
- •Производная функции, определение, геометрический смысл и физический смысл. Уравнение касательной и нормали. Таблица производных.
- •Определение производной, её геометрический и физический смысл:
- •Физический смысл производной
- •Геометрический смысл производной
- •Примеры производных некоторых элементарных функций
- •Дифференцируемость функции. Связь дифференцируемости с существованием производной и непрерывностью функции
- •Правила дифференцирования
- •Производные показательной и степенной функций
- •Производные обратных тригонометрических функций
- •Дифференциал функции
- •Геометрический смысл дифференциала
- •Инвариантность формы дифференциала
- •Производные и дифференциалы высших порядков
- •Свойства функций, непрерывных на отрезке
- •Теорема Ролля
- •Геометрический смысл теоремы Ролля
- •Теорема Лагранжа
- •Геометрический смысл теоремы Лагранжа
- •Теорема Коши
- •Правило Лопиталя
- •Исследование поведения функций
- •Асимптоты плоской кривой
- •Монотонность функции
- •Экстремумы функции
- •Выпуклость, вогнутость и точки перегиба графика функции
- •Наибольшее и наименьшее значения функции на отрезке
Геометрический смысл теоремы Ролля
С геометрической точки зрения теорема Ролля означает, что график функции, непрерывной на отрезке [a;b], дифференцируемой на интервале (a;b) и принимающей на концах отрезка равные значения, имеет хотя бы одну точку с координатами (х0 ; f (х0)), где х0Î (a;b), в которой касательная параллельна оси Ox (рис. 7).
Рис. 7
Теорема Лагранжа
Теорема 5 (теорема Лагранжа). Если функция f(x) определена на отрезке [a;b] и выполнены следующие условия:
f(x) непрерывна на отрезке [a;b],
f(x) дифференцируема на интервале (a;b),
то внутри этого отрезка существует хотя бы одна точка х0, в которой выполняется равенство:
f ' (х0) =
.
Доказательство. Рассмотрим вспомогательную функцию F(x) = f(x) + ×x, где = const. Потребуем, что бы для F(x) выполнялось условие F(a) = F(b).
Так как F(a) = f(a) + ×a и F(b) = f(b) + ×b, то получим равенство:
f(a) + ×a = f(b) + ×b.
Отсюда выразим значение :
= – .
При
этом значении
функция F(x)
= f(x)
–
.
Функция F(x) удовлетворяет всем условиям теоремы Ролля:
F(x) непрерывна на отрезке [a;b]:
F(x) дифференцируема на интервале (a;b)
F(a) = F(b).
Следовательно, по теореме Ролля на интервале (a;b) существует хотя бы одна точка х0, в которой выполняется равенство:
F '(х0) = 0.
Найдём F '(x):
F '(x)
= f '(x)
–
.
Поэтому F '(x0) = f '(х0) – = 0, если f '(х0) = .
Теорема доказана.
Геометрический смысл теоремы Лагранжа
С геометрической точки зрения теорема Лагранжа означает, что график функции, непрерывной на отрезке [a;b] и дифференцируемой на интервале (a;b), имеет хотя бы одну точку (х0; f(х0), в которой касательная параллельна секущей, проходящей через точки A(a; f(a)) и B(b; f(b)) (рис. 8)
Рис. 8
Теорема Коши
Теорема 6 (теорема Коши). Если функции f(x) и g(x) определены на отрезке [a;b] и удовлетворяют условиям:
f(x) и g(x) непрерывны на отрезке [a;b];
f(x) и g(x) дифференцируемы на интервале (a;b);
g '(x) 0 при любом x Î (a;b),
то внутри отрезка [a;b] найдётся хотя бы одна точка х0, в которой выполняется равенство:
.
Доказательство аналогично доказательству теоремы 5 (теорема Лагранжа) при вспомогательной функции
F(x) = f(x) + × g(x),
где = const, которую выбирают так, чтобы F(a) = F(b).
Правило Лопиталя
Теорема 7 (правило Лопиталя). Если функции f(x) и g(x) определены в некоторой окрестности точки х0 и в этой окрестности они удовлетворяют условиям:
f(x) и g(x) дифференцируемы в каждой точке за исключением может быть самой точки х0;
g '(x) 0 для любого x из этой окрестности;
или
,
тогда, если существует
конечный или бесконечный, то выполняется
равенство:
=
.
Замечание 1. Правило Лопиталя
используется для раскрытия неопределённостей
типа
или
,
возникающих при вычислении пределов.
Если под знаком предела оказывается
неопределённость другого типа: 0×∞,
,
10, 00 или ∞0, то с помощью
тождественных алгебраических
преобразований такая неопределённость
приводится к
или
и тогда можно применить правило Лопиталя.
Замечание 2. Если к условиям теоремы 7 добавить дифференцируемость функций f '(x) и g'(x) в окрестности точки х0, то при выполнении остальных требований для f '(x) и g'(x) правило Лопиталя можно применить повторно. При этом будет справедливо равенство:
=
=
Пример 1. Вычислить предел:
Пример 2. Вычислить предел:
Пример 3. Вычислить предел:
Пример 4. Вычислить предел:
.
Пример 5. Вычислить предел:
Пример 6. Вычислить предел: