Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Кнопова Избранные главы математики в примерах и задачах.Учебное пособие 2009

.pdf
Скачиваний:
58
Добавлен:
17.08.2013
Размер:
957 Кб
Скачать
☆

2. ПРЕДЕЛ ФУНКЦИИ

Предел постоянной величины равен этой величине, т.е. если C = const, то при всех x0

 

 

 

 

 

lim C =C .

 

 

(2.1)

 

 

 

 

 

x→x0

 

 

 

 

 

 

Если lim f (x) = a , а lim g(x) =b , то

 

 

 

x→x0

 

 

x→x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim ( f (x) ± g(x)) = lim

f (x) ± lim g(x) = a ±b ,

(2.2)

x→x0

x→x0

 

x→x0

 

lim f (x) g(x) = lim

f (x) lim g(x) = a b .

(2.3)

x→x0

x→x0

 

x→x0

 

 

Если b ≠ 0 , то

 

 

 

 

 

 

 

lim f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

= a .

 

 

 

 

 

lim

=

 

x→x0

 

 

(2.4)

 

 

 

lim

g(x)

 

 

 

 

x→x0

g(x)

 

 

 

b

 

Для непрерывной функции

 

 

x→x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim f (x) = f (x0) .

 

(2.5)

 

 

 

 

x→x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечательные пределы

 

 

 

 

 

 

lim sin x =1.

 

 

(2.6)

 

 

 

 

 

x→0

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim(1+ x)

x

 

= e ≈ 2, 72 .

(2.7)

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

1 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

= e .

 

 

(2.8)

 

 

 

 

 

lim 1

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

Если lim

f (x) = 0 , то

f (x)

 

называется бесконечно малой вели-

x→x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чиной при x → x0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если lim

 

f (x)

 

= +∞ , то f (x) называется бесконечно большой

 

 

x→x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

величиной при x → x0 .

10

Если f (x) – бесконечно большая величина при x → x

0

, то

1

f (x)

 

 

 

 

 

будет бесконечно малой, и наоборот (при условии, что эти пределы существуют).

Пример 2.1. Найти

lim

 

3x +1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→2

 

x2 −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x +1

 

 

lim(3x +1)

lim 3x + lim1

 

 

 

Решение. lim

 

 

=

x→2

 

 

 

 

 

 

 

=

 

x→2

 

x→2

=

 

 

 

x2 −1

lim(x2 −

 

 

 

 

 

 

 

 

x→2

 

1) lim x2 − lim1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→2

 

 

x→2

 

 

 

 

 

lim 3 lim x +1

3 2 +1

 

7

 

1

 

 

 

 

 

=

x→2

 

x→2

 

=

 

 

 

 

 

 

 

=

 

= 2

 

.

 

 

 

 

 

22 −1

 

 

4 −1

 

3

3

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.2. Найти

пределы функций

y = x2

и

y =

при

x2

x →0 и x →+∞.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

lim x2 = 02 = 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 является бесконечно малой величиной при x →0 . Тогда

 

 

 

 

 

 

 

lim

1

 

 

= +∞,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

так как обратная к

x2

величина

 

 

будет бесконечно большой

 

x2

при x →0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

x2

= +∞,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при x → +∞ функция x2 является бесконечно большой величиной;

lim 1 = 0 ,

x→+∞ x2

обратная к x2 величина x12 будет бесконечно малой при x → +∞.

2x

Пример 2.3. Найти lim 2 . x→1 (x −1)

11

Решение. lim

2x

= +∞ – бесконечно большая величина.

(x −1)2

x→1

 

Этот результат

следует из того, что предел числителя равен

lim 2x = 2 , а предел знаменателя lim(x −1)2 = 0 – бесконечно малая

x→1

x→1

величина (дробь есть величина, обратная к бесконечно малой, т.е. бесконечно большая).

Если при вычислении предела дроби получаем неопределен-

ность вида 00 или ∞∞ необходимы преобразования.

Пример 2.4. Найти lim x2 −1 .

x→−1 x +1

Решение. Если вычислять так, как в примере 2.1, то

 

 

 

 

x2 −1

 

 

lim (x2 −1)

 

0

 

 

lim

 

 

 

 

=

x→−1

 

 

 

=

 

,

 

 

x +1

 

lim (x +1)

0

 

x→−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−1

 

 

 

 

т.е. получаем неопределенность вида 0 .

 

 

 

Подойдем к примеру иначе:

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

x2 −1

 

= lim

(x −1)(x +1)

,

 

 

 

x +1

 

 

 

x +1

 

 

x→−1

 

x→−1

 

 

 

 

 

так как x только стремится к (−1) ,

 

x ≠ −1 , точка x = −1 может во-

обще не входить в область определения функции, то при x ≠ −1

lim

(x −1)(x +1)

= lim (x −1) = −1−1 = −2 .

 

x→−1

(x +1)

x→−1

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.5. Вычислить lim

3x2

 

+4

 

.

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

x→∞ 5x2

 

 

 

 

Решение. В этом примере имеем неопределенность вида ∞∞ .

12

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

3

+

 

4

 

 

 

 

 

 

3

+

4

 

lim 3x

2

+4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

x2

 

 

= lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

x→∞ 5x2 −1

x→∞

 

x

2

5

−

 

 

 

x

→∞

5

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

3

 

 

 

 

 

 

 

3

+

0

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

x→∞

 

 

 

 

 

 

=

=

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

1

 

 

5

−

0

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАЧИ

Вычислить пределы.

1.

lim

2x +4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

 

lim

 

 

x +1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→5

x −3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−1 x3 −1

 

 

 

 

 

 

 

3.

 

lim

 

 

x4 +2

 

.

 

 

 

 

 

 

4.

lim sin x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x3 −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

 

lim (−x3 +9x2 + x −1) .

 

6.

lim

x2 −5x +4

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→−1

 

2 −10x +3

 

 

 

 

 

 

x→1 x2 −3x +2

 

 

 

 

7.

lim

3x

.

 

 

8.

lim

2x2 −3x +1

.

 

 

 

5x

2 −

16x +3

 

 

 

 

(x −1) x

 

 

 

 

 

x→3

 

 

 

 

 

 

x→1

 

 

 

 

 

 

 

9.

 

lim

 

 

(x −4)(x +3)

.

 

 

10.

lim

 

3x2 −8x +4

 

.

 

 

 

 

x2 + 2x −3

 

 

 

 

 

8 −14x +

5x2

 

 

x→−3

 

 

 

 

 

 

 

x→2

 

 

 

11.

lim

 

x − 5

.

 

 

 

 

 

12.

lim

 

 

1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x −2)2

 

 

 

 

 

 

 

x→5

 

x −5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→2

 

 

 

 

 

 

 

13. lim

 

x

 

.

 

 

 

 

 

 

14.

lim

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

(x −1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

15.

lim

 

1

 

 

 

 

.

 

 

16.

lim

2x2

−3x + 2

.

 

 

+2x +3

 

 

−x2

−

4x +1

 

 

 

x→+∞ x2

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

17.

lim

4x

4 +1000x2 +1

.

18.

lim

 

x5 +2x2 −1

.

2x4

−100x3

 

3x5

−2x +1000

 

 

x→+∞

 

 

 

x→+∞

 

13

19.

lim

x2 −2x

.

 

 

 

 

 

20.

lim

(1+ x)(1+2x) −1

.

x

3 +2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

x→0

 

 

 

x2 −1

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

21.

Вычислить

lim

 

, если:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x2 − x

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) x0 = 0 , б) x0 =1, в) x0 = +∞ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22.

lim

5x3 − x +1

 

.

 

 

23.

lim

2sin x

.

 

 

 

3x3 +100x2

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2x

 

24.

lim

(1+ x) x .

 

 

 

 

25.

lim

+

 

2

 

 

 

 

1

 

.

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

x

 

 

26.

lim

 

 

2

+1−

sin x

 

 

27.

lim

 

 

sin x

 

3x

 

x

 

.

 

 

1+

 

 

 

 

.

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

2x

 

 

 

 

 

 

1

4x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

28.

 

 

+

 

 

 

 

29.

lim 4 (1+ x)

x

.

 

lim 3 1

.

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

x

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

30.

а) lim ex ;

б) lim ex .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→+∞

 

 

 

x→−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ

3.1. Производные

Производные основных функций:

(C)′ = 0 , С = const;

(ax)′ = ax ln a ,

a ≠1, a > 0 ;

 

(ex)′ = ex ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(log

a

x)′ =

1

 

 

,

a ≠1, a > 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

x ln a

 

 

 

 

 

 

 

(sin x)′ = cos x ;

 

 

 

 

 

 

 

(cos x)′ = −sin x ;

 

 

 

 

 

 

 

(tg x)′ =

 

1

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ctg x)′ = −

1

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

sin2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(xa)′ = a xa−1 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рассмотрим частные случае:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a =1, (x)′ =1 ;

 

 

 

a = −1,

1

′

= −

1

;

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

a

=

1 ,

( x)′

=

 

1

.

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

x

 

 

 

Основные правила дифференцирования

 

[c f (x)]′ = c

f ′(x) .

 

 

(3.1)

[ f (x) ± g(x)]′ = f ′(x) ± g′(x) .

(3.2)

[ f (x) g(x)]′ = f ′(x) g(x) + f (x) g′(x) .

(3.3)

15

 

f (x)

′

′

 

 

′

 

 

=

f (x) g(x) − f (x) g (x)

.

(3.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

g

2

(x)

 

g(x)

 

 

 

 

 

Производная сложной функции y = f (ϕ(x))

 

 

 

 

 

y′ = fϕ′(ϕ(x)) ϕ′(x) .

 

 

(3.5)

Пример 3.1. y =5x2 −4x +7 . Найти y′.

Решение.

y′ = (5x2)′−(4x)′+7′=5 (x2)′−4 x′+0 =5 2x −4 1 =10x −4 .

Пример 3.2. Найти производную функции y = (3x2 −2)(5x +1) .

Решение. Здесь f (x) =3x2 −2 , f ′(x) = 6x , g(x) =5x +1 , g′(x) =5 .

По формуле (3.3)

y′ =[ f (x) g(x)]′ = f ′(x) g(x) + g′(x) f (x) = 6x(5x +1) +5 (3x2 −2) = =30x2 +6x +15x2 −10 = 45x2 +6x −10.

Пример 3.3. y =

x −5

 

. Найти y′.

 

 

 

 

2x −5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Обозначая

f (x) = x −5 , g(x) = 2x −5 , по формуле (3.4)

получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ =

(x −5)′ (2x −5) −(x −5)(2x −5)′

=

 

 

 

 

 

 

(2x −5)2

 

 

 

 

=

1 (2x −5) −(x −5) 2 = 2x −5 −2x +10

=

5

.

(2x −5)2

 

(2x −5)2

 

(2x −5)2

 

 

Пример 3.4. Найти производную сложной функции y =sin 2x . Решение. Данную функцию можно записать как y =sin t , где

t = 2x , т.е. мы разложили сложную функцию на элементарные. Далее дифференцируем каждую из них по своему аргументу, результат перемножаем и выражаем все «переменные» через x, т.е. действуем по схеме (рис. 2)

16

Рис. 2

y′ = 2 cos 2x .

Пример 3.5. Найти третью производную от функции y = 2x4 −3x2 +5 .

Решение. Вначале ищем y′ =8x3 −6x . Вторая производная – это производная от y′.

Ищем y′′ =[y′]′ = (8x3 −6x)′ = 24x2 −6 . Третья производная y′′′ =[y′′]′ = (24x2 −6)′ = 48x .

ЗАДАЧИ

Найти производные функций.

1.

y = x6 +5x3 −8 .

 

2.

y = ex +2 ln x +3cos x + x .

3.

y = 3 x .

 

4.

y =

1

+

2

+

3

.

 

x

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

5.

y =3x2 −6x +5 .

 

6.

y = 4x3 −2x2 + x −5 .

7.

y = 2 +2 sin x −4 x .

 

8.

y = 4 x + tg x .

 

x

 

 

 

x3

 

x2

 

 

 

 

9.

Найти производную функции

y =

+

 

−2x в точках x = 0,

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = 2, x = –1. При каких значениях x производная равна 0?

Найти производные функций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.

y = (3x −5)(2x −2) .

11.

y = (3x2 +5)(2x −4) . Найти y′(0) .

12.

y = x ex.

13.

y = x cos x +ln x .

14.

y = x2 ex +3cos x .

15.

y =3x −5(x + 2)(3 − x) + tg x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

16.y = 7x3 +5 .

x−2

18.y = exx .

20.

y =

x −1

.

 

 

 

 

 

 

x2 +2

 

22.

y = ctg 3x .

 

24.

y = (x2 −5x +3)100.

26.

y =

4 − x2 .

 

28.

y = 3 (x2 −1)2 .

30.

y =

1

 

 

.

(x2 −1)4

 

 

 

17.

y =

2

.

 

 

sin x

 

 

 

 

 

19.

y = cos x .

 

 

x

 

x

 

21.

y = x2 ln x +

.

 

 

 

 

 

ex

23.

y = ln x .

25.

y =

x3 −2x .

27.

y = (x2 −5x +8)6.

29.

y = 3 (x3 +1)2 .

31.

y =sin(2x2 −3) .

32.

y = ln(2 +sin x2) .

33.

y = tg

6x .

 

34.

y =sin4

3x .

35.

y = esin2 x.

 

36.

y =sin(sin(sin x)) .

37.

y = x tg 3x .

 

38.

y = x esin2 x.

39.

y = (1+sin 3x) cos 3x .

40.

y =

sin 2x

.

41.

y =

(1+ x3)2

.

x3

 

(1

− x3)2

 

 

 

 

 

 

 

42. Прямолинейное движение точки задано уравнением y =t3 +2. Найти среднюю скорость движения точки при t [1, 2] . Чему равна мгновенная скорость точки в моменты времени t1 =1 и t2 = 2 ?

43. Прямолинейное движение точки задано уравнением y = 2t 2 +5t . Чему равна мгновенная скорость этого движения в произвольный момент времени t?

44.Чему равен угловой коэффициент касательной к графику функции y = ex в точке x = 0 ?

45.Найти угловой коэффициент касательной к графику функции y =3x2 +2x +1 в точках x = 0 и x =1 .

18

Найти производные до n-го порядка включительно для функций.

46.

y = x5, n =

7 .

47.

y =sin x,

n = 4 .

48.

y = ln x,

n =5 .

49.

y = e−x2 ,

n = 2 .

50.

y =sin 3x,

 

n = 2 .

51.

y = e2x,

n =3.

52.

y = ex sin x,

n = 2 .

53.

y = x ln x, n =3 .

3.2. Приложения производной

Пример 3.6. Найти интервалы монотонности функции

 

 

f (x) =

1

x

3

−4x + 2 .

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

f ′(x) = x2 −4 . Функция

f (x) строго возрастает там,

где

f ′(x) > 0

и строго убывает при

f ′(x) < 0 . f ′(x) = x2 −4 > 0 на

промежутке

x (−∞, −2) (2,

+∞)

– область возрастания функ-

ции;

x2 −4 < 0 при x (−2, 2) , на этом промежутке функция убы-

вает.

 

 

 

 

 

 

 

Пример 3.7. Исследовать на экстремум функцию

 

 

f (x) = x3 + x2 −8x +1.

 

 

Решение. Вычисляем

f ′(x) = (x3 + x2 −8x +1)′ =3x2 +2x −8 . Точ-

ки экстремумов находим из уравнения

f ′(x) = 0 .

3x2 +2x −8 = 0 при

x =

4 и x

2

= −2 .

 

 

 

 

 

1

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Далее ищем f ′′(x) = 6x +2 .

 

 

 

 

 

Так как f ′′ 4

 

=10 >

0 , то x

= 4

 

– точка минимума функции;

 

 

 

 

1

3

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

f ′′(−2) = −10 < 0 ,

x2 = −2 – точка максимума.

 

 

fmin = f

 

4

149

= −5

14

;

fmax = f (−2) =13 .

 

= −

27

27

 

 

3

 

 

 

 

 

19

Соседние файлы в предмете Интегрированные системы управления и проектирования