Физический и механический смысл производной. Понятие второй производной

В конце семнадцатого века великий английский ученый Исаак Ньютон открыл общий способ описания связи между путем и скоростью движения. Основными математическими понятиями, выражающими эту связь, являются производная и скорость. Честь открытия основных законов математического анализа также принадлежит великому немецкому математику Готфриду Лейбницу.

1. Физический смысл первой производной

Производная y функции – это мгновенная скорость изменения этой функции. В частности, если зависимость между пройденным путём и временем при прямолинейном неравномерном движении выражается уравнением , то для нахождения мгновенной скорости точки в какой-нибудь определённый момент времени нужно найти производную и подставить в неё соответствующее значение , то есть

П р и м е р 1. Точка движется прямолинейно по закону (s выражается в метрах, t – в секундах). Найти скорость движения через 3 секунды после начала движения.

Решение. Скорость прямолинейного движения равна производной пути по времени, то есть .

Подставив в уравнение скорости с, получим

П р и м е р 2. Маховик, задерживаемый тормозом, поворачивается за t с на угол

(t) = 4t – 0,2t² (рад). Найдите:

а) угловую скорость вращения маховика в момент t = 6 с;

б) в какой момент времени маховик остановится?

Решение. а) Угловая скорость вращения маховика определяется по формуле Тогда

Подставляя t = 6 с, получим .

б) В тот момент, когда маховик остановится, его скорость будет равна нулю . Поэтому . Отсюда

П р и м е р 3. Тело массой 6 кг движется прямолинейно по закону Найти кинетическую энергию тела через 3 с после начала движения.

Решение. Найдём скорость движения тела в любой момент времени t.

Вычислим скорость тела в момент времени .

Определим кинетическую энергию тела в момент времени

2. Производная второго порядка. Производная n-го порядка.

Производная от данной функции называется первой производной или производной первого порядка. Но производная функции также является функцией, и если она дифференцируема, то от неё, в свою очередь, можно найти производную.

Производная от производной называется второй производной или производной второго порядка и обозначается .

Производная от второй производной называется производной третьего порядка и обозначается Производной n-го порядка называется производная от производной порядка и обозначают или

Примеры.

1) 2)

.

3. Механический смысл второй производной.

Если первая производная функции – это мгновенная скорость изменения любого процесса, заданного функцией, то вторая производная – это скорость изменения скорости или ускорение, то есть

Итак, первая производная – это скорость изменения процесса, вторая производная – ускорение.

П р и м е р 4. Точка движется прямолинейно по закону . Найти скорость и ускорение точки в момент .

Решение. Найдём скорость точки в любой момент времени t.

Вычислим скорость в момент времени .

Найдём ускорение точки в любой момент времени t.

и , то есть ускорение в этом случае является величиной постоянной.

П р и м е р 5. Тело массой 3 кг движется прямолинейно по закону +5. Найти силу, действующую на тело в момент времени

Решение. Сила, действующая на тело, находится по формуле

Найдём скорость движения точки в любой момент времени t.

.

Тогда .

Найдём ускорение: =

Тогда .