Лекции по математике
Матрицы
Исследование функции
Вычисление пределов
Примеры решения задач
Двойной интеграл
Тройной интеграл
Криволинейный интеграл
Комплексные числа
Поверхностный интеграл
Интегрирование по частям
Карта сайта

 


Учебник по высшей математике

ОСНОВЫ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ИСЧИСЛЕНИЯ

Понятие производной

Определение производной

Пусть функция f(x) определена на некотором промежутке X. Придадим значению аргумента в точке x0  Х произвольное приращение Δx так, чтобы точка x0 + Δx также принадлежала X. Тогда соответствующее приращение функции f(x) составит Δу = f(x0 + Δx) — f(x0).

Определение 1. Производной функции f(x) в точке x0 называется предел отношения приращения функции в этой точке к приращению аргумента при Δx  0 (если этот предел существует).

Для обозначения производной функции употребимы символы у' (x0) или f'(x0): Теорема Тейлора. 1) Пусть функция f(x) имеет в точке х = а и некоторой ее окрестности производные порядка до (n+1) включительно.{ Т.е. и все предыдущие до порядка n функции и их производные непрерывны и дифференцируемы в этой окрестности}.

Если в некоторой точке x0 предел (4.1) бесконечен:

то говорят, что в точке x0 функция f(x) имеет бесконечную производную.

Если функция f(x) имеет производную в каждой точке множества X, то производная f'(x) также является функцией от аргумента х, определенной на X.

Геометрический смысл производной

Для выяснения геометрического смысла производной нам понадобится определение касательной к графику функции в данной точке.

Определение 2. Касательной к графику функции у = f(x) в точке М называется предельное положение секущей MN, когда точка N стремится к точке М по кривой f(x).

Пусть точка М на кривой f(x) соответствует значению аргумента x0, а точка N — значению аргумента x0 + Δx (рис. 4.1). Из определения касательной следует, что для ее существования в точке x0 необходимо, чтобы существовал предел , который равен углу наклона касательной к оси Оx. Из треугольника MNA следует, что

Если производная функции f(x) в точке x0 существует, то, согласно (4.1), получаем

Отсюда следует наглядный вывод о том, что производная f'(x0) равна угловому коэффициенту (тангенсу угла наклона к положительному направлению оси Ох) касательной к графику функции у = f(x) в точке М(x0, f(x0)). При этом угол наклона касательной определяется из формулы (4.2):

Физический смысл производной

Предположим, что функция l = f(t) описывает закон движения материальной точки по прямой как зависимость пути l от времени t. Тогда разность Δl = f(t + Δt) - f(t) — это путь, пройденный за интервал времени Δt, а отношение Δl/Δt — средняя скорость за время Δt. Тогда предел определяет мгновенную скорость точки в момент времени t как производную пути по времени.

В определенном смысле производную функции у = f(x) можно также трактовать как скорость изменения функции: чем больше величина f'(x), тем больше угол наклона касательной к кривой, тем круче график f(x) и быстрее растет функция.

Правая и левая производные

По аналогии с понятиями односторонних пределов функции вводятся понятия правой и левой производных функции в точке.

Определение 3. Правой (левой) производной функции у = f(x) в точке x0 называется правый (левый) предел отношения (4.1) при Δx  0, если этот предел существует.

Для обозначения односторонних производных используется следующая символика:

Если функция f(x) имеет в точке x0 производную, то она имеет левую и правую производные в этой точке, которые совпадают.

Приведем пример функции, у которой существуют односторонние производные в точке, не равные друг другу. Это f(x) = |x|. Действительно, в точке х = 0 имеем f’+(0) = 1, f'-(0) = -1 (рис. 4.2) и f’+(0) ≠ f’-(0), т.е. функция не имеет производной при х = 0.

Операцию нахождения производной функции называют ее дифференцированием; функция, имеющая производную в точке, называется дифференцируемой.

Связь между дифференцируемостью и непрерывностью функции в точке устанавливает следующая теорема.

ТЕОРЕМА 1. Если функция дифференцируема в точке x0, то она и непрерывна в этой точке.

Обратное утверждение неверно: функция f(x), непрерывная в точке, может не иметь производную в этой точке. Таким примером является функция у = |x|; она непрерывна в точке x = 0, но не имеет производной в этой точке.

Таким образом, требование дифференцируемости функции является более сильным, чем требование непрерывности, поскольку из первого автоматически вытекает второе.

Уравнение касательной к графику функции в данной точке

Как было указано в разделе 3.9, уравнение прямой, проходящей через точку М(x0, у0) с угловым коэффициентом k имеет вид 

Пусть задана функция у = f(x). Тогда поскольку ее производная в некоторой точке М(x0, у0) является угловым коэффициентом касательной к графику этой функции в точке М, то отсюда следует, что уравнение касательной к графику функции f(x) в этой точке имеет вид

4.2. Понятие дифференциала функции

Определение и геометрический смысл дифференциала

Определение 1. Дифференциалом функции у = f(x) в точке x0 называется главная линейная относительно Δx часть приращения функции в этой точке: 

Дифференциалом dx независимой переменной х будем называть приращение этой переменной Δx, т.е. соотношение (4.3) принимает вид

Из равенства (4.4) производную f'(x) в любой точке х можно вычислить как отношение дифференциала функции dy к дифференциалу независимой переменной dx:

Дифференциал функции имеет четкий геометрический смысл (рис. 4.3). Пусть точка М на графике функции у = f{x) соответствует значению аргумента x0, точка N — значению аргумента x0 + Δx, MS — касательная к кривой f(x) в точке М, φ — угол между касательной и осью Ох. Тогда МА — приращение аргумента, AN — соответствующее приращение функции. Рассматривая треугольник АВМ, получаем, что АВ = Δx tg φ = f'(x0) Δx = dy, т.е. это главная по порядку величины Δx и линейная относительно нее часть приращения функции Δу. Оставшаяся часть более высокого порядка малости соответствует отрезку BN.

Приближенные вычисления с помощью дифференциала

Приближенные вычисления с применением дифференциала функции основаны на приближенной замене приращения функции в точке на ее дифференциал:

Абсолютная погрешность от такой замены является, как следует из рис. 4.3, при Δx  0 бесконечно малой более высокого порядка по сравнению с Δx. Подставляя в это приближенное соотношение формулу (4.4) и выражение для Δу, получаем

Формула (4.6) является основной в приближенных вычислениях.

Пример. Вычислить приближенное значение корня .

Решение. Рассмотрим функцию f(x) = x0,5 в окрестности точки x0 = 1. Поскольку, как будет показано далее, производная этой функции вычисляется по формуле f'(x) = , то, принимая Δx = 0,07, получаем из формулы (4.6)

4.3. Правила дифференцирования суммы, произведения и частного 

Приведем без доказательства одну из основных теорем дифференциального исчисления.

ТЕОРЕМА 2. Если функции и(х) и v(x) дифференцируемы в точке х0, то сумма (разность), произведение и частное этих функций (частное при условии v(x) ≠ 0) также дифференцируемы в этой точке, причем справедливы следующие формулы:

4.4. Таблица производных простейших элементарных функций

Производные всех простейших элементарно функций можно свести в следующую таблицу.

1. (С)' = 0, где С — постоянное число. 

2. (xα)' = αxα-1; в частности,  = - , ()' = .

3. (logax)' = logae; в частности, (ln x)' = .

4. (аx)' = ax ln а; в частности, (еx)' = еx.

5. (sin x)' = cos x.

6. (cos x)’= -sin x.

7.(tg x)' = .

8. (ctg x)' = - .

9. (arcsin х)' = .

10. (arccos x)' = - .

11. (arctg x)' = .

12. (arcctg x)' = - .

Формулы, приведенные в таблице, вместе с правилами дифференцирования (теорема 4.2) являются основными формулами дифференциального исчисления. Отсюда можно сделать важный вывод: поскольку производная любой элементарной функции есть также элементарная функция, то операция дифференцирования не выводит из класса элементарных функций.


На главную страницу сайта