- •Часть 1
- •(Кафедра «высшей математики и физико-математического моделирования») методические указания
- •Часть 1
- •Введение
- •1. Линейные пространства. Разложение векторов по базису
- •2. Решение систем линейных уравнений
- •3. Подпространства, образованные решениями линейной однородной системы (лос) уравнений. Нахождение общего решения лос
- •4. Линейные преобразования и действия Над ними
- •5. Собственные значения и собственные векторы матрицы
- •6. Приведение квадратичной формы к каноническому виду
- •7. Векторы и действия над ними
- •8. Плоскость и прямая в пространстве
- •10. Приведение общего уравнения кривой второго порядка к каноническому виду
- •11. Исследование общего уравнения кривой
- •Числовая последовательность и ее предел
- •13. Предел функции
- •14. Применение эквивалентных бесконечно малых к вычислению пределов
- •15. Первый замечательный предел
- •16. Вычисление предела показательно-степенной функции
- •17. Производная функции и ее вычисление
- •18. Производная сложной функции.
- •19. Дифференциал функции. Применение дифференциала
- •20. Логарифмическая производная
- •21. Дифференцирование функций, заданных параметрически
- •22. Производные высших порядков. Формула Лейбница
- •23. Возрастание и убывание функции. Локальный экстремум функции
- •Достаточные условия существования и отсутствия экстремума непрерывной функции :
- •24. Асимптоты
- •25. Направление выпуклости кривой. Точки перегиба
- •26. Общая схема полного исследованфункции и построение графика функции
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Часть 1
- •Федотенко Галина Федоровна в авторской редакции
22. Производные высших порядков. Формула Лейбница
Производной второго
порядка функции y=f(x)
называется производная от ее производной
или
.
Механический
смысл второй производной:
если
истолковывается как скорость
некоторого
процесса, то
характеризует ускорение того же самого
процесса.
Аналогично определяются производные третьего, четвертого и других порядков:
=
,
=
,…
Вообще, производной n-го порядка, или n-ой производной от функции называется производная от ее (n-1)-го порядка.
=
.
На практике, находя несколько
последовательных производных, иногда
удается найти закон, т.е. закономерность
их образования, и, считая, что эта
закономерность выполняется для
производной любого порядка, составить
общую формулу для n-ой
производной (заметим, что нулевая
производная означает саму функцию).
23. Возрастание и убывание функции. Локальный экстремум функции
Функция называется возрастающей
на
некотором интервале (рис.7), если для
любых значений
и
из этого интервала из неравенства
следует неравенство
.
Если же из неравенства
следует нестрогое неравенство
,
то функция называется неубывающей
на этом
интервале.
Рис. 7
Функция
называется убывающей
(рис.8) на
некотором интервале, если для любых х1
и х2
из этого
интервала и неравенства
следует неравенство
.
Если же из неравенства
следует нестрогое неравенство
,
то функция называется невозрастающей
на этом интервале.
Рис. 8
Все выше названные функции называются монотонными.
Достаточное условие возрастания (убывания) функции:
Если
функция
непрерывна на отрезке [a,b]
и ее производная
(
)
при
,
то функция
возрастает
(убывает)
на этом отрезке [a,b].
Говорят,
что функция
имеет в точке
х1
максимум
(рис.3),
если значение функции
в этой точке больше всех других ее
значений во всех точках х,
достаточно
близких к
точке х1
и отличных
от нее, т.е.
если
для всякой точки
из некоторой окрестности точки х1.
Говорят, что функция имеет в точке х2
минимум
(рис.9),
если значение функции
в этой точке меньше всех других ее
значений во всех точках х,
достаточно
близких к
точке х1
и отличных
от нее, т.е.
если
для всякой точки
из некоторой окрестности точки x2.
Рис. 9
Максимум или минимум функции называется экстремумом функции. Точки в которых достигается экстремум, называются точками экстремума (максимума или минимума).
Необходимое условие существования экстремума:
или
не существует
для
, т.е.
функция может иметь экстремум только в тех точках области определения, где выполняются эти условия. Такие точки называются критическими точками 1-гго рода, т.е. точки, только подозрительные на экстремум.
Достаточные условия существования и отсутствия экстремума непрерывной функции :
Первое правило. Если производная меняет знак при переходе через критическую точку x0 , то точка x0 является точкой экстремума, причем:
а)
Функция имеет максимум
в точке
x0
,если для
,
где
, имеет место
б)
Функция имеет минимум
в точке
x0
,если для
из
-окрестности
имеет место
Если при переходе через критическую точку x0 производная не меняет знак, то экстремум нет в этой точке:
или
Второе
правило.
Если в
критической точке x0
первая производная
,
а вторая производная
,
то точка x0
будет точкой экстремума, причем:
а)
если
, то x0
- точка максимума;
б)
если
, то x0-
точка минимума.
Замечание.
В более
общем случае, когда первая из не равных
нулю в точке x0
производных функции
имеет порядок k:
Если
,
то если k
-четное, то точка x0
является точкой максимума при
и точкой минимума при
;
если же k
-нечетное, то точка x0
является точкой экстремума.
Пример. Построить графики функций с помощью производной первого порядка.
Решение.
1)
,
т.е.
.
2)Функция общего вида, т. к.
3)Находим
точки пересечения графика функции к
осям координат.а) с осью oy
, x=0 :
.
точка
, т.е. y(0)
-0,5.
б)
с осью ox
, y=0:
,
,
или
, откуда
,
x1=-4
или x2=-5/8.
Итак имеем точки В1(-4,0); В2(-5/8;0).
4)Находим интервалы знакопостоянства функции.
y>0
,если
;
решаем это неравенство:
.
Знак y:
Откуда
Значит,
функция y>0
при
и y<0
при
.
5)Находим критические точки, интервала возрастания и убывания функции, экстремум функции.
;
а)
,
если
,
т.е. x=-3.
б) не существует при x=-4.
Получим x=-3 , x=-4 - критические точки 1-го рода.
Знак :
Имеем
;
.
График данной функции представлен на рис.10.а).
Так
как при x=-4
,
,
то минимум имеет
характер точки заострения.
Рис. 10.а
Рис. 10.б
Замечание. На основании проведенного неполного (лишь по первой производной) исследования, можно было представить график рассматриваемой функции и таким, как на рис. 10.б). Уточнение характера графика функции по второй производной позволит точнее изобразить участки убывания и возрастания функции, установить, что график не имеет точек перегиба и всюду обращен выпуклостью вверх. Об этом речь далее, где будут построены графики при полном исследовании свойств функции.
