Transcript 5 -
Производная функции Производные высших порядков Производные от функций, заданных параметрически Дифференциал функции Геометрический смысл дифференциала Основные теоремы о дифференциалах Применение дифференциала в приближенных вычислениях Некоторые теоремы о дифференцируемых функциях Правило Лопиталя Производные высших порядков Производная y f (x ) функции y f (x ) есть также функция от x и называется производной первого порядка. Если функция f (x ) дифференцируема, то ее производная называется производной второго порядка и обозначается: y ; f ( x ); d 2y dx 2 Итак: y ( y ) Производная от производной второго порядка, если она существует называется производной третьего порядка и обозначается: y ; f ( x ); d 3y dx 3 Итак: y ( y ) Производной n – ого порядка (или n – ой производной) называется производная от производной n -1 - ого порядка. y ( n ) ( y ( n 1) ) Производные высших порядков Начиная от производной 4 порядка , производные обозначаются римскими цифрами или цифрами в скобках: или y (5) yv - производная пятого порядка. Вычислить производную n – ого порядка от функции: y ln( x 1) x 1 y ln( x 1) 1 ( x 1)1 x 1 x 1 2 3 1 2 y x 1 1 2 x 1 y x 1 1 x 1 ; y 1 2x 1 1 2 3x 1 y 1 2 3x 1 1 2 3 4x 1 4 5 3 4 4 5 y n 1 n 1 n 1 ! x 1n Производные от функций, заданных параметрически Пусть функция y = f(x) задана параметрически уравнениями: x x (t ) y y (t ) Производная первого порядка от этой функции находится по формуле: y t y x x t Найдем производную второго порядка: ( y x )t y x ( y x )x xt Аналогично получаем: ( y x )t y x ( y x )x xt y ( 4) x ( y x)t ( y x)x xt и т. д. Производные от функций, заданных параметрически Вычислить производную 3 – ого порядка от функции: x t 2 3 y 1 t 2 3 t (1 t ) 1.5t y x 2 2t (t ) ( 1.5t ) ( y x )t y x (t 2 ) x t 3 1 .5 0.75t 1 2t 1 ( y x )t ( 0 . 75 t ) y x x t (t 2 ) 0.75t 2 3 3 2t 4t Дифференциал функции Пусть функция y = f(x) имеет в некоторой точке х отличную от нуля производную, следовательно существует предел: y y lim f (x) 0 ( x ) ( x ) f x 0 x x где ( x ) 0 при x 0 По теореме о связи функции, ее предела и бесконечно малой y f ( x )x ( x )x функции Таким образом, приращение функции y представляет собой сумму двух слагаемых: f ( x )x и x , являющимися бесконечно малыми при x 0 . При этом первое слагаемое есть бесконечно – малая одного порядка с x , так как: f ( x )x lim f ( x ) 0 x 0 x Дифференциал функции Второе слагаемое есть бесконечно малая функция более высокого x порядка по сравнению с , так как: lim x 0 ( x )x x (x) 0 Поэтому первое слагаемое f ( x )x называют главной частью приращения функции. Дифференциалом функции y = f(x) в точке х называется главная часть ее приращения: dy f ( x )x Найдем дифференциал независимой переменной, то есть функции y x : Дифференциал Дифференциал функции y x 1 Поэтому: dy dx x dy f ( x )dx независимой переменной равен произведению равен приращению этой производной функции на переменной dy дифференциал независимой f ( x ) переменной dx Геометрический смысл дифференциала Проведем к графику функции y = f(x) в точке М(x, y) касательную Рассмотрим ординату касательной для точки x+Δx. Из прямоугольного треугольника AВМ имеем: y М1 f(x+ Δx ) y f(x ) dy x α 0 B М х A x+Δx tg х AB x AB tg x Согласно геометрическому смыслу производной, tg f (x ) AB f ( x ) x dy Дифференциал функции y = f(x) в точке x равен приращению ординаты касательной к графику функции в этой точке, когда x получает приращение Δx. Основные теоремы о дифференциалах Теорема 1 Дифференциал суммы, разности, произведения и частного двух дифференцируемых функций находится по формулам: d (u v ) du dv d (u v ) v du u dv Теорема 2 u v du u dv d( ) v v2 Дифференциал сложной функции равен произведению производной этой функции по промежуточному аргументу на дифференциал этого промежуточного аргумента. y x y u ux y x dx y u ux dx dy y u du dy Это свойство du дифференциала называют инвариантностью (неизменностью) формы дифференциала. Приложение дифференциала в приближенных вычислениях Как известно, приращение функции можно представить в виде: y f ( xdy )x ( x )x Отбрасывая бесконечно малую ( x )x более высокого порядка, dy чем x , получим приближенной равенство: y dy Это равенство позволяет с большой точностью вычислять приращение любой дифференцируемой функции. Подставим в равенство выражения для приращения и дифференциала функции: f ( x x ) f ( x ) f ( x )x f ( x0 x ) f ( x0) f ( x0)x Формула позволяет приближенно вычислять значение функции в точке x0+Δx, зная значение функции в точке x0. Приложение дифференциала в приближенных вычислениях Вычислить приближенно: arctg 1.05 Рассмотрим функцию: y arctg x arctg ( x0 x ) arctg ( x0 ) arctg ( x0 )x Так как x0 x 1.05 arctg 1 4 то (arctg x ) x0 1 x 0.05 1 1 x 2 1 arctg (1.05) 0.05 0.81 4 2 (arctg x ) x 1 1 2 Некоторые теоремы о дифференцируемых функциях Теорема Ролля (теорема о корнях производной) Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a; b], дифференцируема на интервале (a; b) и на концах интервала принимает одинаковые значения f(a) = f(b), то найдется хотя бы одна точка c (a; b ) , в которой производная обращается в ноль. f (c ) 0 Геометрическая интерпретация: y f(а )= f(b ) 0 а с b Если функция удовлетворяет условиям теоремы Ролля, то на графике функции найдется хотя бы одна точка, в которой касательная к графику х параллельна оси OX. Некоторые теоремы о дифференцируемых функциях Теорема Коши (теорема об отношении приращений) Если функции f(x) и g(x) непрерывны на отрезке [a; b], дифференцируемы на интервале (a; b), причем g ( x ) 0 для x (a; b ) ,то найдется холя бы одна точка c (a; b ) , такая, что выполняется равенство: f ( b ) f (a ) f (c ) g (b ) g (a ) g (c ) На графике функции найдется хотя бы одна точка, в которой касательная параллельна хорде AB Теорема Лагранжа (теорема о конечных приращениях) y Если функция f(x) непрерывна на В отрезке [a; b], дифференцируема f ( b ) f (a ) на интервале (a; b) ,то найдется А хотя бы одна точка c (a; b ), в которой выполняется равенство: b a f (b ) f (a ) f (c ) (b a ) 0 а с b х Правило Лопиталя Рассмотрим способ раскрытия неопределенностей вида 0 и , который основан на применении производной. 0 Теорема Пусть функции f(x) и g(x) непрерывны и дифференцируемы в окрестности точки x0 и обращаются в ноль в этой точке: f ( x0 ) g ( x0 ) 0 . Если существует предел f ( x ) lim A x x0 g ( x ) то f (x) f ( x ) lim lim A x x0 g ( x ) x x0 g ( x ) Теорема справедлива также в случае, если lim f ( x ) lim g( x ) x x0 x x0 Правило Лопиталя tg 3 x 3 cos 2 5 x (tg 3 x ) lim lim lim 2 tg 5 x x x cos 3 x 5 x (tg 5 x ) 2 2 2 2 3 cos 5 x 0 3 cos 5 x lim lim 2 5 x cos 3 x 0 5 x cos 3 x 2 2 2 2 3 cos 5 x 3 (cos 5 x ) lim lim x (cos 3 x ) 5 x cos 3 x 5 2 2 2 2 2 35 5 3 5 sin 5 x lim 5 3 3 5 x 3 sin 3 x 2 Правило Лопиталя limcos 2x x 2 1 1 x 0 Обозначим: Прологарифмируем равенство: A limcos 2x x 2 1 x 0 ln A ln limcos 2x x 2 x 0 1 lncos 2 x 0 ln A lim lncos 2x x lim 2 x0 x 0 x 0 2 sin 2 x (ln cos 2 x ) tg 2 x cos 2 x lim 2 lim 2 lim 2 x 0 x 0 2 x x 0 ( x ) 2x 1 2 ln A 2 A e 2