Приближенное значение приращения функции
При достаточно малых приращение функции приближенно равно ее дифференциалу, т.е. Dy » dy и, следовательно,
Пример 2. Найти приближенное значение приращения функции y= при изменении аргумента x от значения x 0 =3 до x 1 =3,01.
Решение . Воспользуемся формулой (2.3). Для этого вычислим
X 1 - x 0 = 3,01 - 3 = 0,01, тогда
Dу » .
Приближенное значение функции в точке
В соответствии с определением приращения функции y = f(x) в точке x 0 при приращении аргумента Dx (Dx®0) Dy = f(x 0 + Dx) - f(x 0) и формулой (3.3) можно записать
f(x 0 + Dx) » f(x 0) + . (3.4)
Частными случаями формулы (3.4) являются выражения:
(1 + Dx) n » 1 + nDx (3.4a)
ln(1 + Dx) » Dx (3.4б)
sinDx » Dx (3.4в)
tgDx » Dx (3.4г)
Здесь, как и ранее предполагается, что Dx®0.
Пример 3. Найти приближенное значение функции f(x) = (3x -5) 5 в точке x 1 =2,02.
Решение . Для вычислений воспользуемся формулой (3.4). Представим x 1 в виде x 1 = x 0 + Dx. Тогда x 0 = 2, Dx = 0,02.
f(2,02)=f(2 + 0,02) » f(2) +
f(2) = (3 × 2 - 5) 5 = 1
15 × (3 × 2 - 5) 4 = 15
f(2,02) = (3 × 2,02 - 5) 5 » 1 + 15 × 0,02 = 1,3
Пример 4. Вычислить (1,01) 5 , , ln(1,02), ln .
Решение
1. Воспользуемся формулой (3.4а). Для этого представим (1,01) 5 в виде (1+0,01) 5 .
Тогда, полагая Dх = 0,01, n = 5, получим
(1,01) 5 = (1 + 0,01) 5 » 1 + 5 × 0,01 = 1,05.
2. Представив в виде (1 - 0,006) 1/6 , согласно (3.4а), получим
(1 - 0,006) 1/6 » 1 + .
3. Учитывая, что ln(1,02) = ln(1 + 0,02) и полагая Dx=0,02, по формуле (3.4б) получим
ln(1,02) = ln(1 + 0,02) » 0,02.
4. Аналогично
ln = ln(1 - 0,05) 1/5 = .
Найти приближенные значения приращения функций
155. y = 2x 3 + 5 при изменении аргумента x от значения x 0 = 2 до x 1 = 2,001
156. у = 3x 2 + 5x + 1 при x 0 = 3 и Dx = 0,001
157. y = x 3 + x - 1 при x 0 = 2 и Dx = 0,01
158. y = ln x при x 0 = 10 и Dx = 0,01
159. y = x 2 - 2x при x 0 = 3 и Dx = 0,01
Найти приближенные значения функций
160. у = 2x 2 - x + 1 в точке x 1 = 2,01
161. y = x 2 + 3x + 1 в точке x 1 = 3,02
162. y = в точке x 1 = 1,1
163. y= в точке x 1 = 3,032
164. y = в точке x 1 = 3,97
165. y = sin 2x в точке x 1 = 0,015
Вычислить приближенно
166. (1,025) 10 167. (9,06) 2 168.(1,012) 3
169. (9,95) 3 170. (1,005) 10 171. (0,975) 4
172. 173. 174.
175. 176. 177.
178. ln(1,003×e) 179. ln(1,05) 5 180. ln
181. ln0,98 182. ln 183. ln(e 2 ×0,97)
Исследование функций и построение графиков
Признаки монотонности функции
Теорема 1 (необходимое условие возрастания (убывания) функции) . Если дифференцируемая функция y = f(x), xÎ(a; b) возрастает (убывает) на интервале (a; b), то для любого x 0 Î(a; b).
Теорема 2 (достаточное условие возрастания (убывания) функции) . Если функция y = f(x), xÎ(a; b) имеет положительную (отрицательную) производную в каждой точке интервала (a; b), то эта функция возрастает (убывает) на этом интервале.
Экстремумы функции
Определение 1. Точка x 0 называется точкой максимума (минимума) функции у = f(x), если для всех x из некоторой d-окрестности точки x 0 выполняется неравенство f(x) < f(x 0) (f(x) > f(x 0)) при x ¹ x 0 .
Теорема 3 (Ферма) (необходимое условие существования экстремума) . Если точка x 0 является точкой экстремума функции y = f(x) и в этой точке существует производная , то
Теорема 4 (первое достаточное условие существования экстремума) . Пусть функция y = f(x) дифференцируема в некоторой d-окрестности точки x 0 . Тогда:
1) если производная при переходе через точку x 0 меняет знак с (+) на (-), то x 0 является точкой максимума;
2) если производная при переходе через точку x 0 меняет знак с (-) на (+), то x 0 является точкой минимума;
3) если производная при переходе через точку x 0 не меняет знак, то в точке x 0 функция не имеет экстремума.
Определение 2. Точки, в которых производная функции обращается в нуль или не существует, называются критическими точками первого рода.
с помощью первой производной
1. Найти область определения D(f) функции у = f(x).
3. Найти критические точки первого рода.
4. Расставить критические точки в области определения D(f) функции y = f(x) и определить знак производной в промежутках, на которые критические точки делят область определения функции.
5. Выделить точки максимума и минимума функции и вычислить в этих точках значения функции.
Пример 1. Исследовать на экстремум функцию у = x 3 - 3x 2 .
Решение . В соответствии с алгоритмом нахождения экстремума функции с помощью первой производной имеем:
1. D(f): xÎ(-¥; ¥).
2. .
3. 3x 2 - 6x = 0 Þ x = 0, x = 2 - критические точки первого рода.
Производная при переходе чрез точку x = 0
меняет знак с (+) на (-), следовательно это точка
Максимума. При переходе через точку х = 2 меняет знак с (-) на (+), следовательно это точка минимума.
5. y max = f(0) = 0 3 × 3 × 0 2 = 0.
Координаты максимума (0; 0).
y min = f(2) = 2 3 - 3 × 2 2 = -4.
Координаты минимума (2; -4).
Теорема 5 (второе достаточное условие существования экстремума) . Если функция у = f(x) определена и дважды дифференцируема в некоторой окрестности точки x 0 , причем , то в точке x 0 функция f(x) имеет максимум, если и минимум, если .
Алгоритм нахождения экстремума функции
с помощью второй производной
1. Найти область определения D(f) функции y = f(x).
2. Вычислить первую производную
Рассмотрим широко распространенную задачу о приближенном вычислении значения функции с помощью дифференциала .
Здесь и далее речь пойдёт о дифференциалах первого порядка, для краткости часто будем говорить просто «дифференциал». Задача о приближенных вычислениях с помощью дифференциала обладает жёстким алгоритмом решения, и, следовательно, особых трудностей возникнуть не должно. Единственное, есть небольшие подводные камни, которые тоже будут подчищены. Так что смело ныряйте головой вниз.
Кроме того, в разделе присутствуют формулы нахождения абсолютной и относительной погрешностей вычислений. Материал очень полезный, поскольку погрешности приходится рассчитывать и в других задачах.
Для успешного освоения примеров необходимо уметь находить производные функций хотя бы на среднем уровне, поэтому если с дифференцированием совсем нелады, пожалуйста, начните с нахождения производной в точке и с нахождения дифференциала в точке . Из технических средств потребуется микрокалькулятор с различными математическими функциями. Можно использовать возможности MS Excel, но в данном случае он менее удобен.
Урок состоит из двух частей:
– Приближенные вычисления с помощью дифференциала значения функции одной переменной в точке.
– Приближенные вычисления с помощью полного дифференциала значения функции двух переменных в точке.
Рассматриваемое задание тесно связано с понятием дифференциала, но, поскольку урока о смысле производной и дифференциала у нас пока нет, ограничимся формальным рассмотрением примеров, чего вполне достаточно, чтобы научиться их решать.
Приближенные вычисления с помощью дифференциала функции одной переменной
В первом параграфе рулит функция одной переменной. Как все знают, она обозначается через y или через f (x ). Для данной задачи намного удобнее использовать второе обозначение. Сразу перейдем к популярному примеру, который часто встречается на практике:
Пример 1
Решение: Пожалуйста, перепишите в тетрадь рабочую формулу для приближенного вычисления с помощью дифференциала:
Начинаем разбираться, здесь всё просто!
На первом этапе необходимо составить функцию . По условию предложено вычислить кубический корень из числа: , поэтому соответствующая функция имеет вид: .
Нам нужно с помощью формулы найти приближенное значение .
Смотрим на левую часть формулы , и в голову приходит мысль, что число 67 необходимо представить в виде . Как проще всего это сделать? Рекомендую следующий алгоритм: вычислим данное значение на калькуляторе:
– получилось 4 с хвостиком, это важный ориентир для решения.
В качестве x 0 подбираем «хорошее» значение, чтобы корень извлекался нацело . Естественно, это значение x 0 должно быть как можно ближе к 67.
В данном случае x 0 = 64. Действительно, .
Примечание: Когда с подбором x 0 всё равно возникает затруднение, просто посмотрите на скалькулированное значение (в данном случае ), возьмите ближайшую целую часть (в данном случае 4) и возведите её нужную в степень (в данном случае ). В результате и будет выполнен нужный подбор x 0 = 64.
Если x 0 = 64, то приращение аргумента: .
Итак, число 67 представлено в виде суммы
Сначала вычислим значение функции в точке x 0 = 64. Собственно, это уже сделано ранее:
Дифференциал в точке находится по формуле:
– эту формулу тоже можете переписать к себе в тетрадь.
Из формулы следует, что нужно взять первую производную:
И найти её значение в точке x 0:
.
Таким образом:
Всё готово! Согласно формуле :
Найденное приближенное значение достаточно близко к значению 4,06154810045, вычисленному с помощью микрокалькулятора.
Ответ:
Пример 2
Вычислить приближенно , заменяя приращения функции ее дифференциалом.
Это пример для самостоятельного решения. Примерный образец чистового оформления и ответ в конце урока. Начинающим сначала рекомендую вычислить точное значение на микрокалькуляторе, чтобы выяснить, какое число принять за x 0 , а какое – за Δx . Следует отметить, что Δx в данном примере будет отрицательным.
У некоторых, возможно, возник вопрос, зачем нужна эта задача, если можно всё спокойно и более точно подсчитать на калькуляторе? Согласен, задача глупая и наивная. Но попытаюсь немного её оправдать. Во-первых, задание иллюстрирует смысл дифференциала функции. Во-вторых, в древние времена калькулятор был чем-то вроде личного вертолета в наше время. Сам видел, как из одного из институтов году где-то в 1985-86 выбросили компьютер размером с комнату (со всего города сбежались радиолюбители с отвертками, и через пару часов от агрегата остался только корпус). Антиквариат водился и у нас на физфаке, правда, размером поменьше – где-то с парту. Вот так вот и мучились наши предки с методами приближенных вычислений. Конная повозка – тоже транспорт.
Так или иначе, задача осталась в стандартном курсе высшей математики, и решать её придётся. Это основной ответ на ваш вопрос =).
Пример 3
Вычислить приближенно с помощью дифференциала значение функции в точке x = 1,97. Вычислить более точное значение функции в точке x = 1,97 с помощью микрокалькулятора, оценить абсолютную и относительную погрешность вычислений.
Фактически, это задание запросто можно переформулировать так: «Вычислить приближенное значение с помощью дифференциала»
Решение: Используем знакомую формулу:
В данном случае уже дана готовая функция: . Ещё раз обращаю внимание, что для обозначения функции вместо «игрека» удобнее использовать f (x ).
Значение x = 1,97 необходимо представить в виде x 0 = Δx . Ну, тут легче, мы видим, что число 1,97 очень близко к «двойке», поэтому напрашивается x 0 = 2. И, следовательно: .
Вычислим значение функции в точке x 0 = 2:
Используя формулу , вычислим дифференциал в этой же точке.
Находим первую производную:
И её значение в точке x 0 = 2:
Таким образом, дифференциал в точке:
В результате, по формуле :
Вторая часть задания состоит в том, чтобы найти абсолютную и относительную погрешность вычислений.
Абсолютная погрешность
Определение
Величина абсолютной разности между точным и приближенным u0 значением величины называется абсолютной погрешностью приближенной величины u0. Абсолютную погрешность обозначают $\Delta $u:
$\Delta u = |u - u0| $
Чаще всего точное значение u, а следовательно, и абсолютная погрешность $\Delta $u неизвестны. Поэтому вводят понятие границы абсолютной погрешности.
Граница погрешности приближенной величины
Определение
Любое положительное число больше либо равное абсолютной погрешности является границей погрешности приближенной величины:
\[|u-u_{0} |=\Delta _{u} \le \overline{\Delta _{u} }\]
Значит, точное значение величины содержится между $u_{0} -\overline{\Delta _{u} }$ и $u_{0} +\overline{\Delta _{u} }$
Если граница абсолютной погрешности при нахождении некоторой величины u равна $\overline{\Delta _{u} }$, то говорят, что величина u найдена с точностью $\overline{\Delta _{u} }$.
Относительная погрешность и ее граница
Определение
Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности $\Delta $u к модулю приближенного значения u0 измеряемой величины.
Обозначая относительную погрешность символом $\delta $u, получим
\[\delta _{u} =\frac{\Delta _{u} }{\left|u_{0} \right|} \]
Определение
Границей относительной погрешности называется отношение границы абсолютной погрешности, к модулю приближенного значения измеряемой величины:
\[\overline{\delta _{u} }=\frac{\overline{\Delta _{u} }}{\left|u_{0} \right|} \]
$\delta _{u} $ и $\overline{\delta _{u} }$ часто выражают в процентах.
Дифференциал функции
Дифференциал функции обозначается dy и имеет запись вида:
dy = f "(x) $\Delta $х
В ряде случаев, вычисление приращения функции заменяется вычислением дифференциала функции с некоторым приближением. Дифференциал функции вычисляется проще, т.к. требует нахождения лишь ее производной для расчета произведения с независимой переменной:
\[\Delta y\approx dy\]
Поскольку
\[\Delta y=f(x+\Delta x)-f(x)\] \
Наращенное значение функции имеет вид:
С помощью этой приближенной формулы можно находить приближенное значение функции в точке $x + \Delta х$, близкой к х по известному значению функции.
Для приближенных вычислений используется формула:
\[(1+\Delta x)^{n} \approx 1+n\Delta x\]
Например:
- Приближенно вычислить $(1,02)^3$
- Приближенно вычислить $\sqrt{1,005} $
Где $\Delta $х = 0,03, n = 5
\[(1,02)^{3} \approx 1+0,02\cdot 3\]
Где $\Delta $х = 0,03, n = 5
\[(1,02)^{3} \approx 1,06\]
Где $\Delta $х = 0,005, n =0,5
\[\sqrt{1,005} \approx 1+0,5\cdot 0,005\] \[\sqrt{1,005} \approx 1,0025\]
Пример 1
Приближенно рассчитать увеличение объема цилиндра с высотой H = 40см. и радиусом основания R = 30см при увеличении радиуса основания на 0,5 см.
Решение. Объем цилиндра V при постоянной высоте H и переменном радиусе основания R это функция вида:
Запишем приращение функции:
\ \[\Delta V\approx 2\pi HR\cdot \Delta R\]
Заменим известные величины
\[\Delta V\approx 2\pi \cdot 40\cdot 30\cdot 0,5=1200\pi \approx 3770 см^{3} \]
Пример 2
Прямым измерением найдено, что диаметр круга равен 5,2 см, причем максимальная погрешность измерения составляет 0,01. Найти приближенную относительную и процентную погрешности в вычисленной площади этого круга.
Относительная погрешность вычисления площади находится по формуле:
\[\delta _{s} =\frac{\Delta s}{s} \]
Приближенное значение получается в следствие замены $\Delta $s на ds. Поэтому приближенный расчет будет производиться по формуле:
\[\delta _{s} =\frac{ds}{s} \]
Поскольку площадь круга с радиусом х равна:
\ \
Таким образом,
\[\delta _{s} =\frac{\frac{1}{2} \pi xdx}{\frac{1}{4} \pi x^{2} } =2\frac{dx}{x} \]
Заменим х и dx числовыми значениями
\[\delta _{s} =2\frac{0,01}{5,2} \approx 0,004\]
(что составляет погрешность 4%)
23. Понятие дифференциала функции. Свойства. Применение дифференциала в приближенн ых вычислениях .
Понятие дифференциала функции
Пусть функция у=ƒ(х) имеет в точке х отличную от нуля производную.
Тогда, по теореме о связи функции, ее предела и бесконечно малой функции, можно записать у/х=ƒ"(х)+α, где α→0 при ∆х→0, или ∆у=ƒ"(х) ∆х+α ∆х.
Таким образом, приращение функции ∆у представляет собой сумму двух слагаемых ƒ"(х) ∆х и а ∆х, являющихся бесконечно малыми при ∆x→0. При этом первое слагаемое есть бесконечно малая функция одного порядка с ∆х, так кака второе слагаемое есть бесконечно малая функция более высокого порядка, чем ∆х:
Поэтому первое слагаемое ƒ"(х) ∆х называют главной частью приращения функции ∆у.
Дифференциалом функции у=ƒ(х) в точке х называется главная часть ее приращения, равная произведению производной функции на приращение аргумента, и обозначается dу (или dƒ(х)):
dy=ƒ"(х) ∆х. (1)
Дифференциал dу называют также дифференциалом первого порядка. Найдем дифференциал независимой переменной х, т. е. дифференциал функции у=х.
Так как у"=х"=1, то, согласно формуле (1), имеем dy=dx=∆x, т. е. дифференциал независимой переменной равен приращению этой переменной: dх=∆х.
Поэтому формулу (1) можно записать так:
dy=ƒ"(х)dх, (2)
иными словами, дифференциал функции равен произведению производной этой функции на дифференциал независимой переменной.
Из формулы (2) следует равенство dy/dx=ƒ"(х). Теперь обозначение
производной dy/dx можно рассматривать как отношение дифференциалов dy и dх.
Дифференциал обладает следующими основными свойствами.
1. d(с )=0.
2. d(u+w-v)= du+dw-dv.
3. d(uv)=du·v+u·dv.
d(с u)= с d(u).
4. .
5. y = f (z ), , ,
Форма дифференциала инвариантна (неизменна): он всегда равен произведению производной функции на дифференциал аргумента, независимо от того, простым или сложным является аргумент.
Применение дифференциала к приближенным вычислениям
Как уже известно, приращение ∆у функции у=ƒ(х) в точке х можно представить в виде ∆у=ƒ"(х) ∆х+α ∆х, где α→0 при ∆х→0, или ∆у=dy+α ∆х. Отбрасывая бесконечно малую α ∆х более высокого порядка, чем ∆х, получаем приближенное равенство
∆у≈dy, (3)
причем это равенство тем точнее, чем меньше ∆х.
Это равенство позволяет с большой точностью вычислить приближенно приращение любой дифференцируемой функции.
Дифференциал обычно находится значительно проще, чем приращение функции, поэтому формула (3) широко применяется в вычислительной практике.
24. Первообразная функция и неопределенн ый интеграл .
ПОНЯТИЕ ПЕРВООБРАЗНОЙ ФУНКЦИИ И НЕОПРЕДЕЛЕННОГО ИНТЕГРАЛА
Функция F (х ) называется первообразной функцией для данной функции f (х ) (или, короче, первообразной данной функции f (х )) на данном промежутке, если на этом промежутке . Пример . Функция является первообразной функции на всей числовой оси, так как при любом х . Отметим, что вместе с функцией первообразной для является любая функция вида , где С - произвольное постоянное число (это следует из того, что производная постоянной равна нулю). Это свойство имеет место и в общем случае.
Теорема 1 . Если и - две первообразные для функции f (х ) в некотором промежутке, то разность между ними в этом промежутке равна постоянному числу. Из этой теоремы следует, что если известна какая-нибудь первообразная F (х ) данной функции f (х ), то все множество первообразных для f (х ) исчерпывается функциями F (х ) + С . Выражение F (х ) + С , где F (х ) - первообразная функции f (х ) и С - произвольная постоянная, называется неопределенным интегралом от функции f (х ) и обозначается символом , причем f (х ) называется подынтегральной функцией ; - подынтегральным выражением , х - переменной интегрирования ; ∫ - знак неопределенного интеграла . Таким образом, по определению если . Возникает вопрос: для всякой ли функции f (х ) существует первообразная, а значит, и неопределенный интеграл? Теорема 2 . Если функция f (х ) непрерывна на [a ; b ], то на этом отрезке для функции f (х ) существует первообразная . Ниже мы будем говорить о первообразных лишь для непрерывных функций. Поэтому рассматриваемые нами далее в этом параграфе интегралы существуют.
25. Свойства неопределенного и нтеграла. Интеграл ы от основных элементарных функций .
Свойства неопределенного интеграла
В приведенных ниже формулах f и g - функции переменной x , F - первообразная функции f , а, k, C - постоянные величины.
Интегралы элементарных функций
Список интегралов от рациональных функций
(первообразная от нуля есть константа, в любых пределах интегрирования интеграл от нуля равен нулю)
Список интегралов от логарифмических функций
Список интегралов от экспоненциальных функций
Список интегралов от иррациональных функций
(«длинный логарифм»)
список интегралов от тригонометрических функций , список интегралов от обратных тригонометрических функций
26. Метод замен ы переменной , метод интегрирования по частям в неопределенном интеграле .
Метод замены переменной (метод подстановки)
Метод интегрирования подстановкой заключается во введении новой переменной интегрирования (то есть подстановки). При этом заданный интеграл приводится к новому интегралу, который является табличным или к нему сводящимся. Общих методов подбора подстановок не существует. Умение правильно определить подстановку приобретается практикой.
Пусть требуется вычислить интеграл Сделаем подстановку где - функция, имеющая непрерывную производную.
Тогда и на основании свойства инвариантности формулы интегрирования неопределенного интеграла получаем формулу интегрирования подстановкой:
Интегрирование по частям
Интегрирование по частям - применение следующей формулы для интегрирования:
В частности, с помощью n -кратного применения этой формулы находится интеграл
где - многочлен -й степени.
30. Свойства определенного интеграла. Формула Ньютона – Лейбница.
Основные свойства определенного інтеграла
Свойства определенного интеграла
Формула Ньютона – Лейбница.
Пусть функция f (x ) непрерывна на замкнутом интервале [a, b ]. Если F (x ) - первообразная функции f (x ) на[a, b ], то
По аналогии с линеаризацией функции одной переменной можно при приближенном вычислении значений функции нескольких переменных, дифференцируемой в некоторой точке, заменять ее приращение дифференциалом. Таким образом, можно находить приближенное значение функции нескольких (например, двух) переменных по формуле:
Пример.
Вычислить
приближенное значение
.
Рассмотрим функцию
и выберемх
0
=
1,
у
0
=
2. Тогда Δх
=
1,02 – 1 =
0,02; Δу =
1,97
– 2 = -0,03. Найдем
,
Следовательно, учитывая, что f ( 1, 2) = 3, получим:
Дифференцирование сложных функций.
Пусть аргументы функции z = f (x , y ) u и v : x = x (u , v ), y = y (u , v ). Тогда функция f тоже есть функция от u и v . Выясним, как найти ее частные производные по аргументам u и v , не делая непосредственной подстановки
z = f (x(u, v), y(u, v)). При этом будем предполагать, что все рассматриваемые функции имеют частные производные по всем своим аргументам.
Зададим аргументу u приращение Δ u , не изменяя аргумент v . Тогда
Если же задать приращение только аргументу v , получим: . (2.8)
Разделим обе части равенства (2.7) на Δu , а равенства (2.8) – на Δv и перейдем к пределу соответственно при Δu → 0 и Δv → 0. Учтем при этом, что в силу непрерывности функций х и у . Следовательно,
Рассмотрим некоторые частные случаи.
Пусть x = x (t ), y = y (t ). Тогда функция f (x , y ) является фактически функцией одной переменной t , и можно, используя формулы (2.9) и заменяя в них частные производные х и у по u и v на обычные производные по t (разумеется, при условии дифференцируемости функций x (t ) и y (t ) ) , получить выражение для :
(2.10)
Предположим теперь,
что в качестве t
выступает переменная х
,
то есть х
и у
связаны соотношением у
= у (х).
При
этом, как и в предыдущем случае, функция
f
является функцией одной переменной х.
Используя формулу (2.10) при t
=
x
и учитывая,
что
,
получим, что
. (2.11)
Обратим внимание на то, что в этой формуле присутствуют две производные функции f по аргументу х : слева стоит так называемая полная производная , в отличие от частной, стоящей справа.
Примеры.
Тогда из формулы
(2.9) получим:
(В окончательный результат подставляем выражения для х и у как функций u и v ).
Найдем полную производную функции z = sin (x + y ²), где y = cos x .
Инвариантность формы дифференциала.
Воспользовавшись формулами (2.5) и (2.9), выразим полный дифференциал функции z = f (x , y ) , где x = x (u , v ), y = y (u , v ), через дифференциалы переменных u и v :
(2.12)
Следовательно, форма записи дифференциала сохраняется для аргументов u и v такой же, как и для функций этих аргументов х и у , то есть является инвариантной (неизменной).
Неявные функции, условия их существования. Дифференцирование неявных функций. Частные производные и дифференциалы высших порядков, их свойства.
Определение 3.1. Функция у от х , определяемая уравнением
F (x, y) = 0 , (3.1)
называется неявной функцией .
Конечно, далеко не каждое уравнение вида (3.1) определяет у как однозначную (и, тем более, непрерывную) функцию от х . Например, уравнение эллипса
задает у
как двузначную функцию от х
:
для
Условия существования однозначной и непрерывной неявной функции определяются следующей теоремой:
Теорема 3.1 (без доказательства). Пусть:
а) в некоторой окрестности точки (х 0 , у 0 ) уравнение (3.1) определяет у как однозначную функцию от х : y = f (x ) ;
б) при х = х 0 эта функция принимает значение у 0 : f (x 0 ) = y 0 ;
в) функция f (x ) непрерывна.
Найдем при выполнении указанных условий производную функции y = f (x ) по х .
Теорема 3.2.
Пусть
функция у
от х
задается
неявно уравнением (3.1), где функция F
(x
,
y
)
удовлетворяет условиям теоремы 3.1.
Пусть, кроме того,
- непрерывные функции в некоторой областиD
,
содержащей точку (х,у),
координаты
которой удовлетворяют уравнению (3.1),
причем в этой точке
. Тогда функцияу
от х
имеет производную
(3.2)
Пример.
Найдем
,
если
.
Найдем
,
.
Тогда из формулы
(3.2) получаем:
.
Производные и дифференциалы высших порядков.
Частные производные функции z = f (x , y ) являются, в свою очередь, функциями переменных х и у . Следовательно, можно найти их частные производные по этим переменным. Обозначим их так:
Таким образом, получены четыре частные производные 2-го порядка. Каждую из них можно вновь продифференцировать по х и по у и получить восемь частных производных 3-го порядка и т.д. Определим производные высших порядков так:
Определение 3.2. Частной производной n -го порядка функции нескольких переменных называется первая производная от производной (n – 1)-го порядка.
Частные производные
обладают важным свойством: результат
дифференцирования не зависит от порядка
дифференцирования (например,
).
Докажем это утверждение.
Теорема 3.3.
Если функция z
=
f
(x
,
y
)
и ее частные
производные
определены и непрерывны в точкеМ
(х, у)
и в
некоторой ее окрестности, то в этой
точке
(3.3)
Следствие . Указанное свойство справедливо для производных любого порядка и для функций от любого числа переменных.