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

2004-matematicheskiy-analiz-differencial-noe-ischislenie-funkciy-odnoy-peremennoy-5mb

.pdf
Скачиваний:
103
Добавлен:
23.03.2016
Размер:
5 Мб
Скачать
☆

y′′′

= ( y′′

)′

 

=

( y′′

)′

 

xx

t и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

xxx

xx

 

x

 

xt′

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.4.1

Найти первую производную функции xcos(πy) − ysin(πx) = x − 1

в точке M

1

,

1

.

 

 

 

2

2

 

Решение

Данная функция задано неявно. Продифференцируем тождество xcos(πy) − ysin(πx) = x − 1 по переменной x, имея в виду, что y есть функция от х:

x′ cos(πy) + x(cos(πy))′ − y′sin(πx) − y(sin(πx))′ = (x − 1)′;

cos(πy) + x(− sin(πy))πy′ − y′sin(πx) − y cos(πx)π = 1.

Выразим из получившегося тождества y ′:

cos(πy) − πy cos(πx) − 1 = πxsin(πy) y′ + y′sin(πx);

 

 

 

y′ =

cos(πy) − πy cos(πx) − 1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πxsin(πy) + sin(πx)

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем значение первой производной в точке M

1

,

1

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

y′(М) =

cos(π / 2) − π / 2cos(π / 2) − 1

=

−1

 

=

−2

.

 

 

 

 

 

π / 2 + 1

 

 

 

 

 

 

π / 2sin(π / 2) + sin(π / 2)

 

π + 2

 

 

 

 

Пример 2.4.2

Найти первую и вторую производные функции x + y = ex − y.

Решение

Данная функция задано неявно. Продифференцируем тождество x + y = ex − y по переменной x, имея в виду, что y есть функция от x:

x′ + y′ = (ex− y )′; 1+ y′ = ex− y (x − y)′; 1+ y′ = ex− y (1− y′).

121

Выразим из получившегося тождества y′: y′ + ex− y y′ = ex− y − 1;

y′(1+ ex− y ) = ex− y − 1;

y′ = ex− y − 1.

ex− y + 1

Найдем вторую производную, продифференцировав получившее- ся равенство по переменной x, имея в виду, что y есть функция от x:

y′′ =

ex− y

− 1

′

 

(ex− y

− 1)′(ex− y + 1) − (ex− y

− 1)(ex− y

+ 1)′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ex− y + 1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ex− y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

ex− y (x − y)′(ex− y + 1) − (ex− y − 1)ex− y (x − y)′

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ex− y +

1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

ex− y (1− y′)(ex− y + 1) − (ex− y − 1)ex− y (1− y′)

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ex− y + 1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

ex− y (1− y′)(ex− y + 1− ex− y + 1)

=

2ex− y (1− y′)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ex− y + 1)2

 

 

 

 

 

 

(ex− y +

1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Производная y′ =

 

ex− y − 1

была найдена ранее,

подставим ее в y′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ex− y + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x− y

 

−

ex− y

− 1

 

 

 

 

 

 

 

 

(e

 

 

 

 

 

 

 

+ 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

2e

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

− y

x− y

+ 1

− e

x− y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ex− y

+ 1

 

2e

 

 

 

 

4ex− y

 

y′′ =

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

.

 

 

(ex− y + 1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ex− y + 1)3

 

 

 

(ex− y + 1)3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ =

 

ex− y

− 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ex− y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′′ =

 

 

 

4ex− y

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ex− y + 1)3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

122

Пример 2.4.3

Написать уравнение касательной и уравнение нормали к линии

x

2 y

2 y + 2 x = 6 в точке M(2, 1).

Решение

Уравнение касательной:

y = f(x0) + f '(x0)(x – x0).

Уравнение нормали:

(x – x0) + f '(x0)(y – f(x0)) = 0.

Необходимо написать уравнение касательной в точке Следовательно, x0 = 2, а y0 = f(x0) = 1.

x

Найдем производную, продифференцировав тождество 2 y по переменной x, имея в виду, что y есть функция от x:

M(2, 1).

2y

+2 x = 6

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x ′

 

 

2 y

 

2y ′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 y

 

ln 2

 

 

 

 

+ 2 x ln 2

 

= 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

x

 

 

x′y

−

xy′

 

 

2 y

2( y′x

−

yx′)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 y

 

 

+ 2 x ln 2

= 0;

 

ln 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

y

−

xy′

 

 

2 y

2( y′x

−

y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 2 x ln 2

= 0.

 

2 y ln 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разделим получившееся тождество на ln2 и подставим вместо x и y координаты точки М(2, 1):

22

1− 2y′

 

+ 21

2(2y′ − 1)

 

= 0;

1

22

 

 

 

 

 

4(1− 2y′) + 2y′ − 1 = 0;

4 − 8y′ + 2y′ − 1 = 0;

3 = 6 y′.

123

Тогда производная функции в точке М

y′(M ) = 1 . 2

Уравнение касательной:

y = 1+ 1 (x − 2); 2

y = 1 x. 2

Уравнение нормали:

1 ( y − 1) + x − 2 = 0; 2

y− 1+ 2x − 4 = 0; y + 2x = 5.

Итак, y = 1 x − уравнение касательной, а y + 2x = 5 − уравнение

2

нормали в точке М(2, 1).

Пример 2.4.4

Найти первую и вторую производные функции, заданной пара- метрически:

 

t

(cost + sin t),

x = e

 

 

 

y = et (cost − sin t).

Решение

Найдем первую производную функции, заданной параметрически, по формуле

y′ = yt′ .

x xt′

Найдем производные функций x(t) и y(t) по переменной t, приме- нив формулу для нахождения производной произведения:

124

xt′ = (et )′(cost + sint) + et (cost + sint)′ = et (cost + sint) + et (− sint + cost) = = et (cost + sin t − sin t + cost) = 2et cost;

yt′ = (et )′(cost − sin t) + et (cost − sint)′ = et (cost − sint) + et (− sint − cost) = = et (cost − sin t − sin t − cost) = −2et sin t.

Тогда

y′

=

yt′

=

−2et sin t

= − tgt.

 

 

x

 

x′

 

2et cost

 

 

 

 

 

t

 

 

 

Вторую производную функции, заданной параметрически, найдем по формуле

 

 

y′′

= ( y′ )′

=

( y′ )′

 

 

 

 

 

 

 

x

 

t .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

x

x

 

xt′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продифференцируем функцию y′

= − tgt

 

по переменной t:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

( y′ )′

= (− tgt)′ = −

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′′ =

( y′ )′

= −

 

1

 

 

 

1

 

 

 

= −

1

 

x t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

x′

 

 

cos2 t 2et cost

 

 

 

2et cos3 t

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ = − tgt;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′′

= −

 

 

 

1

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

2et cos3 t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.4.5

Найти первую и вторую производные функции, заданной пара- метрически:

x = t2 ,

y = ln sin t − t ctg t.

125

Решение

Первую производную функции, заданной параметрически, найдем по формуле

y′ = yt′ .

x xt′

Найдем производные функций x(t) и y(t) по переменной t, приме- нив для функции y(t) правило дифференцирования сложной функции и формулу производной произведения:

 

 

 

 

 

 

 

x′ = (t2 )′ = 2t;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ = (ln sin t − t ctgt)′ =

1

(sin t)′ − (t′ ctg t + t(ctg t)′) =

 

 

t

 

 

 

 

 

sin t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

cost

− ctgt − t

−

1

 

= ctgt − ctgt +

 

t

=

t

.

 

 

 

 

 

sin2 t

 

 

sin t

 

 

 

sin2 t

 

 

 

 

sin2 t

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′

=

yt′

=

 

t

=

1

.

 

 

 

 

 

 

sin2 t 2t

 

 

 

 

 

 

x

 

 

x′

 

2sin2 t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вторую производную функции, заданной параметрически, найдем по формуле

 

 

 

 

y′′

= ( y′ )′

=

( y′ )′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

t .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

x

x

 

xt′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продифференцируем функцию y′

=

1

sin−2 t

по переменной t:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( y′ )′ =

 

1

sin−2 t

′

= −2 sin−3 t(sin t)′ = −

cost

.

 

 

 

x t

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin3 t

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′′

=

( y

′ )′

= −

cost 1

= −

cost

 

 

 

 

 

x t

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

x′

 

 

sin3 t 2t

 

 

 

2t sin3 t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

126

Таким образом,

y′

=

 

1

;

 

 

 

 

x

 

2sin2 t

 

 

y′′

= −

cost

.

 

xx

 

 

2t sin3 t

 

 

 

Пример 2.4.6

Написать уравнение касательной и уравнение нормали к кривой

x = sin2 t,

в точке, соответствующей значению параметра t = π/6.

y = cos2 t

Решение

Уравнение касательной:

y = f(x0) + f '(x0)(x – x0).

Уравнение нормали:

(x – x0) + f '(x0)(y – f(x0)) = 0.

Найдем значение функции x(t) при t = π/6:

x(π / 6) = sin2 (π / 6) = (1/ 2)2 = 1/ 4.

Следовательно, x0 = 1/4.

Найдем значение функции y(t) при t = π/6:

y(π / 6) = cos2 (π / 6) = ( 3 / 2)2 = 3/ 4.

Следовательно, y0 = f(x0) = 3/4.

Вычислим производную функции по формуле

y′ = yt′ .

x xt′

Для этого найдем производные функций x(t) и y(t) по переменной t: xt′ = 2sin t cost;

yt′ = 2cost(− sin t).

127

Тогда

y′

=

yt′

= −2cost sin t = −1.

 

x

 

xt′

2sin t cost

 

 

Следовательно,

 

 

y′

 

= −1;

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′

 

 

t =

π

/ 6

= −1.

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение касательной:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y =

3

 

−

x −

1

 

 

;

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

4

 

y = − x + 1.

 

Уравнение нормали:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− y −

3

 

+ x −

1

= 0;

 

 

 

 

4

 

 

4

 

 

x − y + 1 = 0. 2

Итак, y = −x + 1 − уравнение касательной, 2x – 2y + 1 = 0 − урав- нение нормали в точке М(2, 1).

2.5.Теоремы о дифференцируемых функциях. Правило Лопиталя. Формула Тейлора

Теорема Ролля

Если функция f(x):

1)непрерывна на отрезке [a, b];

2)дифференцируема на интервале (a, b);

3)на концах отрезка принимает равные значения, т.е. f(a) = f(b), то на интервале (a, b) существует, по крайней мере, одна точка ξ, в которой производная данной функции равна нулю, т.е.

ξ (a,b) : f ′(ξ) = 0.

128

Все условия теоремы Ролля существенны. При нарушении хотя бы одного из этих условий утверждение теоремы может оказаться

неверным. Например, непрерывная функция y = x на концах отрез-

ка [−1, 1] имеет равные значения (y(−1) = y(1) = 1), вместе с тем ее производная нигде в ноль не обращается. В данном случае не выпол- нено второе условие теоремы Ролля: в точке x = 0, лежащей внутри

интервала (−1, 1), производная функции y = x не существует (было

показано в п. 2.2). Точно так же теорема может быть не верна, если нарушено условие непрерывности функции на отрезке [a, b]. Напри-

мер, функция

y =

x,

0 ≤ x < 1,

имеет равные значения на концах

0,

x = 1

отрезка [0, 1] (y(0) = y(1) = 0), дифференцируема на интервале (0, 1), но ее производная во всех точках этого интервала равна 1, и, следо- вательно, нет точки, в которой производная равна нулю. Здесь нару- шено первое условие теоремы, так как функция не является непре- рывной на отрезке [0, 1].

Геометрический смысл теоремы Ролля заключается в следующем: если функция y = f(x) на некотором интервале удовлетворяет услови- ям теоремы Ролля, то на этом интервале найдется точка, в которой касательная параллельна оси абсцисс.

Теорема Лагранжа

Если функция f(x):

1)непрерывна на отрезке [a, b];

2)дифференцируема на интервале (a, b),

то на интервале (a, b) существует, по крайней мере, одна точка ξ, что

f (b) − f (a) = f ′(ξ)(b − a), ξ (a,b).

Теорема Роля является частным случаем теоремы Лагранжа.

Следствия из теоремы Лагранжа

1.Если функция f(x) дифференцируема на интервале (a, b) и f ′(x) = 0 для всех x (a, b), то f(x) = c = const на данном интервале.

2.Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b], дифференцируема

на интервале (a, b) и для всех x (a, b) верно равенство f ′(x) = k = const, то f(x) = kx + c, т.е. функция f(x) − линейная функция.

129

Формула Коши

Если функции f(x) и g(x):

1)непрерывны на отрезке [a, b];

2)дифференцируемы на интервале (a, b), причем g′ (x) ≠ 0 во всех

точках этого интервала,

то на интервале (a, b) существует, по крайней мере, одна точка ξ, что

f (b) − f (a) = f ′(ξ) , ξ (a,b). g(b) − g(a) g′(ξ)

Первое правило Лопиталя

Пусть функции f(x) и g(x) дифференцируемы в некоторой проко- лотой окрестности точки а, причем g′ (x) ≠ 0 в этой окрестности. То-

гда, если lim f (x) = lim g(x) = 0 (в этом случае говорят, что при x → a

x→a x→a

имеет место неопределенность вида 0 ) и существует lim f ′(x) (ко-

0

x→a g′(x)

нечный или бесконечный), то существует и lim f (x) , причем

x→a g(x)

lim f (x) = lim f ′(x) .

x→a g(x) x→a g′(x)

Второе правило Лопиталя

Пусть функции f(x) и g(x) дифференцируемы в некоторой проко- лотой окрестности точки а, причем g′ (x) ≠ 0 в этой окрестности. То-

гда, если lim f (x) = lim g(x) = ∞ (в этом случае говорят, что при x → a

x→a x→a

имеет место неопределенность вида ∞ ) и существует (конечный или

 

f ′(x)

 

 

 

∞

бесконечный) lim

, то существует и lim

f (x)

, причем

 

 

x→a g′(x)

 

x→a g(x)

 

lim

f (x)

= lim

f ′(x)

.

 

 

 

 

x→a g(x)

x→a g′(x)

130