
- •10.Производная сложной функции нескольких переменных.
- •26. Геом. И экон. Приложения опр. Интеграла. S плоской фигуры. Объем тела вращения
- •27. Несобственные интегралы с бесконечными пределами интегрирования.
- •28. Дифф-е ур-я.
- •2 Метод вариации произвольной постоянной
- •34.Линейные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами.
- •38.Простейшие св-ва сход.Рядов. Необх.Признак сход-ти ряда.
- •39. Интегральный признак сходимости.
- •17. Интегрирование некоторых выражений, содержащих квадратный трехчлен
№1.
Ф-ция нескольких переменных.
Пусть
D(x,y)-некоторое
мн-во точек плоскости xOy.
Если каждой упорядоченной паре чисел
(x,y)
из области D
соответствует определенное число zЄE
R,
то говорят, что z-ф-я
двух переменных x
и y(независимые
переменные).D-обл.
опр.; Е-обл. знач.
частное
значение ф-ции z=f(x,y)
при
,
.
Геометрически обл. опр. ф-ции D
представляет собой конечную или
бесконечную часть пл-сти, ограниченную
линиями, кот. могут принадлежать или
нет этой области.
Пусть
задано пространство
.
Если каждой точке XЄ
по
некоторому закону f
поставлено в соответствие единственное
вещественное число, то говорят, что
задана ф-ция
многих переменных
№2.Предел и непрерывность функции многих переменных.
Число
А наз-ся пределом функции z=f(x,y)
в точке М0(x0,y0),если
для любого ε>0
существует δ(ε)>0,
такое, что для всех точек М(x,y),
стоящих от М0
меньше чем на
δ (ρ(М,М0)<δ),
выполняется
неравенство
.Если А-предел
функции f(x,y)
в точке М0(x0,y0),
то пишут А=lim
f(x,y)=
=lim
f(x,y)
x→x0 M→M0
y→y0
Функция z=f(x,y) называется непрерывной в точке М0(x0,y0), если выполняется равенство
lim f(x,y)=f(x0,y0), или lim ∆z=0.
x→x0 ∆ρ→0
y→y0
Функция непрерывная в каждой точке некоторой области, называется непрерывной в данной области.
Если в точке М(x,y) не выполняется условие непрерывности, то такая точка называется точкой разрыва функции z=f(x,y).Точки разрыва могут образовывать некоторую линию разрыва.
№3. Полное приращение функции z = f (x,y) в точке M0 (x0;y0) – разность
№4. Частные производные функции многих переменных
Опр.1. Пусть в некоторой окрестности точки (x0, y0) ф-ция f(x, y). Фиксируя переменную y (y=y0), получим ф-цию одной переменной x: f(x, y0). Обычная производная этой ф-ции в точке x=x0 называется частной производной ф-ции f(x, y) в точке (x0, y0) по x и обозначается дf(x0, y0)\дx.
Опр.2. Частная производная, полученная дифференцированием по различным переменным, называется смешанной производной.
Теорема. Пусть ф-ция f(x, y) определена вместе со своими частными производными дf / дx, дf / дy, д2 f / дxдy и д2 f / дyдx в некоторой окрестности точки (x0, y0), причём смешанные производные непрерывны в этой точке, тогда они равны, т.е.
д2 f\дxдy= д2 f\ дyдx.
№5 Дифференцируемость функции многих переменных определение и условия дифференцируемости.
Пусть функция z=f(x,y) определена на некоторой δ-окрестности точки Мо(х0, у0) и пусть точка М(х,у) принадлежит этой окрестности.
Пусть Δх = х-х0, Δу=у-у0, тогда:
ρ=ρ(М,Мо)=
<δ,
Δz=f(x0+Δx, y0+Δy) – f(x0,y0).
Обычно Δz называют полным приращением функции.
Функция
z=f(x,y)
наз-ся
дифференцируемой в точке Мо(х0,у0),
если сущ числа А и В такие, что Δz=
АּΔх
+ ВּΔу
+ α
(Δх,
Δу),
где α
(Δх,
Δу)
= ε(Δx,
Δy)ρ,
ρ
0,
α
– бесконечно
малая.
Достаточное
условие дифференцируемости.
Пусть
функция Z=f(x,y)
в
некоторой окрестности точки Мо (хо, уо)
, имеет частные производные в этой точке
,
,
которые
непрерывны в самой точке Мо (хо, уо) ,
тогда функция
Z=f(x,y)
дифференциируема в этой точке.
Функция, имеющая в некоторой точке непрерывные частные производные, называется непрерывно дифференциируемой в этой точке.
Дифференциируемость сложной функции
Пусть функции x(t), g(t) одной переменной t дифференциируемы в точке to и пусть х0=х(to), уо=у(tо). Если функция z=f(x(t)) дифференциируема в точке Мо(хо,уо), то сложная функция z=f(x(t),y(t)) определена в некоторой окрестности точки t0, имеет в этой точке производную и эта производная вычисляется по формуле:
№6. Полный дифференциал ф-ции неск. переменных
Пусть дана функция z=f(x,y): D→R, DєR2, M0єD. Тогда для этой ф-ции справедливо: Δz=∂z/ ∂x(M0) Δx + ∂z/ ∂y(M0) Δy+α(Δx, Δy) Δx+ β(Δx, Δy) Δy
Опр. Главная линейная часть приращения ф-ции (относительно Δx, Δy) наз. полным дифференциалом этой ф-ции в т. M0. Обозначается dz.
dz=∂z/ ∂x│ M0* Δx+ ∂z/ ∂y│ M0* Δy, вместо Δx, Δy применяют dx и dy.
Полный дифференциал можно использовать для приближенных вычислений значений функции.
∆z=f(M)-F(M0)
∆z≈dz
f(x0+∆x, y0+∆y) ≈f(x0, y0)+ ∂z(x0, y0)/ ∂x * Δx +∂z(x0, y0)/ ∂y* Δy
№7-8. Экстремумы функций многих переменных
Пусть функция z=f(x,y) определена в некоторой δ-окрестности точки М0(х0,у0).Тогда функция z=f(x,y)имеет в точке М0 максимум(минимум), если для всех точек этой окрестности выполняется неравенство f(x0,y0)>f(x,y) (f(x0,y0)<f(x,y)).
Теорема. Необходимое условие экстремума.
Пусть функция z=f(x,y) имеет экстремум в точке М0(х0,у0). Тогда если в этой точке существуют конечные частные производные первого порядка, то они равны нулю.
Критические точки (подозрительные на экстремум) – те точки, в к-рых все частные производные первого порядка равны нулю.
Теорема. Достаточные условия экстремума.
Пусть ф-ция z=f(x,y) дифференцируема в точке М0(х0,у0),
∂f(x0,y0) ∂f(x0,y0)
причем ∂x =0 и ∂y =0, и имеет в ней и в некоторой ее δ-окрестности частные производные второго порядка:
∂2z ∂2z ∂2z
∂x2=A, ∂x∂y= B, ∂y2=C.
Тогда если определитель второго порядка
│А В│
∆=│В С│=АС-В2>0,
то в точке М0(х0,у0) функция z=f(x,y) имеет экстремум, причем если A<0, - максимум, а если А>0, - минимум. В случае AC-B2=0 требуются дополнительные исследования.
Для нахождения наибольшего и наименьшего значений функции двух переменных в заданной области в дополнение к заданным точкам экстремума находят ее значения на границе области.
№8 Достаточное условие экстремума функции двух переменных.
Пусть функция z=f(x,y) дифференцируется в точке М0(x0,y0), причем (∂f(x0,y0)/∂x)=0 и (∂f(x0,y0)/∂х)=0,
и имеет в ней и в некоторой ее δ-окрестности частные производные второго порядка:
(∂^2z/∂x^2)=A, (∂^2z/∂x∂y)=B, ∂^2z/∂y^2=C.
Тогда если определитель второго порядка
▲=│A B│
│B C│=AC-B^2>0,
то в точке M0(x0, y0) функция z=f(x,y) имеет экстремум, причем если А< 0, - максимум, а если А> 0, -
минимум. В случае АС-В^2 < 0 функция z = f(x,y) экстремума не имеет. В случае требуются дополнительные исследования.
Пример Найти экстремум функции z=2x^2+y^2-4x+8y-7
Находим:
(∂z/∂x)=4x-4, (∂z/∂y)=2y+8.
Критической точкой является точка с координатами 1, -4.
Вычисляем величины А, В и С.
A=(∂^2z/∂x^2)=4, B=(∂^2z/∂x∂y)=0, C=(∂^2y/∂y^2)=2
Составляем определитель и вычисляем его значение:
∆=│4 0│
│0 2│=δ>0.
Так как ∆>0 и А >0,то (1, -4) – точка минимума и zmin = 2+16-4-32-7=-25
Для нахождения наибольшего и наименьшего значений функции двух переменных в заданной
области( как и в случае одной переменной) в дополнение к заданным точкам экстремума находят ее значения на границе области.
Так, если граница области задана уравн. y=φ(x), то находят наименьшее и наибольшее значения функции
z=f(x,φ(x)).Затем из всех найденных функций выбирают наибольшее и наименьшее.
№9. Наибольшее и наименьшее значение непрерывной функции в замкнутой области.
Z=f(x;y):D→R, D€R2
D-замкнутая область-область, содержащая все свои предельные точки.
Z=f(x:y), f-дифференцируема в D.
Найти стационарные точки.
Найти наибольшее и наименьшее значения функции на граничной области.
Сравнить все значения и выбрать среди них наибольшее и наименьшее значение.
10.Производная сложной функции нескольких переменных.
Пусть z=f(x,y) – функция двух переменных. Если зафиксировать один из аргументов, например, взять y=y0, то получим функцию одной переменной z=f(x,y0).
Частной производной функции z=f(x,y) в точке (x0,y0) по переменной x называется производная функции z=f(x,y0) в точке x=x0. Частная производная обозначается:
Дифференциалом функции z=f(x,y) называется выражение:
№11. Понятие об эмпирических формулах. Подбор параметров по способу наименьших квадратов. Выравнивание по прямой.
Эмпирическая формула-это формула, полученная на основании экспериментальных данных. Она приближённо заменяет табличную так, чтобы её значения мало отличались от экспериментальных данных.
Два этапа построения эмп. формулы:
1.подбор вида этой форм., зависящей от параметров,
2определение по некоторому критерию её параметров.
Попытаемся провести такую прямую, чтобы суммы квадратов отклонений были минимальны
∑Vi→min
Этот же вопрос решим аналитически. Допустим, что значения точно удовлетворяют формуле y=ax+b, т.е. y1=ax1+b, …,
yn=axn+b.Вычтем из каждого равенства предыдущее:
y2-y1=a(x2-x1),…,yn-yn-1=a(xn-xn-1)
y2-y1/ x2-x1=а=Δ1,…,
yn-yn-1/ xn-xn-1=а=∆n-1.
∆-первая разделённая разность
Теорема: прямая y=ax+b проходит через точки (хi,yi) тогда и только тогда, когда
∆1=∆2=…=∆n-1=a.
Перейдём к нахождению параметров лин. формулы.В рез-те подстановки значений в y=ax+b должны появиться отклонения≠нулю.
ax1+b- y1=v1,…, axn+b- yn=vn
Найдем значения при кот. сумма квадр min
z(a,b)=(ax1+b- y1)2+…+(axn+b- yn)2. Найдём наим значение этой функции.
∂z/∂a=2(ax1+b- y1) x1+...+2 (axn+b- yn)
∂z/∂b=2(ax1+b- y1)+…+ (axn+b- yn). Приравняем частные производные к 0 и составим сист.
Для решения достаточно, чтобы определитель из коэффициентов неизвестных ≠0.
П
окажем,
что найденные значения параметров из
системы дают минимум функции. Найдём
произв 2 порядка.
А
=∂2z/∂a2=2
В=∂2z/∂b2=2n
C=∂2z/∂a∂b=2
Выражение АВ-С>0 и А>0, тогда функция имеет ед точку минимума, а это и будет наим значение.
№14. Основные свойства неопределенного интеграла:
1.
d(
)=f(x)dx;
2.
=F(x)+C;
3.
=
;
4.
=a
(a
0);
5.
(
)=f(x).
Таблица основных интегралов:
(a -1);
(x 0);
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
№15.Замена переменной в неопр.интеграле. Инт-е по частям.
1)Пусть
функция
определена
и дифференцируема на множестве
,
и пусть
обозначает
множество значений этой функции.Тогда
если для функции
существует
на множестве
первообразная
функция
,
т.е.
,
то на множестве
для
функции
существует первообразная, равная
,
т.е:
2)Если
функции
и
дифференцируемы
на множестве
,и
кроме того, на этом множестве существует
интеграл
,то
на нем существует интеграл
,причем:
=
-
Док-во:
№16.Интегрирование рациональных функций.
Интегрирование рациональной функции после выделения целой части сводится к интегрированию правильной рациональной дроби P(x)/Q(x), причём степень числителя P(x) ниже степени знаменателя Q(x). Решается данная задача с помощью метода неопределённых коэффициентов. Если знаменатель правильной рациональной дроби раскладывается на множители:Q(x) = (x-a)a (x-b)b (x2+px+q)y…(x2+kx+r)z, где корни трёхчленов комплексные, то правильная дробь раскладывается на сумму простых дробей:
P(x)/Q(x) = A1/ (x-a)+A2/ (x-a)2+…+Aa /(x-a)a+B1/(x-b)+B2/ (x-b)2+…+Bb/ (x-b)b+…+(M1x+N1)/ (x2+px+q)+ (M2x+N2)/ (x2+px+q)2+…+(Myx+Ny)/ (x2+px+q)y+…+(C1x+D1)/ (x2+kx+r)+(C2x+D2)+ …+(Сzx+Dz)/ (x2+kx+q)z ,
(a, b, …, z принадлежат N). Для вычисления неопределённых коэффициентов A1, A2,…, обе части равенства умножением его на знаменатель приводят к целому виду, а затем приравнивают коэффициенты при одинаковых степенях x. Можно также определять эти коэффициенты, полагая в равенстве x равным числам, подобранным соответствующим образом. P(x) и Q(x) – многочлены
№18.Интегрирование выражений, содержащих тригонометрические функции.
1) Интегр. вида ∫sin ax cos bx dx, ∫cos ax cos bx dx, ∫sin ax sin bx dx, где a ≠b, находятся с пом. формул:
sin ax cos bx = ½ (sin(a-b)x + sin (a+b)x)
cos ax cos bx = ½ (cos(a-b)x + cos(a+b)x)
sin ax sin bx=½ (cos(a-b)x - cos(a+b)x)
2) Интегр. вида I = ∫R(sin x, cos x)dx, где R – рациональная функция, приводящая к интегрированию рациональных функций с помощью подстановки tg(x/2)=t,
x=2arctg t
dx = 2 dt/(t2 +1)
sin x= 2 tg (x/2)/ (1+tg2(x/2)) = 2t/(1+t2)
cos x = (1-tg2(x/2))/ (1+tg2(x/2))= (1-t2)/ (1+t2)
Т.к. I = ∫R(2t / (1+t2), то (1-t2) / (1+t2)) 2dt / (1+t2)
Эта подстановка является универсальной для интегралов этого типа.
3) Интегралы вида I = ∫sinmx cosnx dx, где m и n – целые (не обязательно положительные) числа, если
1) n – целое, нечетное, >0, то заменяем sin x = t;
2) m - целое, нечетное, >0, то заменяем cos x = t;
3) m + n - четное, то заменяем tg x = t.
№20. Интегр. сумма и определение опред. интеграла.
Пусть
на отрезке [a;b]
определена некот. ф-ция f(x).
Зададим разбиение {
}отрезка
[a;b],
:
=
,
такие, что
.
Отрезки [
]
наз. частичными
отрезками. Число
,
где
,
наз. диаметром
разбиения.
На каждом частичном отрезке выберем
произвольные точки
.
По данному разбиению {
}
строим сумму
,
к-я наз. интегральной суммой или суммой Римана.
Число
А наз. пределом
интегральных сумм
,
если для любого ξ>0
существует такое δ=
δ(ξ)>0, что
для любого разбиения {
},
мелкость к-го d<
ξ, и при любом выборе
выполняется неравенство
Предел
интегральных сумм обозначают
Ф-я f(x) наз. интегрируемой на отрезке [a;b], если для данной ф-ции на указанном отрезке сущ-т предел А ее интегральных сумм σ.
Число
А наз. определенным
интегралом от
функции f(x)
на отрезке [a;b]
и обозначается
.
№21. Геометрический смысл определенного интеграла.
Если непрерывная кривая задана в прямоугольных координатах уравнением y=f(x) (f(x)≥0), то площадь криволинейной трапеции, ограниченной этой кривой, двумя прямыми x=a и x=b и отрезком оси абсцисс a≤x≤b, опр-ся формулой
Объемы тел, образованных вращением криволинейной трапеции, ограниченной кривой y=f(x), осью OX и двумя прямыми x=a и x=b вокруг оси OX, выражается формулой
Под длиной дуги понимается предел, к которому стремится длина ломаной дуги, вписанной в эту дугу, когда число звеньев ломаной возрастает неограниченно, а длина наибольшего звена стремиться к 0. В этом случае кривая называется спрямляемой.
№22.Св-ва определенных интегралов:
ba∫c*f(x)dx=c* ab∫f(x)dx.
ba ∫(f1(x)+f2(x))dx= ba ∫f1(x)dx+ ba ∫f2(x)dx.
ba∫f(x)dx=- a b∫f(x)dx.
ba∫f(x)dx=ca∫f(x)dx+ bc∫f(x)dx.
ba∫f(x)dx=f(c)*(b-a).
f(x)>=0 на [a;b], то ba∫f(x)dx>=0.
f1(x)=<f2(x) при х€[a;b], ba ∫f1(x)=< ba ∫f2(x)dx.
m(b-a)=< ba ∫f(x)dx=<M(b-a)
- ba ∫│f(x)│=<dx ba ∫f(x)dx=< ba ∫│f(x)│dx.
№23 Терема о интегрируемости непрерывных функций и кусочно-непрерывных функций (без доказательства).
Если функция f(x) интегрируема на отрезке [a,b], то она ограничена на этом отрезке
Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a,b], то она интегрируема на этом отрезке.
Если функция f(x) определена и монотонна на отрезке [a,b], то она интегрируема на этом отрезке
Если функция f(x) отграничена на отрезке [a,b] и непрерывна во всех точках этого отрезка, кроме конечного числа точек ck (k = 1,m) в которых функция имеет разрыв 1 рода, то эта функция интегрируема на отрезке [a,b].
Если интегрируемую функцию изменить в конечном числе точек, то получим интегрируемую функцию с тем же интегралом.
№ 24. Формула Ньютона-Лейбница.
Если функция F(x) – какая- либо первообразная от непрерывной функции f(x), то
)
= F(x)
.
№25. Замена переменной и интегрирование по частям в определенном интеграле.
Теорема. Если φ:[α,β]→[a,b] − непрерывно дифференцируемое отображение отрезка α ≤ t ≤ β в отрезок a≤x≤b, такое, что φ(α)=a и φ(β)=b, то при любой непрерывной на отрезке [a,b] функции f(x) функция f(φ(t))φ'(t) непрерывна на отрезке [a,b] и справедливо равенство
Если функции u(x) и v(x) имеют непрерывные производные на отрезке [a,b], то справедлива следующая формула интегрирования по частям: