, что предел суммы, стоящий в правой части равенства равен интегралу
- •4.26. Преобразование Фурье
- •4.27. Элементы теории функций комплексного переменного
- •4.28. Свойства функций комплексного переменного
- •4.29. Основные трансцендентные функции
- •4.30. Производная функций комплексного переменного
- •4.31. Условия Коши – Римана
- •4.32. Интегрирование функций комплексной переменной
- •4.33. Теорема Коши. Интегральная формула Коши
- •Интегральная формула Коши
- •4.34. Ряды Тейлора и Лорана. Изолированные особые точки
- •4.35. Теорема о вычетах. Вычисление интегралов с помощью вычетов
- •Образцы решения типовых заданий
- •Блок контроля контрольная работа
- •Варианты заданий
- •Экзаменационная работа
- •Экзаменационные вопросы
- •Экзаменационные практические задания
- •Список рекомендуемой литературы
3.16. Производная по направлению
Рассмотрим функцию u(x, y, z) в точке М( x, y, z) и точке М1( x + x, y + y, z + z).
Проведем через точки М и М1 вектор . Углы наклона этого вектора к направлению координатных осей х, у, z обозначим соответственно , , . Косинусы этих углов называются направляющими косинусами вектора .
Расстояние между точками М и М1 на векторе обозначим S.
Высказанные выше предположения, проиллюстрируем на рисунке:
z
M
M1
y
x
Далее предположим, что функция u(x, y, z) непрерывна и имеет непрерывные частные производные по переменным х, у и z. Тогда правомерно записать следующее выражение:
,
где величины 1, 2, 3 – бесконечно малые при .
Из геометрических соображений очевидно:
Таким образом, приведенные выше равенства могут быть представлены следующим образом:
;
Заметим, что величина s является скалярной. Она лишь определяет направление вектора .
Из этого уравнения следует следующее определение:
Определение: Предел называется производной функции u(x, y, z) по направлению вектора в точке с координатами ( x, y, z).
Поясним значение изложенных выше равенств на примере.
Пример. Вычислить производную функции z = x2 + y2x в точке А(1, 2) по направлению вектора . В (3, 0).
Решение. Прежде всего необходимо определить координаты вектора .
=(3-1; 0-2) = (2; -2) = 2 .
Далее определяем модуль этого вектора:
=
Находим частные производные функции z в общем виде:
Значения этих величин в точке А :
Для нахождения направляющих косинусов вектора производим следующие преобразования:
=
За величину принимается произвольный вектор, направленный вдоль заданного вектора, т.е. определяющего направление дифференцирования.
Отсюда получаем значения направляющих косинусов вектора :
cos = ; cos = -
Окончательно получаем: - значение производной заданной функции по направлению вектора .
3.17. Градиент
Определение: Если в некоторой области D задана функция u = u(x, y, z) и некоторый вектор, проекции которого на координатные оси равны значениям функции u в соответствующей точке
,
то этот вектор называется градиентом функции u.
При этом говорят, что в области D задано поле градиентов.
Связь градиента с производной по направлению
Теорема: Пусть задана функция u = u(x, y, z) и поле градиентов
.
Тогда производная по направлению некоторого вектора равняется проекции вектора gradu на вектор .
Доказательство: Рассмотрим единичный вектор и некоторую функцию u = u(x, y, z) и найдем скалярное произведение векторов и gradu.
Выражение, стоящее в правой части этого равенства является производной функции u по направлению s.
Т.е. . Если угол между векторами gradu и обозначить через , то скалярное произведение можно записать в виде произведения модулей этих векторов на косинус угла между ними. С учетом того, что вектор единичный, т.е. его модуль равен единице, можно записать:
Выражение, стоящее в правой части этого равенства и является проекцией вектора gradu на вектор .
Теорема доказана.
Для иллюстрации геометрического и физического смысла градиента скажем, что градиент – вектор, показывающий направление наискорейшего изменения некоторого скалярного поля u в какой- либо точке. В физике существуют такие понятия как градиент температуры, градиент давления и т.п. Т.е. направление градиента есть направление наиболее быстрого роста функции.
С точки зрения геометрического представления градиент перпендикулярен поверхности уровня функции.