- •Математика
- •2Семестр
- •1. Введение в анализ
- •2. Производная и ее приложения
- •3. Дифференциальное исчисление функций нескольких переменных
- •4. Ряды
- •§ 1. Введение в математический анализ
- •6. Второй замечательный предел
- •1.3. Непрерывность функции
- •1. 2. Предел функции
- •5. Первый замечательный предел
- •§ 2. Производная и ее приложения
- •2. 2. Геометрические приложения производной
- •2. 3. Дифференцирование функций, заданных параметрически
- •2. 4. Дифференцирование неявных функций
- •2. 5. Правило Лопиталя
- •2. 6. Исследование функции и построение ее графика
- •§ 3. Дифференциальное исчисление функций нескольких переменных
- •§ 4. Ряды
- •4.1 Числовые ряды
- •4.2. Степенные ряды
- •2 Семестр
- •Издательство «Нефтегазовый университет»
- •625000, Г. Тюмень, ул. Володарского, 38
- •625000, Г. Тюмень, ул. Володарского, 38
2. 3. Дифференцирование функций, заданных параметрически
Если функция
задана параметрически двумя уравнениями
,
,
,
то ее производные вычисляются по
формулам:
,
.
Примечание.
Производные по аргументу
иногда, следуя Исааку Ньютону, обозначают
точками наверху:
,
,
.
В этих обозначениях формулы, по которым
находятся производные параметрически
заданной функции, принимают вид:
,
.
Пример3. Найти
и
,
если функция
задана параметрически:
.
Решение.
Последовательно находим:
,
;
;
;
,
.
2. 4. Дифференцирование неявных функций
Говорят, что уравнение
задает неявно функцию
,
на интервале
,
если для всех
выполняется равенство
.
Для вычисления производной функции
следует
продифференцировать по x
тождество
,
помня, что
есть функция от
,
а затем полученное уравнение разрешить
относительно
.
Пример 4. Найти
значение
в точке
для функции, заданной неявно уравнением
.
Решение. Продифференцируем обе части уравнения по (не забываем, что зависит от ):
,
,
,
.
2. 5. Правило Лопиталя
1. При раскрытии неопределенностей
кроме классических методов вычисления
пределов, рассмотренных ранее, во многих
случаях можно пользоваться правилом
Лопиталя - Бернулли:
если
или
и существует предел отношения их
производных
,
то
.
Это правило справедливо и в случае
.
Пример 5.
.
Пример 6.
.
Здесь мы дважды применили правило Лопиталя и воспользовались первым замечательным пределом.
Пример 7.
.
2. При раскрытии неопределенностей
для применения правила Лопиталя, данное
выражение надо преобразовать в отношение
двух функций (в неопределенность
или
).
Пример 8.
.
Пример 9.
.
3. При раскрытии неопределенностей
;
;
рекомендуется найти предварительно
предел логарифма искомой функции.
Пример 10.
.
Решение. Введем
обозначение
,
тогда
.
.
Так как
.
2. 6. Исследование функции и построение ее графика
Для построения графика функции
сначала проводим элементарное
исследование: находим область определения,
асимптоты, выясняем некоторые особенности
функции (если они имеются), т. е. точки
пересечения с осями координат, симметрия,
периодичность. Затем, используя первую
производную, находим интервалы
монотонности, экстремумы, а по второй
производной — интервалы выпуклости,
точки перегиба.
Рекомендуется исследование сопровождать последовательным построением графика функции.
Пример 1. построить
график функции
.
Решение.
1. Область определения данной
функции представляет собой множество
(см. рис. 11).
2. Пределы функции в точках разрыва и на концах области определения (данная функция имеет одну точку разрыва):
;
;
.
3. Асимптоты. Если
,
то прямая
— вертикальная асимптота. В нашем
случае вертикальная асимптота имеет
уравнение
.
Прямая
является наклонной асимптотой, если
существуют конечные пределы
и
.
Так как
;
,
то наклонная асимптота имеет уравнение
.
Если
,
то
— горизонтальная асимптота.
4. Точки пересечения графика с
осями координат дают: во-первых, нули
функции
(чтобы их найти, необходимо решить
уравнение
)
и, во-вторых, значение
,
если
.
Так как для данной функции
,
то график проходит через точку О
.
5. Симметрия. Функция
– четная, если
;
ее график симметричен относительно
оси
.
Функция
– нечетная, если
;
ее график симметричен относительно
начала координат. В нашем случае
;
,
т. е.
и
,
следовательно, симметрии относительно
осей координат у графика нет.
6. Периодичность. Если для некоторого
числа
выполняется равенство
для всех
,
то функция
– периодическая с периодом
.
Очевидно, наша функция не является
периодической.
7. Находим первую производную:
.
8. Находим критические точки (
т. е. точки, в которых
или
не существует), отмечаем их на области определения функции (см. рис. 12) - получаем интервалы знакопостоянства производной :
.
В
сюду
в области определения
первая производная существует.
9.
Промежутки монотонности. Определяем
знак производной в каждом интервале.
Там, где
,
функция возрастает (
); а там, где
,
о на убывает ( ).
Результаты исследования сводим в табл. 1
Таблица 1
|
|
0 |
(0; 1) |
1 |
|
|
|
|
+ |
0 |
– |
|
– |
0 |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
10. Экстремальные значения (если они есть):
.
11. Вторая производная:
.
12. Интервалы знакопостоянства
второй производной. Находим точки,
в которых
или не существует, отмечаем их на области
определения функции (см. рис. 13). Получим
интервалы знакопостоянства
.
,
.
Вторая
производная существует для всех
.
13. Промежутки выпуклости и
вогнутости. Определяем знак производной
в каждом интервале. Кривая является
вогнутой при тех значениях аргумента
,
при которых
(в окрестности точки вогнутости график
располагается над касательной к нему
в этой точке; в таблице интервал вогнутости
будем обозначать символом
).
Кривая в точке
является выпуклой, если в этой точке
(в этой точке график располагается под
касательной и выпуклостью вверх
).
Результаты сводим в табл. 2.
Таблица 2
|
|
|
|
0 |
|
1 |
|
|
+ |
0 |
– |
0 |
– |
|
+ |
|
|
т. п. |
|
|
|
||
14. Точки перегиба. Находим
значение
,
тем самым определяем точку
— точку перегиба. Касательная к графику
в точке
помогает уточнить, в каком направлении
проходит в этой точке график. Поэтому
полезно вычислить угловой коэффициент
этой касательной:
и провести в точке
такую часть касательной (обычно около
1 сантиметра), которая делает ясным
прохождение кривой в окрестности точки
перегиба (см. рис. 14).
15. Строим график (если необходимо, находим несколько дополнительных точек).
Пример 2.
Построить график функции
.
Р
ешение.
1. Область определения данной функции
представляет собой множество
(см. рис. 15).
Функция определена и непрерывна вне
отрезка
.
2.
;
,
так как
.
3.
и
— вертикальные асимптоты;
— горизонтальная асимптота.
4.
график не пересекает ось
;
:
;
;
,
так как
.
5. 6. нет.
7-10.
для всех
.
Следовательно, функция возрастает на
интервалах
и
.
11-14.
;
имеет
знак тот же, что и аргумент
:
– выпуклость вниз, т. е. вогнутость
;
– выпуклость вверх
.
Точек перегиба нет.
15.
Строим график (см. рис.16).
Пример
3. Построить график функции
.
Решение. Очевидно,
,
,
для всех
.
Точек разрыва и вертикальных асимптот
нет.
,
так как
;
,
так как
.
Неопределенность
раскрываем, дважды применив правило
Лопиталя (см. 2.5.):
— горизонтальная асимптота при
.
Находим первую производную:
.
Ищем критические точки:
,
.
|
|
|
|
0 |
|
|
+ |
0 |
– |
0 |
+ |
|
|
|
|
|
|
;
;
;
;
;
.
|
|
|
|
|
|
|
+ |
0 |
– |
0 |
+ |
|
|
т. п. |
|
т. п. |
|
;
;
;
.
Найдем дополнительно значение функции при :
и построим ее график (см. рис.17).
