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

книги из ГПНТБ / Итенберг С.И. Дифференциальное и интегральное исчисление функций одной переменной учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
23.10.2023
Размер:
6.11 Mб
Скачать

[а;

Если функция y-=f{x)

дифференцируема

на замкнутом

интервале

Ь], то в граничных точках этого

интервала

предполагается

наличие

к о н е ч н ы х о д н о с т о р о н н и х

п р о и з в о д н ы х — правосторон­

ней

в точке а и левосторонней

в точке

'6. Это

значит, что должно быть

гарантировано существование соответственно следующих двух конечных пределов:

И ш

f(a + Ax)-f(a)

и Н ш

/ ( 6 + Д х ) - / ( 6 ) a

Д я > 0

Д *

Ах<0

Ах

Дх-^О

 

Д*-*0

Если функция у = / (х) дифференцируема на некотором проме­ жутке, то ее графиком на этом промежутке будет сплошная линия, без точек возврата и угловых точек. Такую линию будем называть г л а д к о й . -

1.6. ДИФФЕРЕНЦИАЛ ФУНКЦИИ

Пусть функция у = f (х) дифференцируема в точке х. Тогда при­ ращение функции в этой точке можно представить в форме

 

 

Ay = f

(х) Ах +

аАх,

где а ->-

О при Ад; -> 0.

 

 

Первое слагаемое

в правой

части этого равенства, пропорцио­

нальное

величине

Ах, называется

д и ф ф е р е н ц и а л о м

ф у н к ц и и у = f (х) и обозначается

одним из символов: dy или

df (л:).Итак,

 

 

 

dy = f'(x)Ax.

Если f'(x)=£0, то lim ~ ^ - = l i m

(1.7)

Г { х ) А х =f'(x)^0,

откуда

да--.О Ах

дд:-*о

Ах

является

следует, что если f (х) Ф 0, то дифференциал функции dy

при Ах -> 0 бесконечно малой о д н о г о

п о р я д к а с

Ах. Вто­

рое же слагаемое ссДх (как произведение двух бесконечно малых)

является при

Ах -> 0 бесконечно малой б о л е е в ы с о к о г о

п о р я д к а ,

чем Ах.

Подчеркнем таким образом, что дифференциал функции не ра­ вен приращению этой функции — он отличается от приращения функции на бесконечно малую величину более высокого порядка.

Дифференциалом dx независимой переменной х называют при­ ращение Ах этой переменной: dx = Ах. Это согласуется с тем, что для функции у = х, пользуясь формулами (1.7) и (1.5), при п = 1, находим

dy = х'Ах = 1 • Ах, т. е. dx = Ах.

Формулу (1.7) теперь можно переписать так:

 

dy = f'{x)dx,

(1.8)

т. е. дифференциал функции равен произведению производной функ­ ции на дифференциал (приращение) независимой переменной. Из формулы (1.8) находим

10

Таким образом, производную функции можно рассматривать как отношение дифференциала функции к дифференциалу аргу­ мента. Символ — часто применяют для обозначения производной

dx

от функции у по переменной х.

Остановимся теперь на геометрическом смысле дифференциала, для чего рассмотрим график функции у = f {х) (рис. 6). На этом

графике возьмем две точки: М (х, у)

и Мг

(х + Ах; у + Ау) и в

точке М проведем

касательную МТ.

Тогда

будем иметь tg ф =

У

 

 

 

т

 

 

Ми

 

 

/

K

if

 

 

J

 

 

г<-

(

1

 

 

ux=dx

 

 

— н ' /

х

х+йх

 

0

 

 

 

 

Рис. 6

= р (х) и РК = tg ф Ах = Р (х) Ах = dy. Таким образом, диффе­ ренциал dy функции геометрически представляет собой прираще­ ние ординаты касательной к графику функции при переходе от точки с абсциссой х к точке с абсциссой х + Ал:. -

1.7. ПРИМЕНЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛА ФУНКЦИИ К ПРИБЛИЖЕННЫМ ВЫЧИСЛЕНИЯМ

 

Теорема.

Если

функция

у = / (х) дифференцируема

в точке х,

причем Р (х)

 

О, то

при

Ах

->•

О приращение

Ау и

 

дифференциал

dy

функции

являются

эквивалентными

бесконечно

малыми.

 

Д о к а з а т е л ь с т в о .

Так как

функция у

— f (х) диффе­

ренцируема

в точке х, .то в этой

точке

Ay

= f

(х)

Ах + аАх, где

а

0 при Ах

->- 0. Тогда в силу

(1.7) находим

 

 

 

 

 

1-

Д

У

1-

f'(x)Ax-\-a&x

, .

 

(, .

а

1

 

,

 

lim —— = hm ——

-

=-hm

 

 

 

\ = 1,

 

Ах-о

 

dy

Ах

f

(х) Ах

Д х - о

 

I

Р (.х) )

 

 

что и требовалось

доказать.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На этой теореме основано применение дифференциала к при­

ближенным

вычислениям. Известно (там же, стр. 169), что любую

из двух эквивалентных бесконечно малых можно приближенно за-

11

менить другой. Поэтому из последней теоремы вытекает следующее приближенное равенство:

Ay^dy. (1.9)

Абсолютная и относительная погрешности этого равенства мо­ гут быть сделаны сколь угодно малыми при достаточно малом по модулю Ад:. Структура дифференциала обычно значительно проще структуры приращения функции, в силу чего формулой (1.9) ши­ роко пользуются в приближенных вычислениях.

 

 

Пример. Дан куб с ребром

х = 2 м. Вычислить, на сколько

 

возрастет

его

объем, если

его ребро

увеличится на ДА: =

1 см. Объем куба

V =

х3.

 

 

Т о ч н о е

р е ш е н и е .

AV =

+

Дд:)3 х3 = 3*2 Дх +

Ъх (Дх)2 +

+

(ДА:)3 = 3-23 -0,01 + 3-2

(0,01)2 +

(0,01)3 = 0,120601 ж3 .

 

 

 

 

 

П р и б л и ж е н н о е

р е ш е н и е .

Используя формулы

(1.9),

(1.7)

и

(1.5), находим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AV к dV = V'Ax = Зх2Дл; = 3-22-0,01 =0,12 м3.

 

 

 

 

 

Абсолютная

погрешность

этого

результата

| dy — Ay \ = 0,000601

м3

относительная

 

\dV-AVl

 

Л 0 0

0 6 0 1 и 0,005 (0.5./Q),

 

погрешность

AV

 

0,120601

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Операции

нахождения

производной и дифференциала

от дан­

ной

функции

называются

д и ф ф е р е н ц и р о в а н и е м

этой

функции. Общее название

обеих операций объясняется

тем, что

с точки зрения техники вычислений они почти не отличаются друг от друга. В силу формулы (1.8) дифференциал функции получается простым умножением производной этой функции на dx = Ах. Ниже в этой главе устанавливаются общие правила дифференци­ рования функций, а также вычислены производные от основных элементарных функций. Это позволит при дифференцировании лю­ бой элементарной функции не обращаться каждый раз к определе­ нию производной, что значительно уменьшит объем вычислительной работы.

1.8. ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ ПОСТОЯННОЙ ФУНКЦИИ

Рассмотрим

постоянную

функцию у = С — const. Для любого

Ах будет Ау =

0, так что у'

= l i m

- ^ - = lim —^- = 0. Итак,

 

 

Д.х-»0

Ах Дд:-.о

Ах

и

 

С' = 0

(1.10)

dC = C'dx = 0.

(1.11)

 

Следовательно,

производная

и дифференциал

постоянной функции

равны нулю.

 

 

 

 

1.9. ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ АЛГЕБРАИЧЕСКОЙ СУММЫ ФУНКЦИИ

Теорема. Если функции и = ф (х) и v = g [х)

дифференцируемы

в точке х, то в этой точке

 

(и ± v)' = и' ± v'.

(1.12)

12

Д о к а з а т е л ь с т в о . Обозначим у = и ± v. Придадим х приращение Ах, в результате чего функции и, v, у получат соот­ ветственно приращения Aw, Av, Ay, причем

Ау = [(и + Аи) ± (v + Av)] — [u ± v] = Аи ±

Av.

Пользуясь

этим,

находим

 

 

 

 

 

 

 

i

1-

Ау

,.

Дц

.

Av

,

,

,

у = lim —— = hm —

± hm —

= и

±

и.

 

дж

Ах

дл- о

Ах

ддг Ах

 

 

Подставив

сюда

у =

и +

v,

получаем

формулу

(1.12). Умно­

жив равенство

(1.12) почленно

на dx,

получим

 

 

 

 

d(u±v)

 

= du + dv.

 

 

(1.13)

Формулы (1.12)- и (1.13) легко обобщаются на случай любого числа слагаемых. Итак, производная {дифференциал) алгебраической суммы функций-равна алгебраической сумме производных (дифференциалов) слагаемых.

1.10. ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ ПРОИЗВЕДЕНИЯ ФУНКЦИИ

Теорема.

Если функции и = ср (х) и v = g (х)

дифференцируемы,

в точке х,

то в этой точке

 

 

(uv)' = u'v + uv'.

(1.14)

Д о к а з а т е л ь с т в о . Обозначим у = uv. Придадим х при­ ращение Ах, и пусть Аи, Av, Ay будут приращения соответственно функций и, v, у, вызванные приращением Ах аргумента. Имеем

Ау = [(и + Аи) (v + Av) ] — uv = vAu + uAv + AuAv.

Учитывая, что и и v —• начальные значения функций, не зави­ сящие от приращения Ал; аргумента, находим

,

,.

Ау

,.

у

= n m — — — vhm

 

Ax-rO

Ax

Ax-0

Аи ,

,.

 

j - uhm

Ax

Д . 1 - 0

Av

.

,.

Аи

,.

д

Av.

 

 

|-hm

— - l i m

 

Ax

 

Ax-rO

Ax

Д х - 0

 

 

Функция v = g (x) в рассматриваемой точке по условию диф­

ференцируема, а значит, и непрерывна (см.

§ 1.4),

следовательно,

Игл До = 0 и предыдущее равенство дает у'

— vu'

+ uv' - j - и' -0.

д*-о

(1.14).

 

Подставив сюда у = uv, придем к формуле

 

Для случая трех сомножителей, применяя формулу (1.14), на­ ходим:

(uvw)' = [(uv) w]' — (uv)' w + (uv) w' = (u'v + uv') w + + uvw' = u'vw + uv'w + uvw'.

Аналогичное правило справедливо при дифференцировании произведения любого числа сомножителей.

Умножив равенство (1.14) почленно на dx, получим

d(uv)=vdu + udv.

(1-15)

13

С л е д с т в и е . .Постоянный множитель можно выносить за знаки производной и дифференциала: таким образом, если С = = const, то

 

(Си)'

= Си',

 

 

(1.16)

 

d{Cu)

= Cdu.

 

(1.17)

Формулы (1.16) и (1.17)

получаются

сразу из формул (1.14)

и (1.15), если положить в них v = С и воспользоваться

формулами

(1.10) и (1.11).

 

 

 

 

 

 

1.11. ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ ЧАСТНОГО

 

Теорема. Если

функции

и =

ф (х)

и

v = g (х)

дифференци­

руемы в точке х,

причем в этой

точке

v Ф 0, то

 

Д о к а з а т е л ь с т в о . Обозначим у =

. Пусть, по-преж­

нему, Аи, Av, Ау— приращения функций и, v, у, вызванные при­ ращением Ах аргумента х. Тогда

Ay-

и -4- Аи

 

и

vAu—

uAv

 

v + Av

v

 

v2 +

vAv

 

 

А и

 

Av

 

v lim

 

 

и lim

 

y' — lim y

A*-o

A *

 

A*-*o A*

_ v u '

дл:-.о Дх

o H ^ I ' i n

 

u v '

v2-\-v-Q

Ax-0

ибо, как было отмечено в предыдущем параграфе, lim Av — 0.

Ax~0

Подставив сюда у — -^-, придем к формуле (1.18). Умножив это

равенство почленно на dx, получим

 

rf(-f) = v d » - u d v .

(1.19)

Примеры.

1- у = 5л:*; у' = (5х*)' = 5 4)' = 5-4л:3- — 20х3. Использованы пра­ вило (1.16) и формула (1.5).

2.

у =—

;

у' =

\-

=

г)

=

2х = х.

 

2

Ах +

\ 2 J

2

 

2

 

3.

£/.= бл;3

5;

г/' =

(б*3 )'

— (4л:)' +

5' == 6 (л:9)'' — .4 (*') + 0 =

= 6-Зл:2 — 4 1 =

18л:2

— 4. Использованы правила (1.12) и (1.16) и формулы

(1.5) и

(1.10).

 

 

 

 

 

 

 

 

4- y = i k + 6 x - u

 

" ' " ( w ) ,

+ ( W

' - 1 , = w M ' +

+ 6 ( 4 ' - 0 = - ^ Л : 3 + 6 = 2К2"-Л:3 + 6.

 

 

14

5. у =

х3

(4х2 — 3);

у'

=

3 )' (4х2 — 3) + х3 (4ха — 3)' =

Зх2 (4х2

— 3) +

х 3 - 8х

=

20х* — 9ха . Использованы

правила (1.14),

(1.12) и (1.16).

6.

у =

а +

4) (1 — 2х);

(/' = (*а + 4 ) '

(1 — 2х) +

2 +

4) (1 —

— 2*)' =

2х-(1 — 2х) +

2

+

4) (— 2) =

— 6х а

+ 2х — 8.

 

 

7

и

= х 1 ± 1 .

 

,

(*' +

 

З Г * 2 - ( * 4

+

3)(х 2 Г

 

 

 

 

 

 

 

х 2

 

 

 

 

 

2 )2

 

 

 

 

 

 

4 x s x 2 — ( х * + 3)2х-

6

—6

т .

 

 

 

.. , о ч

 

, 0 ,

 

v

х*

' — =

 

 

. Использованы правила

(1.18)

и (1.12).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

4 х а — 1

 

, _

(4ха — 1)' (4х2

+ 1) — (4х2 — 1) (4х2 +

\)' _

'

У

~

4х*+1

'

У

~

 

 

 

( 4 х 2 +

I ) 2

 

 

 

_ 8х (4х2 +

1) — (4х2 — 1) 8х

=

16х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 4 х 2 + 1 ) 2

 

 

 

 

~ ( 4 х 2 + 1 ) 2 '

 

 

 

 

 

9.

i/ =

x6

— 2х;

dy= 6 — 2x)'dx =

{5xi

2)dx.

 

 

 

10.

у =

 

 

;

dy=

 

 

 

dx=

 

dx.

 

 

 

 

 

 

х 2 — 1

 

U 2 — 1/

( x 2 — l ) 2

 

 

 

1.12.ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ

 

Возьмем функцию у =

 

sin х.

Аргументу х

придадим прираще­

 

ние Ах, в результате чего функция получит

приращение

 

Ay — s'm(x-\- Ах)—sin х = 2 sin

 

 

cos ^

+ ~ -

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. Дх

cos

/

 

.

Дх

 

 

 

 

 

 

 

2 sin

 

х 4-

 

 

 

у' = lim —— = lim

 

 

Дх

 

 

 

 

 

 

 

 

Д д - О

Дх

Дл: - 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

„ Дх

 

/

, Дх \

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-

2

2

cos

1х -)

2 /

 

,.

/

 

.

Дх \

 

i

 

 

V

 

 

 

= cosx.

= h m

 

 

1

 

 

— =

lim cos\x-\

 

 

 

Д д : - 0

 

 

Дх

 

 

 

Длг - 0

\

 

 

 

2

J

 

При вычислении этого предела мы воспользовались эквивалент­

 

ностью синуса бесконечно малой дуги самой дуге (там же, стр. 171).

 

Итак,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(sin х)' = cos х.

 

 

 

 

(1.20)

 

Аналогично

можно

получить

формулу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(cosx') = —sin х.

 

 

 

 

(1-21)

Используя правило (1.18), находим

у/ sinx у (sin х)' cos х sin х (cos х)'

(igx) •

cos x J

C osa x

 

cos2 x + sin2 x

1

 

sin2 x

cos2 x

15

1. у = 5А:3 2 tg х; у' = (5х3 )' — (2 tg х)' = 15л:2 -
Итак,
аналогично
Примеры.

1

(tg*)' = — — = sec2A:.

можно получить

(ctg х') = — - cosec3 х. sin2 *:

о

(1.22)

(1.23)

2.

г/= л;2 sin А:;

у' =

(л:2)' sin л: +

_

cos л:

,

(COSX)'A: —

3.у = : у' = —

X

Х 2

 

cos2 л:

л:2 (sin х)' =

sin х -4- A:2 COS х.

cos А: (л:)'

л; sin А: + cos х

——=

!

 

Х 2

4. у — 5 sin х; йу = (5 sin х)' dx = 5 cos xdx.

1.13. ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ ЛОГАРИФМИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ

Пусть теперь у = \ogax (<з>0; а Ф 1). Приращение этой функ­ ции, соответствующее приращению Ал: аргумента, будет

Ay = log, (х + Ах) -

log0 х = loga Г - Ц ^ = loga f 1 +

 

 

 

 

 

 

х

 

 

=

loga e-ln 1

Ал;

 

(мы воспользовались

здесь

тождеством

loga А = loga е- 1пЛ).

Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л * \

ДА;

 

 

 

1 П

1 + '

А;

 

 

г/' = П т - ^ - = 1°ёае -1™

—^—;

- = loga e-lim —— = 4 " l o S a e -

д* - о ДА;

ДХ-О

 

ДА;

 

Д*-О ДА;

Х

При вычислении этого предела мы заменили бесконечно малую

In (1 + 4^"") эквивалентной

ей бесконечно малой

4 ~

(там же,

( ! + • ¥ • ) «

 

 

 

 

 

стр. 167). Итак

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(loga *)' = 4rloga e.

 

(1-24)

В частности,

при а = е получаем правило дифференцирования

натурального логарифма

 

 

 

 

 

 

 

 

( I n * ) ' = 4 - .

'

(1-25)

Примеры.

 

 

 

 

 

1.

у' =

10 log2

*:

У' = 1 0

1 о 8а е.

 

 

2.

г/ =

A;2 In х\

у'

= (A;2)' In А: + Х2 (In А:)' = 2А; In х + А:2

4 " =

2А; In А: + х.

16

 

 

 

 

 

 

 

1.14. ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ СЛОЖНОЙ ФУНКЦИИ

Пусть сложная функция у аргумента х задана уравнениями

 

 

y = f(u),

I

 

 

(1-26)

 

 

 

I

ч

 

 

 

 

u = q>(x).

)

 

 

 

 

;

Имеет

место

следующая

теорема.

Если

функции

f (и)

и

ср (х)

дифференцируемы

в соответствующих

друг

другу точках

и,

х, то

сложная

функция

у — Дер (х)] тоже дифференцируема

в

точке

х,

причем

 

y'

= f'{u)-u'

 

 

 

(1.27)

или

 

 

 

 

 

dy

dy

 

du

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'

dx

du

dx

 

 

 

 

 

Таким образом, производная от сложной функции у по незави­

симой переменной х равна

производной от

сложной

функции

у

по промежуточному аргументу и, умноженной на производную промежуточного аргумента и по независимой переменной х.

Д о к а з а т е л ь с т в о .

Придадим независимой

переменной х

приращение

Дх; тогда функция

и =

ср (х) получит

приращение

Аи,

что вызовет приращение Ау

функции у = f (и). Так как функ­

ция

у — / (и) по

условию дифференцируема в рассматриваемой

точке и, то ее приращение можно

представить в форме

 

 

 

Ay — f

(и) Аи +

аАи,

 

где а -> 0 при Да

0. Отсюда

 

 

 

 

 

 

 

-.f>{u)

 

+ a*!L.

(1.28)

 

 

 

Ах

 

Ах

Ах

 

 

Функция

и =

ср (х) дифференцируема, а значит,

и непрерывна

в точке х, соответствующей рассмотренной выше точке и, следова­ тельно, lim Аи = 0, а потому и lim а = 0. Перейдя в равенстве

(1.28) к пределу при Ах 0 и учитывая последнее соотношение, придем к равенству (1.27).

Умножив равенство (1.27) почленно на dx, получим следующее

выражение для дифференциала сложной

функции:

dy = f'(u)du.

> (1.29)

Этот же вид дифференциал функции у — / (и) имел бы и в том "случае, если бы переменная и была не промежуточным аргументом, а независимой переменной. В этом состоит так называемое с в о й ­

с т в о и н в а р и а н т н о с т и (неизменяемости)

формы диффе­

ренциала по отношению к аргументу. Здесь только

следует иметь

в виду, что если и — независимая переменная, то du есть ее произ­ вольное приращение, если же и — промежуточный аргумент, т. е. функция, то du есть дифференциал этой функции, т. е. величина, вообще говоря, не совпадающая с ее приращение|ц

 

Гсо. --

. • . • г

2 Заказ № 118)

mr---y - v.

.... w •

ОнСч.едток* СО'. ЭКЗЕМПЛЯР-

 

 

Примеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

у =

(2 +

 

я5 )1 0 -

Положим

у =

и1 »,

и =

2 +

хъ.

По формуле

(1.27)

имеем

у'

=

10u9 u'

=

10 (2 +

хь)я

(2 +

л:5)' =

10

(2 +

*5 )8 -5** = 50*4 X

X

(2

+

х8 ) 9 .

 

 

 

 

 

 

у =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у'

2.

t/ =

sin

5А;.

Положим

sin

и,

 

ы =

5*.

По формуле (1.27)

будет

cos и-и' =

 

cos

5л:-(5*:)' =

5 cos 5л:.

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

г/ =

In (tg

л:).

Положим

у

= In и,

 

и =

tg

х.

Тогда

 

 

 

 

 

У =

1

,

=

1

 

ч ,

= •

 

1

 

1

 

2

 

 

 

 

 

"

— —

(tg х)'

igx

cos2 Л:

sin 2Л:

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

tgx

 

 

 

 

(При известном навыке букву и не пишут, вводя ее лишь мысленно.)

4.

у =

(2 +

3 In хУ;

у' = 4

(2 +

3 In .г)3

(2 + 3 In л:)' =

(2 -f- 3 In л:)3.

5.

у =

cos

(2л:3); у =

— sin

(2л:3)

(2л-3)'

= — 6*2 sin (2л:3).

 

Пусть теперь у как сложная функция от х представлена цепоч­ кой, состоящей не из двух, как в случае (1.26), а из трех дифферен­

цируемых функций: у — f

(и), и

= ф (v), v

=

(х).

Согласно

пра­

вилу

(1.27)

имеем у'

= f

(и)-и',

но в силу

того

же

правила

и' =

= ф'

(v)- v'

= ф' (v)

г|>' (х); итак,

 

 

 

 

 

У'=/'(")Ф'(о)!>'(*)• Коротко можно сказать, что производная сложной функции

равна

произведению производных

от функций,

ее

составляющих.

6.

у =

In sin (2л?). Положим

у=1пи,

и = sin v,

v =

2xs.

Тогда

 

 

у' = —

cos vv'

=

l-

cos

(2Л.-3) (2Л:3)' =

6x2

ctg

(2л?).

 

 

u

 

 

sin (2л.-3)

 

 

 

 

7.

у =

[In (1 +

л-2)]*;

y'

= 4

[In (1 +

л:2 )]3 — —

(1 +

* 2 ) ' =

 

~

 

 

 

• Sx

1 + л:2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +

In3

(1 + JC2).

 

 

 

 

 

 

 

 

X2

 

 

 

 

1.15.ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ СТЕПЕННОЙ ФУНКЦИИ

Пусть у — ха, где а — любое действительное число. Производ­ ную этой функции можно было бы найти, пользуясь ее определе­ нием, однако мы быстрее достигнем цели, применив прием л о г а - р и ф м и ч е с к о г о д и ф ф е р е н ц и р о в а н и я . Этот прием состоит в том, что функцию сначала логарифмируют, а потом уже дифференцируют. Прологарифмируем данную функцию, предпо­ лагая, что x5>0: In у = a In х. Здесь у есть функция от х, в силу чего левая часть этого равенства является сложной функцией от х.

Дифференцируем обе части последнего равенства по х, причем его левую ч-асть дифференцируем как сложную функцию: — у' —

1

1

и

ха

i

=

а

. Отсюда находим у' = а ~-

= а — = аха

. Итак,

 

 

а)'=аха-1.

 

(1.30)

18

Легко показать, что эта формула верна и при х < 0 ,

если только

в этом случае ха

имеет смысл.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выше

[см.'формулу

(1.5)]

формула

(1.30)

была

выведена

для

натурального

показателя

 

а =

п.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

у =

— - f

2 у ^ =

З х _

4 +

 

;

 

у' =

3 (

4х~5)

+

 

 

 

 

2 х 3

 

 

 

 

 

 

 

х*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

1

„ - 1 .

 

..,

 

/

 

,

з

 

 

 

 

2.

 

 

л ..—5"

 

 

„ I

 

1

 

 

)

-

 

 

< / = - ^

 

^ =

 

a - * "

1

;

 

*/'=2

 

 

^ л :

2

 

 

 

 

У х

 

х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- ( - Ь , - 2 ) =

 

 

 

 

 

1

" 1

 

 

 

 

 

 

 

3.

# =

У^е

cos х;

у' =

()/"*)' cos

х +

 

 

 

(cos)' =

—^7= cos д; — Ух

sin

х.

<

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

у х

 

 

 

 

 

4.

у =

Ух2

+

1.

Положим

 

у — Уи,

 

и = хг +

1.

Тогда

у

'

и

2

и'=

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

-

-

 

 

 

 

 

 

 

х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

Х 2

'

+

'

1)

2

 

(ЛГ2

+

'

1)'

= •

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 v

 

 

 

1

 

 

'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

(/ =

(cos

д:)2

. Положим

у =

и

2 ,

 

u =

cos х.

Тогда

у

=

2и~3

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

п .

 

.

 

д

,

 

 

./

 

2 sin

х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X и

=

— 2 (cos

х)

0

(cos

х)

= (cos

Л;)3

 

 

 

 

 

1.16.ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЬНОЙ ФУНКЦИИ

Пусть у — ах ( а > 0 , а Ф 1). Для отыскания производной этой функции снова применим логарифмическое дифференцирование.

Логарифмируем

данную

функцию: In у =

х In а.

Дифференцируя

обе части

этого

равенства по х, находим— -у' =

\-\na, откуда

у'

=

у In а =

ах

In а. Итак,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(а*)'= 0*111 а,

 

 

(1.31)

и

в частности,

при

а =

е,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(e*).' = e*.

 

 

' .

 

Примеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

у =

3* +

2е*;

(/' =

3* In 3 +

2е*.

 

 

 

 

2.

у =

еьх.

Положим у

= е", и =

5л:. Тогда

= eu -u'

= е^-б.

 

0

 

 

/JT

 

,

Ух / , / - у

1

т^1ё

 

 

 

3. у = е

;

 

=

(У ж) = - — ? = - е .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Уд:

 

 

 

2*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ