Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Введение в математический анализ.pdf
Скачиваний:
67
Добавлен:
16.02.2016
Размер:
805 Кб
Скачать
☆

пользуясь последним соотношением, находим

 

 

′

x

 

 

1

 

 

 

 

1

 

ϕ ( y) = lim

 

=

 

 

 

 

=

 

 

.

 

 

 

y

 

 

′

 

y lim

 

 

 

 

f

 

 

x→0 x

 

 

 

y→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, дифференцируемость функции x =ϕ( y) в точке y и формула (3.19) доказаны.

С помощью этой теоремы выводятся формулы дифференцирования обратных тригонометрических функций:

 

 

′

 

 

1

 

 

 

 

2.

 

 

′

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1− x2

 

 

 

 

 

1− x2

 

 

1. (arcsin x)

=

 

(arccos x)

 

= −

 

 

3. (x)′ =

 

 

 

1

 

 

 

4.

(x)′ = −

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x2

 

1+ x2

 

 

 

 

 

 

Функции y = arcsin(x)

 

и y = sin x , где x [−1,1], y [−π2 ,π2 ] взаим-

но обратны. В соответствии с формулой (3.19), находим

 

 

 

 

′

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

(arcsin x)

=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

=

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

′

cos y

 

1−sin

 

y

 

 

 

1− x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

±

 

 

±

 

 

 

 

 

 

(sin y)

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Но y [−π2 ,π2 ]

cos y ≥ 0,

 

поэтому перед квадратным корнем остается

положительный знак, и мы получаем первую формулу. Аналогично доказываются и остальные.

3.10. Производные и дифференциалы высших порядков

Пусть функция y = f (x) дифференцируема на некотором промежутке. Тогда производная f ′(x) этой функции, называемая еще производной первого порядка, будет новой функцией x , заданной на этом промежутке, и может, в свою очередь, иметь производную. Эту произ-

водную называют производной второго порядка функции y = f (x) и

обозначают одним из символов

′′

y

′′

 

′′

(2)

, f

(2)

(x).

y ,

 

 

xx, f (x), y

 

 

 

Производную производной 2-го порядка называют производной

третьего порядка функции y = f (x)

и обозначают

′′′

 

 

′′′

′′

y

(3)

f

(3)

(x).

f , y

 

 

xxx, f (x),

 

 

 

Аналогично определяются производные 4-го, 5-го и старших по-

рядков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n -го порядка от функции

Определение 3.8.

 

 

 

 

Производной

y = f (x) называется производная от производной n −1 порядка данной функции. Производная n -го порядка обозначается одним из символов:

73

y(n) , f (n) (x).

Пример 3.5.

y = 5x3 +6x −1. y′ =15x2 +6, y′′ = 30x, y′′′ = 30, y(4) =L= y(n) = 0.

Очевидно, что для алгебраического многочлена n − ой степени все производные, начиная с (n +1) - ого порядка, равны нулю.

Пример 3.6.

y = eax, y′ = aeax, y" = a2eax, L , y(k ) = akeax.

Определение 3.9. Функция f (x) называется дифференцируемой k раз в некоторой точке (на некотором промежутке), если в этой точке (на этом промежутке) дифференцируемы функции

f (x), f ′(x), f ′′(x).f (3) (x),L, f (n−1) (x).

Дифференциал функции y = f (x) , где x - независимая переменная, называемый еще дифференциалом 1-го порядка, определяется формулой

dy = f

′

(3.20)

(x)dx,

где dx = x - произвольное достаточно малое приращение аргумента x . Зафиксируем dx; тогда dy будет функцией от x . Дифференциал этой функции называется дифференциалом 2-го порядка функции y = f (x) и

обозначается

d 2 y или d 2 f (x).

Поскольку

dx

зафиксирован (постоя-

нен), то

2

 

′

 

′

′

 

′′

2

 

d

y = d(dy) = d[ f

 

 

.

 

(x)dx] =[ f

(x)dx] dx = f

(x)dx

 

Дифференциал функции d 2 y называется дифференциалом 3-го порядка

функции y = f (x)

и обозначается d3 y или d 3 f (x).

 

 

d

3

y = d(d

2

 

′′

 

2

′′

2 ′

=

′′′

3

.

 

 

y) = d[ f (x)dx

 

] =[ f (x)dx

]

f (x)dx

Определение 3.10.

Дифференциалом

n

-

ого порядка функции

y = f (x) называется величина,

которая обозначается и определяется в

соответствии с равенством

d (n) y = d(d n−1 y).

 

 

 

 

 

Методом математической индукции легко показать, что

 

 

 

 

d n y = f (n) (x)df n .

 

 

 

 

(3.21)

Итак, дифференциал n - ого порядка равен произведению производной

n - ого порядка этой функции на

n -ную степень дифференциала неза-

висимой переменной.

 

 

Если имеется сложная функция y = f (u),u =ϕ(x), то и тогда

 

′

(3.22)

dy = f (u)du

с той разницей, что теперь уже и

f ′(u) и

du =ϕ′(x)dx являются функ-

74

циями от x . Поэтому при отыскании дифференциалов старших порядков нельзя выносить du за знак производной, а следует дифференцировать формулу 3.22 как произведение. Поэтому формулы для дифференциалов высших порядков сложной функции отличаются от полученных выше формул. Отметим, что дифференциалы высших порядков сложной функции по отношению к аргументу свойством инвариантности формы не обладают.

Из формулы (3.21) следует: f (n) = ddxk yk , то есть, что производную n - ого

порядка функции можно истолковать как отношение дифференциала n - ого порядка функции к n - ой степени дифференциала независимой пе-

dk y

ременной. Поэтому символ dxk часто применяют для обозначения производной n - ого порядка функции y по переменной x .

3.11. Дифференцирование функций, заданных параметрически

Пусть функция y = f (x) задана параметрическими уравнениями

x =ϕ(t), y =ψ (t),t T.

(3.23)

Производную y′x функции y по переменной

x можно вычислить,

пользуясь только параметрическими уравнениями (3.23), минуя представление функции y = f (x) в явной форме.

Теорема 3.6. Если на промежутке T функция x =ϕ(t) возраста-

ет (убывает) и в точке t T функции ϕ(t) и ψ (t)

дифференцируемы,

причем ϕ′(t) ≠ 0 , то в соответствующей точке x

переменная y бу-

дет дифференцируемой функцией от

x . При этом

 

y′x =

ψ′t(t)

=

y′t

.

(3.24)

 

 

 

ϕ′t(t)

x′t

 

Доказательство. Так как функция x =ϕ(t) возрастает (убывает) на T , то она имеет на этом промежутке обратную функцию t = g(x). В силу теоремы 3.5 эта обратная функция будет дифференцируема в точке x ,

которая соответствует точке t и g′(x) =

1

. Учитывая это, на основа-

′

 

ϕ (t)

 

нии теоремы о дифференцировании сложной функции находим производную функции

y′x

=ψ′(t)g′(x) =

ψ′(t)

,

ϕ′t(t)

 

 

 

что и требовалось доказать.

75

Производная второго порядка y′′xx

есть производная по x от y′x .

Применяя формулу (3.24) не к y , а к y′x , получим

 

 

 

 

 

 

y′′xx

=

( y′x)′t

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x′t

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжая эти действия, можно найти производную любого поряд-

ка функции y по переменной

x .

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 3.7. Вычислить y′x

 

и y′′xx , если

 

x = a(t −sin t),

 

 

y = a(1−cost).

Имеем

 

 

 

y′t

 

 

a sin t

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

y′x

=

=

 

= ctg

.

 

 

 

 

 

 

a(1−cost)

 

 

( y′x)′t

 

x′t

2

 

 

 

 

 

y′′xx =

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

= −

 

 

 

.

′

2asin2

t

(1−cost)

4asin4

t

 

 

 

 

 

x t

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.12.Вопросы для самоконтроля к главе 3

1.Что называется приращением аргумента и приращением функции?

2.Дайте определение производной функции в точке. Каково её геометрическое и механическое истолкование?

3.Выведите уравнение касательной к плоской кривой в заданной точке.

4.Дайте определение дифференцируемости функции в точке. Сформулируйте необходимое и достаточное условие дифференцируемости функции в точке.

5.Что называется дифференциалом функции? Каково его геометрическое истолкование?

6.Покажите, что абсолютная и относительная погрешности при замене приращения функции её дифференциалом есть величины бесконечно малые. Для какой функции дифференциал тождественно равен приращению?

7.Докажите теорему о непрерывности дифференцируемой функции. Покажите на примерах, что обратная теорема неверна.

8.Может ли функция иметь производную в точке разрыва.

9.Сформулируйте и докажите основные правила дифференцирования.

10.Выведите формулы для нахождения производных функций: sin x, cos x , tgx , ctgx , loga x , ln x .

11.Сформулируйте и докажите правило дифференцирования сложной функции.

76