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

Metodichka_po_vyshke_1_ch

.pdf
Скачиваний:
22
Добавлен:
29.02.2016
Размер:
610 Кб
Скачать
☆

41

 

Ax = λx .

(15)

Тогда число λ называется собственным числом линейного оператора A , а вектор x – собственным вектором этого оператора, соответствующим собственному числу λ .

Векторное равенство (15) эквивалентно матричному равенству

(A −λE )X =O, X ≠ O .

(16)

Отсюда следует, что число λ есть собственное число оператора A в том и только в том случае, когда det (A −λE ) = 0 , т. е. λ есть корень многочлена

p(λ) = det (A −λE ), называемого характеристическим многочленом оператора

A . Столбец координат X любого собственного вектора, соответствующего собственному числу λ , есть некоторое ненулевое решение системы (16).

Дифференциальное исчисление функций одной переменной

§ 15. Производная

1. Определение производной. Дифференцирование явно заданных

функций. Пусть

f (x0 , x)= f (x0 + x)− f (x0 ) – приращение функции

y = f (x) в точке x0 , соответствующее приращению аргумента x . Производ-

ной 1-го порядка (или первой производной) функции y = f (x) в точке x0 называется предел

f ′(x0 )= lim

 

f (x0 ,

x)

.

 

x

 

x→0

 

 

 

Числа

 

 

 

 

f−′(x0 )= lim

f (x0 ,

x)

x

 

 

 

x→−0

 

 

 

и

 

 

 

 

f+′(x0 )= lim

f (x0 ,

x)

x

 

 

 

x→+0

 

 

 

называются соответственно левой и правой производными функции y = f (x) в точке x0 . Для существования производной f ′(x0 ) функции y = f (x) в точке x0

42

необходимо и достаточно, чтобы её левая и правая производные в этой точке существовали и совпадали, т. е.

f−′(x0 )= f+′(x0 ).

Производная функции f (x), рассматриваемая на множестве тех точек,

где она существует, сама является функцией. Процесс нахождения производной называют также дифференцированием.

Таблица производных основных элементарных функций.

1.(xa )′ = axa−1 , a ≠ 0 .

2.(ax )′ = ax ln a , a > 0; (ex )′ = ex .

3.(loga x)′ = loga e 1x , a > 0, a ≠1; (ln x)′ = 1x .

4.(sin x)′ = cos x .

5.(cos x)′ = −sin x .

6.(tg x)′ = cos12 x .

7.(ctg x)′ = −sin12 x .

8.

(arcsin x)′ = −(arccos x)′ =

1

 

.

 

 

 

 

 

1− x2

9.

(arctg x)′ = −(arcctg x)′ =

 

1

.

1+ x2

Правила дифференцирования функций.

I. Пусть C – постоянная и

f (x), g (x) – дифференцируемые функции.

Тогда:

1.(C )′ = 0 .

2.( f + g )′ = f ′+ g′.

3.(Cf )′ = Cf ′.

4.( fg )′ = f ′g + fg′.

 

f

′

 

′

 

′

 

5.

 

=

f g − fg

 

, g ≠ 0 .

 

g

2

 

 

g

 

 

 

 

 

43

II. Пусть функция y = f (x)

имеет производную в точке x0 , а функция

z = g (y) имеет производную в

точке y0 = f (x0 ). Тогда сложная функция

z = g (f (x)) в точке x0 имеет производную, равную

z′(x0 )= g′(y0 ) f ′(x0 )

(правило дифференцирования сложной функции).

Логарифмической производной функции y = f (x) называется производ-

ная от логарифма этой функции, т. е.

(ln y)′ = yy′ .

Применение предварительного логарифмирования часто упрощает вычисление производной.

2. Дифференцирование функций, заданных неявно или параметриче-

ски. Говорят, что функция y = f (x), x (a,b), неявно задана

уравнением

F (x, y)= 0 , если для всех x (a,b)

 

F (x, f (x))= 0 .

(1)

Для вычисления производной функции y = f (x) следует тождество (1) про-

дифференцировать по x (рассматривая левую часть как сложную функцию x ), а затем полученное уравнение разрешить относительно f ′(x).

Если x = f −1 (y) – функция, обратная к y = f (x), то

′

(y)=

1

 

 

f ′(x(y)).

(2)

x

При неявном задании функций, а также для сложных функций для производной используется также обозначение типа y′x там, где необходимо уточнить,

по какой переменной ведётся дифференцирование. Пусть заданы функции

x =ϕ(t ), y =ψ (t ),

t (α, β ).

(3)

Если при этом x =ϕ(t ) на интервале (α, β)

имеет обратную t =ϕ−1 (x), то оп-

ределена новая функция

 

 

44

 

y(x) =ψ (ϕ−1 (x)),

(4)

называемая функцией, заданной параметрически соотношениями (3). Дифференцируя (4) по x и используя правило дифференцирования обратной функции (2), получаем

y′x =ψt′ t′x =

ψt′

 

yt′

ϕt′

=

 

.

xt′

3. Производные высших порядков. Производной 2-го порядка от функ-

ции y = f (x) называется производная от её первой производной, т. е.

y′′(x)=(y′(x))′.

Вообще, производной n -го порядка (или n -й производной) называется произ-

водная от производной порядка (n −1), т. е.

y(n) (x)=(y(n−1) (x))′, n = 2,3,...

d n y

Для производной n -го порядка используется также обозначение dxn .

Пусть u (x) и v(x) имеют производные до n -го порядка включительно. Тогда для производной n -го порядка их произведения u (x)v(x) справедлива формула Лейбница

n

n!

 

 

(uv)(n) = ∑

u(n−k )v(k ) .

k!(n − k )!

k =0

 

Если x =ϕ(t ), y =ψ (t ), то y′′xx вычисляется по формуле

 

 

ϕ′(t ) ψ′(t )

 

 

 

 

 

 

y′′xx =

 

ϕ′′(t ) ψ′′(t )

 

.

 

 

 

 

(ϕ′(t ))3

 

4. Геометрические и механические приложения производной. Значе-

ние производной f ′(x0 ) функции y = f (x) в точке x0 равно угловому коэффи-

45

циенту k = tg ϕ касательной к графику этой функции, проведённой через точку

M0

(x0

, y0 ), где y0 = f (x0 ) (геометрический смысл производной).

 

Уравнение касательной к

графику

функции y = f (x) в его точке

M0

(x0

, y0 ) имеет вид

 

 

 

 

y − y = f ′(x )(x − x ).

 

 

0

0

0

Прямая, проходящая через точку касания M0 перпендикулярно к касательной, называется нормалью к графику функции y = f (x) в этой точке. урав-

нение нормали

 

 

 

 

 

 

 

 

(x − x )+ f

′(x )(y − y

)= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

Углом ω

между кривыми

y = f1 (x)

и

y = f2 (x)

в их общей точке

M0 (x0 , y0 )

называется угол между касательными к этим кривым в точке M0 .

 

Если

x = x(t ) –

функция, описывающая закон движения материальной

точки,

то

первая производная dx

= x

есть

скорость,

а

вторая производная

d 2 x

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

= x

–

ускорение

этой точки

в

момент

времени

t

(механический

dt2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

смысл первой и второй производных).

§ 16. Дифференциал

1. Дифференциал первого порядка. Функция y = f (x) называется диф-

ференцируемой в точке x0 , если её приращение y(x0 , x) может быть представлено в виде

y(x0 , x)= A

x + o( x).

(5)

Главная линейная часть A x приращения

y называется дифференциалом этой

функции в точке x0 , соответствующим приращению

x , и обозначается симво-

лом dy(x0 , x).

 

 

Для того, чтобы функция y = f (x)

была дифференцируемой в точке x0 ,

необходимо и достаточно, чтобы существовала производная f ′(x0 ); при этом справедливо равенство A = f ′(x0 ).

Это утверждение позволяет называть дифференцируемой всякую функцию, имеющую производную.

Выражение для дифференциала имеет вид

46

dy(x0 , x)= f ′(x0 )dx ,

где принято обозначение dx = x . Из формулы (5) следует, что если f ′(x0 )≠ 0 , то при x →0 приращение функции и её дифференциал dy в фиксированной

точке являются эквивалентными бесконечно малыми, что позволяет записать приближённое равенство:

 

 

y ≈ dy при

 

 

x

 

1.

 

 

 

 

 

 

dy(x0

Геометрический

смысл

дифференциала.

Дифференциал

, x) равен приращению ординаты

касательной к графику функции

y = f

(x) в точке M0 (x0 , y0 ) при приращении аргумента, равном

x .

 

Если z (x)= z (y(x))

– сложная

функция, образованная композицией

функций y = y(x) и z = z (y), то

dz (x,dx)= z′y (y)dy(x,dx),

т. е. выражение для дифференциала сложной функции через дифференциал промежуточного аргумента имеет такую же форму, что и основное определение dz (x,dx)= z′x (x)dx . Это утверждение называется инвариантностью формы 1-

го дифференциала.

2. Дифференциалы высших порядков. Рассмотрим дифференциал

dy(x, 1x)= f ′(x)

1x как функцию x при фиксированном x = 1x . Предпола-

гая, что функция

y = f (x) дважды дифференцируема в точке x , найдём диф-

ференциал от dy(x, 1x) при x = 2 x :

d (dy(x, 1x)) x, x=Δ2 x = f ′′(x) 1x 2 x .

Значение полученного выражения при 1x = 2 x = dx называется вторым диф-

ференциалом или дифференциалом 2-го порядка функции y = f (x) и обознача-

ется символом d 2 y(x,dx). Таким образом,

d 2 y = f ′′(x)dx2 .

Аналогично

47

d 3 y = d (d 2 y)= f ′′′(x)dx3 ,

… … … … … … … …

d n y = d (d n−1 y)= f (n) (x)dxn .

Дифференциалы 2-го и более высоких порядков не обладают инвариантностью формы, свойственной дифференциалам 1-го порядка.

§ 17. Теоремы о дифференцируемых функциях. Формула Тейлора

1. Теоремы о среднем.

Теорема Ролля. Если функция f (x) непрерывна на отрезке [a,b], дифференцируема при x (a,b) и f (a) = f (b), то существует по крайней мере одна точка ξ (a,b) такая, что f ′(ξ) = 0 .

Точки, в которых f ′(x) = 0 , называются стационарными точками функции f (x).

Теорема Лагранжа. Если функция f (x) непрерывна на отрезке [a,b]

идифференцируема при x (a,b), то существует по крайней мере одна точка

ξ(a,b) такая, что

f (b)− f (a) = f ′(ξ) (b − a) (формула Лагранжа).

Теорема Коши. Если функции f (x) и g (x) непрерывны на отрезке [a,b], дифференцируемы при x (a,b) и g′(x) ≠ 0 для всех x (a,b), то существует по крайней мере одна точка ξ (a,b) такая, что

 

 

 

 

 

f (b)− f (a)

f ′(ξ)

(формула Коши).

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

g (b)− g (a)

g′(ξ)

2. Правило

Лопиталя-Бернулли. Раскрытие неопределённо-

стей типа

0

и

∞

. Пусть при x → a

функции f (x) и ϕ(x) обе бесконечно

 

0

 

∞

 

 

 

 

малые или обе бесконечно большие. Тогда их отношение не определено в точке x = a , и в этом случае говорят, что оно представляет собой неопределённость

типа 00 или соответственно ∞∞ . Однако это отношение может иметь предел в

точке x = a , конечный или бесконечный. нахождение этого предела называется раскрытием неопределённости. Одним из способов раскрытия неопределённо-

48

стей типа 00 и ∞∞ является правило Лопиталя-Бернулли, основанное на сле-

дующей теореме, носящей их имя.

Теорема. Пусть в некоторой окрестности U точки x = a функции f (x) и ϕ(x) дифференцируемы всюду. кроме, может быть, самой точки

x = a , и пусть ϕ′(x)≠ 0 в U . Если функции f (x) и ϕ(x) являются одновременно либо бесконечно малыми, либо бесконечно большими при x → a и при

этом существует предел отношения ϕf ′′((xx)) их производных при x → a , то то-

f (x)

гда существует также и предел отношения ϕ(x) самих функций, причём

lim

f (x)

= lim

f ′(x)

.

ϕ(x)

ϕ′(x)

x→a

x→a

 

Правило применимо и в случае, когда a = ∞.

В некоторых случаях раскрытие неопределённостей вида 00 или ∞∞ мо-

жет потребовать неоднократного применения правила Лопиталя-Бернулли.

На каждом этапе применения правила Лопиталя-Бернулли следует пользоваться упрощающими отношение тождественными преобразованиями, а также комбинировать это правило с любыми другими приёмами вычисления пределов.

Раскрытие неопределённостей типа 0 ∞ и ∞ −∞. Для вычис-

ления lim f (x)ϕ(x), где f (x) – бесконечно малая, а ϕ(x) – бесконечно боль-

x→a

шая при x → a (раскрытие неопределённости типа 0 ∞),

следует преобразо-

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

вать произведение к

виду

 

 

 

 

 

(неопределённость

типа

0 ) или к виду

 

1 ϕ(x)

 

 

ϕ(x)

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(неопределённость типа

∞ ) и далее использовать правило Лопиталя-

1 f (x)

Бернулли.

x→a (

f

(

x

)

 

 

(

x

))

, где f

(

x

)

 

(

x

)

 

 

 

Для вычисления

−ϕ

и ϕ

– бесконечно боль-

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

шие при x → a (раскрытие неопределённостей типа ∞ −∞), следует преобразо-

 

 

ϕ(x)

 

ϕ(x)

вать разность к виду f (x) 1

−

 

 

, затем раскрыть неопределённость

 

 

f (x)

 

 

f (x)

 

типа

∞

. Если lim

ϕ(x)

=1, то получаем неопределённость типа ∞ 0 , рассмот-

∞

f (x)

 

x→a

 

ренную выше.

49

Раскрытие неопределённостей типа 00 , ∞0 , 1∞ . Во всех трёх случаях имеется в виду вычисление предела выражения ( f (x))ϕ(x) , где f (x)

есть в первом случае бесконечно малая, во втором случае – бесконечно большая, в третьем случае – функция, имеющая предел, равный единице. Функция же ϕ(x) в первых двух случаях является бесконечно малой, а в третьем случае

– бесконечно большой.

Поступаем следующим образом. Логарифмируя предварительно y =(f (x))ϕ(x) , получаем равенство

ln y =ϕ(x)ln f (x)

(6)

и находим предел ln y , после чего находится и предел y . Во всех трёх случаях ln y в силу (6) является неопределённостью типа 0 ∞, метод раскрытия которой изложен выше.

3. Формула Тейлора. Если функция y = f (x) имеет производные до (n +1)-го порядка включительно в некоторой окрестности Uδ (a)={x x − a <δ}

точки a , то для всякого x Uδ (a) справедлива формула Тейлора (порядка n )

f (x)= f (a)+ f ′1!(a)(x − a)+ f ′′2!(a)(x − a)2 +... + f (nn) !(a)(x − a)n + Rn+1 (x),

где

 

 

Rn+1 (x)=

f (n+1) (a +θ (x − a))

(x − a)n+1 , 0 <θ <1

(n +1)!

 

 

(остаточный член в форме Лагранжа). Таким образом, формула Тейлора порядка n позволяет представить функцию y = f (x) в виде суммы многочлена

n -й степени и остаточного члена. В частности, при a = 0 имеем

f (x)= f (0)+

f ′(0)

x +

f ′′(0)

x2

+... +

f (n) (0)

x +

f (n+1) (θx)

xn+1

, 0 <θ <1

1!

2!

 

 

 

 

 

 

n!

(n +1)!

 

(формула Маклорена).

Формула Тейлора широко используется при вычислении значений функции с заданной степенью точности. Пусть, например, требуется вычислить зна-

50

чение функции f (x) в точке x0 с абсолютной погрешностью, не превосходя-

щей ε , если известно значение этой функции и её производных в точке a . Из формулы Тейлора следует, что

f (x0 )≈ f (a)+ f ′1!(a)(x0 − a)+ f ′′2!(a)(x0 − a)2 +... + f (nn0 )0 (!a)(x0 − a)n0 ,

где n0 – минимальный из номеров n , для которых

Rn+1 (x0 ) <ε .

Остаточный член в формуле Тейлора может быть записан в форме Пеано

Rn+1 (x)= o(x − a n ),

использование которой полезно при вычислении пределов.

§ 18. Исследование функций и построение графиков

1. Возрастание и убывание функции. Экстремум. Функция y = f (x)

называется возрастающей (убывающей) в интервале (a,b), если из неравенства

x1

< x2 , где x1, x2 (a,b) следует неравенство f (x1 )< f (x2 )

(соответственно

f

(x1 )> f (x2 )).

 

 

 

Если функция f (x) дифференцируема на интервале (a,b)

и f ′(x)> 0

при всех x (a,b), то функция f (x) возрастает на (a,b); если же

f ′(x)< 0 при

всех x (a,b), то f (x) убывает на этом интервале.

y = f (x) можно

 

В простейших случаях область определения функции

разбить на конечное число интервалов монотонности. Каждый из интервалов монотонности отделён критическими точками, в которых f ′(x)= 0 или f ′(x)

не существует.

 

Если существует такая окрестность Uδ (x0 ) точки x0 , что для всякой точ-

ки x ≠ x0

этой окрестности выполняется неравенство

f (x)> f (x0 ) (или

f (x)< f (x0 )), то точка x0 называется точкой минимума (максимума) функции

y = f (x), а число f (x0 ) – минимумом (максимумом) этой функции. Точки ми-

нимума и максимума функции называются её точками экстремума.

Необходимое условие экстремума. Если x0

– точка экстремума

функции

f (x), то f ′(x)= 0 или f ′(x) не существует, т.

е. x0 – критическая

точка этой функции.

Соседние файлы в предмете Высшая математика