- •Основы маТеМатического анализа
- •Оглавление
- •Дидактический план
- •Литература Основная
- •Дополнительная
- •Перечень умений
- •1. Введение в математический анализ
- •1.1. Числовые последовательности
- •1.2. Предел последовательности
- •1.3. Предел функции
- •1.4. Предел функции при стремлении аргумента к бесконечности (X →∞)
- •1.5. Бесконечно малые функции
- •1.6. Основные свойства бесконечно малых
- •1.7. Сравнение бесконечно малых. Эквивалентные бесконечно малые
- •1.8. Бесконечно большие функции
- •1.9. Связь предела и бесконечно малых
- •1.10. Правила предельного перехода
- •1.11. Понятие непрерывности функции. Точки разрыва функции
- •2. Дифференциальное исчисление функций одной переменной
- •2.1. Производная функции. Ее геометрический смысл
- •2.2. Дифференциал функции, его геометрический смысл
- •2.3. Общее представление о линеаризации функции
- •2.4. Основные правила дифференцирования функций
- •2.5. Монотонные функции. Точки экстремума
- •2.6. Производные высших порядков
- •2.7. Формула Тейлора (до второго порядка включительно)
- •2.8. Выпуклость функции. Точки перегиба
- •2.9. Асимптоты
- •2.10. Общая схема исследования функции. Построение графика
- •3. Элементы интегрального исчисления
- •3.1. Понятие первообразной. Основные правила интегрирования
- •3.2. Основные методы интегрирования
- •Основных интегралов (c – постоянная)
- •3.3. Интеграл и задача об определении площади
- •3.4. Определенный интеграл
- •3.5. Вычисление определенного интеграла. Основные свойства
- •7.Теорема о среднем значении определенного интеграла.
- •8.Теорема об оценке интеграла.
- •4. Обыкновенные дифференциальные уравнения
- •4.1. Общие понятия и определения
- •4.2. Дифференциальные уравнения первого порядка. Задача Коши
- •4.3. Способы интегрирования уравнений первого порядка
- •4.4. Линейные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами
- •1. Составьте логическую схему базы знаний по теме юниты:
- •3. Найти общее решение дифференциального уравнения:
- •Тренинг умений
- •1. Пример выполнения упражнения тренинга на умение № 1 Задание
- •Решение
- •Cамостоятельно найдите производные:
- •2. Пример выполнения упражнения тренинга на умение № 2 Задание
- •Решение
- •Самостоятельно найдите интервалы монотонности и точки экстремумов функции:
- •3. Пример выполнения упражнения тренинга на умение № 3 Задание
- •Решение
- •Самостоятельно методом интегрирования по частям найдите интегралы:
- •4. Пример выполнения упражнения тренинга на умение № 4 Задание 1
- •Решение
- •Задание 2
- •Решение
- •Самостоятельно вычислите площадь, ограниченную кривыми:
- •Самостоятельно найдите общее решение дифференциальных уравнений:
- •Глосарий
- •Матиматика (курс 4) юнита 3
2. Дифференциальное исчисление функций одной переменной
2.1. Производная функции. Ее геометрический смысл
Определение.
Производной функции y=f(x)
в точке
называется предел отношения приращения
функции
к приращению аргумента при стремлении
последнего к нулю.
Обозначение:
.
Для производной в
точке x0можно использовать и
другие обозначения:
.
Поясним понятие
производной геометрически. На рис. 13
видно, что
,
а отрезок
,
из треугольника
получаем
,
здесь α – угол наклона секущей
к осиОX. При
секущая
стремится занять положение касательнойТ, составляющей угол
с осью абсцисс – угол наклона касательной.
При этом
.
Следовательно,
,
т.е. производная есть тангенс угла
наклона касательной, или
равен угловому коэффициенту касательной,
проведенной к графику функции
в точке
.

![]()
Рис. 13
Напомним, что
уравнение прямой, проходящей через
точку
и имеющей угловой коэффициентk,
имеет вид
.
Поскольку
,
то уравнение касательной запишется
так:
.
2.2. Дифференциал функции, его геометрический смысл
Напомним, что если
,
то в окрестности
имеем
,
где
(при
).
Из определения производной следует,
что
,
где
при
,
т.е.
- б.м. при
.
Отсюда
.
Приращение функции
представляет собой сумму двух слагаемых:
– есть бесконечно малая более высокого
порядка, чем
(вспомните, что это значит); второе
слагаемое
линейно зависит от
и служит хорошим приближением к приращению
функции
при малых
.
Определение.Величина
называетсядифференциалом функции
f(x) в точке
и обозначается
.
Таким образом,
.
(*).
Такое выражение для
возможно лишь в случае существования
.
Подобные функции называют дифференцируемыми
в точке
.
Формулу (*) можно использовать в
приближенных вычислениях. Из определения
следует, что для независимой переменной
и
.
Геометрический смысл дифференциала виден из рис. 14.
Из
имеем:
,
но
,
.
Следовательно,
.
Поэтому говорят, чтоdfесть приращение
ординаты касательной (т.е. приращение
линейной функции, графиком которой
служит касательная). На рисунке отличиеdfот
выглядит величиной, сравнимой с
и
.
Но это потому, что величина
не мала. При
видно, что отличие начинает “сильно
проигрывать” приращению
и действительно является величиной,
стремящейся к нулю быстрее, чем
(т.е.о
).

Рис. 14
В приближенных
вычислениях полагают
,
или![]()
2.3. Общее представление о линеаризации функции
При изучении функции вблизи какой-либо точки, например вблизи нуля, часто бывает выгодно заменить исследуемую функцию другой, более удобной для рассмотрения функцией, например линейной. При этом допускается некоторая ошибка.
Пусть задана функция
.
Вблизи нуляхмало, а
еще меньше, и последний член не оказывает
существенного влияния на поведение
данной функции. Если отбросить член
,
функция заменится линейной:
.
Этот процесс замены функции линейной
функцией называетсялинеаризацией.
При линеаризации многочлена вблизи
нуля отбрасываются все члены, содержащие
степениxвыше первой.
Пример1.
,
отсюда следует: если
,
то
.
Если
,
то
.
Особенно важен
случай
.
Здесь отброшенные
члены являются бесконечно малыми более
высокого порядка, чем x, т.е.
.
Можно доказать, что
,
т.е.
.
Выписанные ранее эквивалентные величины
позволяют нам заменить некоторые функции
вблизи нуля более простыми, линейными
функциями, т.е. линеаризовать их. Таким
образом, мы имеем:

Погрешности,
получаемые при такой замене, есть
бесконечно малые более высокого порядка
малости, чем x, т.е. o(x). Заметим,
что функции
и
нельзя линеаризовать вблизи нуля, так
как вблизиx= 0 они не ограничены.
Пример 2.Пусть необходимо приближенно вычислить
.
Представим число 82 в виде суммы 81+1. Тогда
![]()
При линеаризации
функции y=f(x) вблизи точки
,
т.е. при
,
величина приращения аргумента
будет бесконечно малой. Функциюf(x),
если это возможно, представляют в виде
![]()
или
.
Мы знаем, что величина
является дифференциалом функцииy=f(x), т.е.
.
Итак, функции,
допускающие линеаризацию, являются
дифференцируемыми. Процесс линеаризации
функции эквивалентен замене приращения
функции вблизи точки
ее дифференциалом:
![]()
или
.
Например:
10.
. Имеем
,
значит,
.
В частности, при x= 0
;
так,
.
20.y= lnx.
Имеем
,
значит,
.
В частности, при x= 1 получаем знакомую формулу
(при
);
так,
ln 1,03≈0,03.
Из геометрического
смысла дифференциала следует, что
линеаризация функции y=f(x)
вблизи точки
означает замену графика функции куском
ее касательной в этой точке. Эта идея
используется при отыскании интегральной
кривой дифференциального уравнения.
Подробнее об этом будет сказано ниже.
