книги из ГПНТБ / Зайцев И.Л. Элементы высшей математики для техникумов учебник
.pdf240 |
Д И Ф Ф Е Р Е Н Ц И А Л |
[ГЛ. X |
|
Множитель при Ах есть производная данной функ ции, а потому последнее равенство можно переписать так:
А у = і/ Ах + (Ах)2. |
(1) |
Сравним изменение величины обоих слагаемых пра вой части равенства (1) с уменьшением Ах. Положив, например, х = 2 и, следовательно, у' — 4, составим сле дующую таблицу значений этих слагаемых:
Ах |
1 |
0 .1 |
0 ,0 1 |
0 , 0 0 1 |
у'Ах |
4 |
0 . 4 |
0 , 0 4 |
0 , 0 0 4 |
( Д * ) ! |
1 |
0 ,0 1 |
0 , 0 0 0 1 |
0 , 0 0 0 0 0 1 |
Как видно из таблицы, слагаемые у'Ах и (Ах)3 уменьшаются с уменьшением Ах, причем первое — про порционально Ах, второе же значительно быстрее.
Покажем, что то же самое справедливо для любой дифференцируемой функции f(x).
Пусть дана функция y = f(x). Ее производная
|
|
|
|
y' — |
lim |
М . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6.x |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Согласно |
|
|
Д х-J-O |
|
|
|
переменной |
|
|
|
|
|||
|
определению |
предела |
|
|
(§ 43) |
|||||||||
имеем: |
|
|
У_ |
у' + |
а, |
|
|
|
|
|||||
|
|
6х = |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где а — бесконечно малая |
величина при |
А х — |
|
|
|
|
||||||||
► О. Отсюда |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
Ах |
|
|
|
|
|
y' |
(2) |
||
. И здесь |
|
|
Ау = у'Ах-\-а Ах. |
слагаемоеа Ах |
|
|
||||||||
при уменьшении- |
|
первое |
|
Ах |
||||||||||
уменьшается |
|
пропорционально |
Ах, |
второе же слагаемое |
||||||||||
а Ах |
уменьшается |
быстрее, так |
как |
отношение |
|
|
= |
|||||||
— -^т — бесконечно |
малая |
величина |
при |
у' ф 0 |
, т. е. по |
|||||||||
У |
|
к |
|
величина |
|
|
— бесконечно |
малая |
||||||
отношению |
у'Ах |
ос |
Ах |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
§ 37] |
|
|
С Р А В Н Е Н И Е |
БЕС К О Н ЕЧ Н О МАЛЫХ В ЕЛ И Ч И Н |
|
|
|
241 |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
у'Ах |
|
|
|
|
||
высшего порядка. ПоэтомуГлавнаявыражениечасть у'Ах приращенияназывают |
|
|||||||||||||||||||||||||
главной частью приращения |
|
|
|
|
|
|
|
y = |
f(x). |
|
|
|
|
|||||||||||||
функции у |
|
f(x) |
|
называетсяфункции |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
О п р е д е л е н и е . |
|
|
|
дифференциалом функции. |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
= |
|
dy. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
функции |
|
y = |
f(х) |
|
принято |
обозна |
|
|||||||||||||
Дифференциал |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
чать символом |
|
|
Таким образом, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Дифференциал |
|
|
dy |
= |
у' Ах. |
|
принимают |
|
|
(3) |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
аргумента |
|
|
равным |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дат, т. е. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
приращению аргумента dx = Ах. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Поэтому равенство (3) можно переписать в следующем |
|
|||||||||||||||||||||||||
виде: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d y = y ' d x , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
дифференциал |
функции |
|
равен |
|
произведению |
про |
|
||||||||||||||||||
т. е. |
|
|
|
(4) |
|
|||||||||||||||||||||
изводной функции на дифференциал .аргумента. |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
Из формулы |
(4) |
следует: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5) |
|
|||||||||
циалуРавенствоаргумента.(5) показывает, что |
производная функции |
|
||||||||||||||||||||||||
есть отношение |
дифференциала |
функции |
к |
дифферен |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
На |
этом основании производную функ- |
|
||||||||||||||||
ции часто выражают в виде |
|
dy |
|
и |
|
|
читают: «дэ игрек |
|
||||||||||||||||||
по дэ |
икс». |
Заменив |
в |
равенстве |
(2) |
|
у'Ах |
символом |
|
dy, |
на |
|||||||||||||||
III. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
пишем: |
|
|
|
|
|
|
Ay — dy + |
aAx. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|||||||
Как |
|
было |
показано |
выше, |
|
а Ах |
— бесконечно |
|
|
( ) |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
малая |
|
|||||||||||||||||||||
высшего |
порядка по отношению |
к |
у'Ах — dy, |
а потому, |
|
|||||||||||||||||||||
отбросив |
в |
равенстве |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
а |
Ах, |
получим: |
|
|
|
||||||||||
( )У слагаемое |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
« |
|
dy. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(7) |
|
|
В |
|
практических |
|
|
|
часто |
|
используют |
|
|
|
|||||||||||||||
|
вопросах |
|
|
форму |
|
|||||||||||||||||||||
лу (7), |
т. е. |
берут |
дифференциал |
|
функции |
вместо |
ее |
|
||||||||||||||||||
приращения, |
делая при |
этом |
незначительную |
ошибку |
|
|||||||||||||||||||||
и тем меньшую, чем меньше |
Ах. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
§ 9S] ГЕО М ЕТР И Ч ЕС К О Е И ЗО Б Р А Ж ЕН И Е Д И Ф Ф ЕРЕН Ц И А Л А 243
тогда ордината ее |
х |
PM — y — f (х). |
|
|
|
|
|||||
Дадим |
аргументуMQ\\Ox. |
приращение |
РР\ = dx |
и |
восставим |
||||||
|
|
Ох, |
|||||||||
в точке |
Р 1 |
перпендикуляр |
Р\МХ |
к оси |
а из точки |
М |
|||||
проведем |
|
Тогда, как известно |
(§ 56), |
|
|
QM, = Ау.
Проведем в точке М касательную к кривой; полученный при этом отрезок QN, равный приращению ординаты
точки М, движущейся по касательной, называется при ращением ординаты касательной. Из прямоугольного треугольника MNQ имеем:
QN = MQtg Z. NMQ.
Но
MQ = РР\ = dx,
а вспомнив геометрический смысл производной (§ 6 6 ), запишем:
Поэтому |
tg Z |
NMQ = |
tg а — y'. |
|
|
97) |
QN - tf dx. |
|
|
||
Согласно (4) (§ |
y' dx = |
dy, |
|
|
|
следовательно, |
|
QN = |
dy. |
|
|
Таким образом, |
если |
в точке Л4 кривой |
y — f(x |
) прове |
|
сти касательную, то |
дифференциал функции |
y — f(x) |
|||
|
|
|
|
244 |
Д И Ф Ф Е Р Е Н Ц И А Л |
ІГЛ. X |
|
в этой точке изобразится приращением ординаты каса тельной, соответствующим приращению ее абсциссы на dx.
- Дифференциал функции в данной точке может быть как меньше приращения ее (рис. 1 1 1 ), так и больше (рис. 1 1 2 ).
dy |
§ 99. Дифференциал второго порядка. Дифференциал |
||||||||||
функции |
у = |
\{х), |
называемый |
первым дифферен |
|||||||
циалом |
или |
дифференциалом первого |
порядка, |
||||||||
|
|
|
|
|
х, |
|
|
|
|
вторымпред |
|
дифференциаломставляет собой также дифференциаломфункцию а потомувторогои |
порядка.от него |
||||||||||
можно найти дифференциал, который называют |
|
||||||||||
|
|
|
|
или |
d(dy) |
|
|
d2y |
|
|
|
В этом |
случае |
пишут |
или короче |
и |
|
читают: |
|||||
«дэ два |
игрек». |
|
дифференциала второго |
|
порядка |
||||||
|
Найдем выражениеX |
|
|||||||||
от функции через ее производную. Для этого продиффе |
|||||||||||
ренцируем по |
|
равенство |
|
|
|
|
|
|
dy — tf dx,
считая dx постоянным множителем (так как dx не за висит от X):
d2y = d (у' dx) = d (у') dx.
d {у') — у')' dx — у" dx. |
|
|
Но согласно формуле (4) § 97 |
|
|
Поэтому |
( |
О) |
d2y = |
у" dx •dx — у" dx2, |
т. е. дифференциал второго порядка равен произведению второй производной функции на квадрат дифференциа ла аргумента.
Из равенства (1) следует
Это дает основание для выражения второй производ ной функции в виде отношения которое читают так: «дэ два игрек по дэ икс квадрат».
§ 100] |
П Р И Л О Ж ЕН И Е Д И Ф Ф ЕРЕН Ц И А Л А |
245 |
|
§ 100. Приложение дифференциала к приближенным вычислениям. Рассмотрим несколько примеров использо
вания |
дифференциала |
в |
приближенных вычислениях, |
||||||||
а) Н а х о ж д е н и е п р и р а щ е н и я ф у н к ц и и . |
|||||||||||
П р и м е р |
1 |
. Найти |
приближенно приращение функ |
||||||||
ции |
у — 2х2 |
-)- 3 при |
X — |
2 и |
Ах |
= 0,001. |
|||||
Р е ш е н и е . |
|
Так как |
|
|
приращение аргумента — вели |
чина малая, то согласно формуле (7) § 97 можем при ращение функции заменить ее дифференциалом.
Дифференциал же данной функции |
|
|
|
||||||||
|
dy |
= |
(2х2 |
+ 3)' |
dx — Ах dx. |
( |
1 |
) |
|||
Заменив |
в равенстве (1) |
х |
и |
dx |
их значениями, |
по |
|||||
лучим: |
dy = |
4 • 2 •0,001 = 0,00 8 . |
|
|
|
Следовательно,
Ау я* 0,008.
Посмотрим, какую ошибку мы делаем, беря диффе ренциал вместо приращения. Для этого найдем точное значение приращения функции (см. пример 1, § 55):
Ау = 4х кх 4- 2 (Ах) 2 =
=4 • 2 ■ 0,001 + 2 (0,001) 2 = 0,008 4 0,000002 = 0,008002.
Сравнивая полученное точное значение Ау с приближен ным, видим, что допущенная ошибка равна 0 ,0 0 0 0 0 2 . Выражая ее в процентах, найдем:
|
0,000002 |
0,00025 |
= 0,025%. |
|
|
|||
|
0,008002 |
|
|
|
|
см. см |
|
|
Ошибка оказалась очень малой. |
R |
= |
был |
нагрет, |
||||
П р и м е р |
2. Шар |
радиуса |
|
20 |
||||
отчего радиус его удлинился на 0,01 |
Насколько уве |
|||||||
личился при этом объем шара? |
|
|
|
по |
формуле |
|||
Р е ш е н и е . |
Объем |
шара |
определяется |
|||||
|
|
V — |
JT/?3. |
|
|
|
|
Каждому значению R по закону, заданному этой формулой, отвечает одно определенное значение ѵ, т. е. V есть функция от R. Следовательно, наша задача
248 |
|
|
ДИФФЕРЕНЦИАЛ |
[ГЛ. X |
||||||||
Поэтому |
|
f (1 |
"Ь о) ^ |
1 + |
|
tia, |
(3) |
|||||
или |
|
(1 “(- сх)” «ä |
1 |
|
|
па. |
||||||
Точно так же можно |
|
вывести равенство |
|
|||||||||
|
|
(1 |
— |
а)п |
я* |
1 |
— |
па. |
(4) |
|||
По формулам (3) и (4) молено быстро найти при- |
||||||||||||
ближенную степень числа,) 2 |
близкого к единице; например: |
|||||||||||
1,0152 = |
(1 + |
O.OIS) 3 |
« |
1 + |
2 •0,015 = |
1,03, |
||||||
0,9883 = |
(1 - |
0,012 |
~ |
1 - |
|
3 • 0,012 = |
0,964. |
3)Выведем формулу для приближенного вычисления
П_______
выражения |
У |
1 4- а, |
|
где |
а |
имеет |
малое значение по |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П |
_______ |
сравнению |
с единицей. |
Для |
этого |
представим |
У |
1-|- а |
||||||||
в виде степени |
|
У і |
|
|
|
(1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
п |
_________ |
|
|
|
+ |
|
_і_ |
|
|
||
Но по формуле |
(3) 1 |
|
+ |
а = |
|
|
а)" . |
|
|
|||||
|
+ o F |
* |
|
1 |
+ |
4 |
-а. |
|
|
|||||
или |
|
|
( |
|
|
|
4 |
|
(5) |
|||||
|
|
У |
|
і + |
а |
« |
1 + |
а- |
|
|||||
Аналогично |
выводится |
формула |
|
|
|
(6 ) |
||||||||
|
|
|
Ѵ г = ^ Г ~ 1 - 4 а. |
|
По формулам (5) и (6 ) можно легко найти прибли женное значение корня из числа, близкого к единице; например:
У ІД )3 = |
/ 1 |
+ 0,03 « |
1 - ф у |
• 0 ,0 3 = |
1,015, |
0Д64 = |
f 1 - |
0,036 « |
1 — у |
• 0,036 - |
- 0,988. |
§ m il |
к р и в и з н а к р и в о й |
249 |
|
|
|
|
Упражнения |
|
|
|
|||
Найтиу = хпервыйѴ х . 2.дифференциалs \ . |
функции: |
|
4. |
f/ = sin2y r;t . |
||||
I. |
= I |
|
t |
3. t/ = |
-|-cos — . |
|
||
|
1 -J- |
|
|
's. |
CD |
|
|
|
5. н = 1 п 2у . |
6. у = \п~\/ |
|
|
7. у = |
arctg — |
|
• |
|
8.Найти дифференциал пути, выраженного уравнением s= 5 / 2, если / — 4 и Af = 0,01.
9.Вычислить приближенно приращение функции у = х ъ—5х2+80 при переходе аргумента от х = 4 к х — 4,001.
10.Сторона квадрата равна 5 см. Найти приближенное прира щение площади его при увеличении его стороны на 0,0! см.
II. Найти приближенное приращение площади круга, если ра диус его изменяется с 50 см на 50,1 см.
12. Сторона |
куба, |
равная |
|
|
1 м, |
удлинилась |
на |
10 см. Насколько |
|||||||||||||||
при этом увеличился объем куба? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
13. |
В прямоугольном параллелепипеде с квадратным основанием |
||||||||||||||||||||||
сторона |
основания равна |
20 |
|
см, |
а |
высота |
равна |
10 |
см. |
Насколько |
|||||||||||||
увеличится его объем, если сторону основания |
удлинить на 0,02 |
см} |
|||||||||||||||||||||
14. |
В конусе радиус основания равен |
15 |
см, |
а |
высота содер |
||||||||||||||||||
жит 20 |
см. |
Насколько |
увеличится его объем, если радиус основания |
||||||||||||||||||||
удлинить на 0,04 |
см |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
? |
R |
|
|
см |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
15. |
Шар |
радиуса |
= |
9 |
был нагрет, |
вследствие |
|
чего объем |
|||||||||||||||
его увеличился |
на 32,4л сиі3. Узнать удлинение радиуса |
шара. |
|
||||||||||||||||||||
16. |
Куб |
|
со |
стороной |
а = |
|
10 |
см |
при |
нагревании |
|
увеличился |
|||||||||||
на 0,06 своего объема. Узнать удлинение ребра куба. |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
17. Объем шара при нагревании увеличился на 0,0024 своей |
|||||||||||||||||||||||
величины. На |
сколько |
процентов |
|
увеличилась |
длина |
его радиуса? |
|||||||||||||||||
18. |
Какой |
процент |
будет |
|
составлять |
ошибка, |
полученная при |
вычислении площади круга, если при измерении радиуса его сде лана ошибка в 1%?
19. Объем куба увеличился на 6% своей величины. На сколько процентов увеличилось при этом его ребро?
Найти приближенное значение следующих функций:
|
20. |
у = |
х 2 + |
х |
|
при х = |
|
3,01. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
у |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
21. |
у — |
ЗУ- + |
|
2 х |
— 1 при |
X |
= |
2,03. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
22. |
у = |
X 3 |
+ |
X 2 |
— |
2х |
при |
|
л: = |
2,01. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
2,1. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
23. |
|
= |
-^- л:3 — 5л:2 + |
X |
— 1 при |
х = |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
у |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
24. |
|
= |
х 3 — 2х + |
1 при |
X — |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
у — |
X 3 — |
|
|
|
|
|
х —0,02. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
25. |
у |
|
|
Х4л:2 + |
1 при |
|
|
|
|
2,03. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
26. |
|
= |
|
|
|
|
|
|
при |
|
X — |
4,2. |
|
|
кривая, |
определяемая |
|||||||
|
§ 101. |
Кривизна |
|
кривой. |
|
Пусть дана |
||||||||||||||||||
уравнением |
у — f(x) |
|
(рис. |
|
113). Возьмем на |
ней две |
точки |
А |
и |
В |
||||||||||||||
и проведем |
в них касательные к кривой. При переходе от точки |
А |
||||||||||||||||||||||
к |
точке |
В |
касательная меняет угол наклона к положительному |
|||||||||||||||||||||
направлению оси |
|
абсцисс |
|
на |
|
некоторую |
величину. Если обозначим |