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

книги из ГПНТБ / Сахарников Н.А. Высшая математика учебник

.pdf
Скачиваний:
98
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
24.22 Mб
Скачать

40. Достаточные условия экстремума. Условимся в следу­ ющем: будем говорить, что «производная меняет, знак плюс на ми­

нус при переходе через точку

ж0», если в некоторой окрестности

точки х 0 выполняются неравенства: /' (х) >- 0 при х <

х 0 и /' (х) < 0

при X > ж 0.

Аналогично, если /' (х) < 0 при х < х 0 и

/' (х))>0

при ж > г 0,

то

производная

меняет знак минус

на

плюс при

переходе через

х 0.

у = / (х) непрерывна

и дифферен­

Теорема

1. Пустъ функция

цируема в некоторой окрестности критической точки х 0 (в самой

точке х 0 производная может не

существовать). Если

при пере­

ходе через точку ж0 производная /'

(х) меняет знак плюс

на минус,

то в

точке х 0 функция имеет максимум. Если же при переходе

через

точку ж0 производная меняет знак минус на плюс, то в точке

х0 функция имеет минимум.

До к а з а т е л ь с т в о . Предположим сначала, что произ­ водная , меняет знак плюс на минус. Рассмотрим значение х, меньшее х а, и напишем формулу конечных приращений (см. п. 34)

для / (х) и промежутка [х, х0]: Ау = /' (с) Ах, где Ах

=

х х 0,

Ау

=

Î (х)

— / (ж0), X -<с О

0. По условию при х < іх0

f

(с) > 0

и

поэтому

Ду

< 0 .

 

 

 

 

Если же X >

х 0, то из аналогичной формулы Лагранжа и усло­

вия /' (ж) < 0 следует, что Ду

< 0 . Итак, в обоих случаях Ау < 0 ,

и

в

соответствии с определением понятия максимума

функция

/ (х)

имеет максимум в точке х 0.

 

 

 

Аналогично доказывается вторая часть теоремы.

 

 

 

Отсюда следует п р а в и л о исследования функции на экстре­

мум с помощью первой производной. Пусть в (а, b) дана функция / (х): 1) находим ее первую производную, 2) находим критические значения, 3) выясняем знак f (х) слева и справа от каждой крити­ ческой точки, 4) выносим суждение об экстремуме в соответствии с теоремой 1, 5) вычисляем значения функции в точках экстремума.

П р и м е р 1. Для исследования на экстремум функции у =

х2/<3 + 5)

находим ее критические значения (см. п. 39): х г =

—2 и х2 =

0. Затем со­

гласно правилу последовательно заполняем строки таблицы

 

X

—оо<[г<('—2

ад = —2

- 2 < ж < 0

ж2 = 0

0 О < < + ° °

у '

+

0

оо

+

УВозрастает Максимум Убывает Минимум Возрастает

Следовательно,

в точке х1 данная функция имеет максимум, а в точке х.г

она имеет минимум,

причем / (я-,) = —3 {^4, / (х2) = 0.

П р и м е р

2.

Дана функция у = х3 — Зж+ 2. Найти промежутки воз­

растания и убывания и точки экстремума. Для этого вычисляем производную у' — 3 1)(х + 1) и находим критические точки хх = —1, х2 = 1. За­ полняем последовательно строки таблицы

 

X

оо<^х<С_—1

 

Х 1 — — 1

- 1

0 <

1

 

*2 = 1

1 < * < + оо

у'

 

+

 

 

 

0

 

 

 

0

 

+

 

У

Возрастает

 

Максимум

Убывает

Минимум

Возрастает

График функции изображен на рис. 27.

 

 

 

 

 

Теорема

2. Пустъ функция / (х) имеет в точке х 0 и ее окрест­

ности непрерывные первую и вторую производные, причем f

(ха) =

= 0,

/" (х 0) ^ 0.

Тогда

1)

функция /

(х)

имеет в точке х 0 мини­

мум,

если

Г (х о)>0;

 

 

(9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) функция / (а:)

имеет в точке х 0

 

 

 

 

 

 

максимум,

если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ " Ы < 0.

 

 

(10)

 

 

 

 

 

 

 

Д о к а з а т е л ь с т в о .

Пусть

 

 

 

 

 

 

 

выполнено

условие (9). По усло­

 

 

 

 

 

 

 

вию /" (ж)

непрерывна

 

в точке х 0,

 

 

 

 

 

 

 

поэтому в

силу

леммы о сохране­

 

 

 

 

 

 

 

нии

знака

функции (см. п. 15) ус­

 

 

 

 

 

 

 

ловие /" (х)

> 0

будет

выполнено

х 0.

В

этой

окрестности

точки

в некоторой

окрестности

точки

х 0 функция

z =

/' (х)

возрастает,

так как

ее

производная

поло­

жительна: z

= /" (х)

> 0 . По условию в

точке х 0 первая про­

изводная равна

нулю. Следовательно,

при переходе через точку

х 0 первая

производная

f

(х) меняет

знак

минус на

плюс,

и по­

этому в силу теоремы 1 функция / (х) имеет в точке х 0 минимум. Аналогично доказывается вторая часть теоремы 2.

Теорема 2, так же как теорема 1, содержит достаточные усло­

вия

экстремума.

 

 

 

 

 

 

П р и м е р

3.

Исследовать

на экстремум

функцию

у = х3 — Зх + 2.

Для этого находим у' =

Зх2—3 и у" = 6х. В точке х1 =

—1 функция имеет

максимум, так как у'

=

0, а у"

0. В точке хг =

1 функция имеет минимум,

так

как у' = 0,

а у" >

0.

 

 

 

Для нахождения наибольшего и наименьшего значений функ­ ции в промежутке la, b] можно поступить так: 1) найти критиче­ ские значения xt, . . ., хп и присоединить к ним точки а и Ъ, 2) вычислить значения функции в каждой из этих точек и выбрать среди этих значений наибольшее и наименьшее. В результате получим искомые значения функции.

41. Задачи на экстремум. З а д а ч а 1. На какой высоте h следует подвесить лампочку, для того чтобы в точке А освещенность была наиболь­

шей (рис. 28)

при условии, что расстояние АС =

а задано?

А равна

Р е ш е н и е .

Как

известно,

освещенность

/ в точке

J = k cos ф/г2. Здесь cos

ф = /г/г, г2

= /г2

+ а2. Следовательно,

величина /

есть функция

h,

определенная в области

h ï s 0:

 

 

kh

/ =

(h2-f- а2)3/г

Надо найти такое значение h, при котором величина / максимальна. Иссле­ дуем функцию на экстремум; найдем ее первую производную

/'=/£■ д2

—2/г2

2к

- f = - h

-h

 

(h2

+ a2Ÿ/z

(Л2 + а2)Ѵ2

 

V2

Ѵ г

 

Производная обращается в нуль в точках

о:

а

из которых

TZ. II іЪп

'■ 1

 

 

 

 

К2

Г 2

 

X

a-2x

Рис. 30.

Р е ш е н и е .

 

только

/ij

может доставить функции

экстремум.

X

П р и 0< /

h < / /гх

имеем

/ '

Г> 0,

 

а

при

h>>

X

/ ' <

0.

Следовательно,

в

точке/г, =

F2

л*0,7а

 

величина /

достигает

максимума.

 

 

 

то /г

70 см.

 

 

Например,

если

а =

100 сдг,

 

 

З а д а ч а

2. Две среды разделены прямой.

 

Известны

скорости

движения

точки в

средах

 

Ѵі и

у2

 

соответственно.

Данные

точки

А и В

 

(рис. 29) находятся в разных

средах на расстоя­

 

ниях а и соответственно

b

от границы раздела.

 

Расстояние между проекциями этих точек на

 

границу

 

раздела дано

А 1В 1 =

d.

Требуется

 

найти

на

границе

сред точку

С такую,

чтобы

 

время движения

из

И

в

С

 

и

далее в В

 

было

бы

наименьшим.

СВ равно

 

 

Время прохождения пути АС +

 

 

1

У a2-j- £2

1

■Ь2

t (х) = ----

_]-------}' (й_ X)2-

Ѵ 1

 

ѵ 2

 

где X — расстояние А\С. Надо найти такое значение х, при котором функция t (х) имеет минимум. Производная

dt

dx

Уа2 - X 2 V2 V(d —x)2 + b2

обращается в нуль при условии--------\

у

сс _

— --------\

. ---------

d_ос

, которое

 

Ѵ1

а 2 ^ х 2

t72

Y ( d — x ) 2 +

Й2

равносильно следующему:

S i n ф і

ѵі

, где углы фх и

фг

указаны

 

sm ф2

у2

 

 

 

t (х)

имеет именно

рнс. 29. Можно доказать, что при этом условии функция

минимум. Итак, для того чтобы время движения из А в В было минималь­ ным, надо точку С выбрать так, чтобы отношение синусов углов ф, и ф2 было равно отношению скоростей щ и ѵг. Именно такой путь выбирает луч света при движении из А в В.

3 а д а ч а 3. Из квадратного листа со стороною а нужно сделать ко­ робку наибольшего объема (причем уголки выбрасываются и швы свари­

ваются, рис. 30).

 

 

 

 

Р е ш е н и е . Объем ѵ ~ 2х)г х, где ж—высота коробки^О <

х <С .

Производная

ѵ' =

а?—8ах +

12ж2 обращается в нуль в точках

хг = а/2

и х2 = а/6. Из них только хг достав­

 

ляет

объему

максимум, потому что

 

при

этом ѵ" =

—4а <С 0.

 

 

 

О т в е т :

х =

а/6.

 

 

42. Выпуклость, вогнутость,

 

точки перегиба.

Пусть

функ­

 

ция / ( X) дифференцируема в

 

промежутке (а, Ъ). Тогда ее гра­

 

фик

имеет касательную

в каж­

 

дой

точке.

 

 

 

 

Кривая называется выпуклой

 

(вогнутой) в промежутке (а, Ъ),

 

если все ее точки лежат ниже

 

(выше) любой ее

касательной в

 

этом промежутке. Говорят, что на участке выпуклости кривая обра­ щена вогнутостью в сторону отрицательных ординат, или вниз (рис. 31). Из этого определения следует, что на участке выпукло­ сти, так же как и на участке вогнутости, касательные к графику функции не пересекаются с самим графиком и имеют с ним каждая свою единственную общую точку — точку касания.

Точки, отделяющие выпуклые части графика функции от его вогнутых частей, называются точками перегиба. Очевидно, что в точке перегиба касательная пересекает график, так как с одной стороны от этой точки кривая лежит под касательной, а с другой—

над

нею.

 

 

Для решения вопроса о направлении вогнутости кривой, задан­

ной

уравнением у = / (х), рассмотрим в

окрестности точки х 0

знак

разности у — У между ординатой

графика функции у =

= f

(х) и ординатой У точки (х, У)

касательной к этому графику

в точке М 0 (х 0, у о). Предположим

существование в этой окрест­

ности второй производной /" (х). Величину У всегда можно пред­

ставить в

виде

У = AB + ВС = / (х0) + f

(х0) (х х 0).

Поэтому разность ординат, преобразованная с помощью фор­

мулы конечных

приращений, будет равна

 

y — Y =

f(x) — f (х0) —/' (х0) (X — х0) = [)' (с) -

/' (agi - ад.

Используя еще раз формулу конечных приращений применительно к функции /' (ж), получим

УY — f (Cj) (z — x0) (с — х0),

где произведение х 0) (с х 0) всегда положительно. Следова­ тельно, знак левой части вполне определяется знаком второй

производной:

если у" )> 0, то у >• Y и кривая вогнута, если

у"

< 0 , то у

<

7 и кривая выпукла. Таким образом, мы пришли

к

следующему

утверждению.

Теорема. Пустъ в промежутке (а, Ъ) функция / (х) имеет вто­ рую производную, которая сохраняет знак. Тогда кривая у — f (х)

 

в

этом

промежутке

выпукла,

 

(вогнута), если в (а, Ъ) выпол­

 

нено условие

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/* (* )< о

[Г(х)>0].

 

(И)

 

 

 

П р и м е р

1.

Кривая

у =

е~х

 

всюду

вогнута,

потому

что

ее

вто­

 

рая

производная

у" =

е~х

всюду

 

положительна.

 

Кривая

у

=

In х

 

 

 

П р и м е р 2.

 

выпукла, потому что у" ~ — 1/а;2 < 0 .

 

 

 

П р и м е р З .

Кривая

у = х3

 

выпукла

при X <

0 н вогнута

при

 

X >

0,

потому

что у" =

6х <С 0 при

 

г < 0 и / > 0

при

X

0.

В точке

 

х0 = 0

вторая

производная

обра­

 

щается в нуль. Точка перегиба имеет

II р и м е р

абсциссу х0 = 0.

 

 

 

 

 

4. Кривая у — х* всюду вогнута в силу определения поня­

тия выпуклости.

Однако в точке хй =

0

вторая производная

обращается

впуль и условие (11) нарушено.

Пр и м е ч а н и е ! . Вторая производная дважды дифференцируемой

функции может обратиться в нуль в отдельных точках промежутка выпук­ лости или вогнутости ее графика (см. пример 4)-

П р и м е ч а н и е 2. Вторая производная дважды дифференцируемой в (о, Ъ) функции не может обратиться тождественно в нуль ни в каком про­ межутке выпуклости или вогнутости графика функции. Действительно, если бы в (а, Ъ) имели /" (х) = 0, то в силу следствия из теоремы Лагранжа /' (х) = к

и / (х) = кх +

Ь. Но график линейной функции — прямая линия, не обла­

дает свойством

выпуклости или вогнутости. Поэтому }" (х) ф 0 в (а, Ь).

Если /" (z) меняет знак при переходе

через точку х 0, то ме­

няет знак и

разность у — Y , и в

точке

ж0 налицо перегиб.

П р и м е р

5. График функции у =

хъ имеет точку перегиба М 0 с аб­

сциссой х0 = 0, потому что при переходе через точку х() = 0 вторая произ­ водная меняет знак минус на плюс.

В точке перегиба вторая производная может не существовать. Это показывает следующий пример.

II р и м е р

6. Функция задана

равенствами у = —а + У аг—ж3 при

—а =+ ж ïg 0, у =

bУ Ь-—ж2 при О

ж =+ 6. Ее график составлен из дуг

окружностей различных радиусов а и 6. Точка ж0 = у 0 = 0 есть точка пере­ гиба. В ней функция непрерывна, имеет первую производную у' — 0, но не имеет второй производной.

43. Асимптоты. Перейдем к изучению бесконечных ветвей графика функции у = / (х), если такие ветви имеются. Бесконеч­ ной ветвью кривой называется такая ее часть, на которой имеются точки, сколь угодно далекие от начала координат. Например, окружность не имеет бесконечной ветви, а парабола имеет две

бесконечных ветви.

 

 

Асимптотой бесконечной ветви кривой называется прямая

расстояние

<5 до которой от точки М кривой стремится к нулю

когда

точка

М

вдоль

этой

ветви

неограниченно удаляется

от

начала

координат.

Если

обозначить

через d (О, М) рас­

стояние от начала координат О

до

точки М (рис. 32), то

 

lim ô^O

при

d(0,M )

оо.

 

 

 

 

 

 

(12)

 

Различают

асимптоты

вер­

тикальные

(т. е. параллельные

оси

 

ординат)

и

наклонные

(т. е. не параллельные оси ор­

 

 

 

динат).

В е р т и к а л ь н ы е

аи м и т о I ы. Из

определения

1.

асимптоты следует, что если / (х)

- у О О

при X х 0 +

0, или при

X -> х 0 — О,

ИЛИ при X - У Х 0, то

прямая X = х 0 есть асимптота

кривой

/ (х)

(см. рис. 32).

 

 

 

П р и м е р

1. График функции у

X

имеет асимптоту х = 2, потому

ж —2

что у оо как при ж 2 + 0 , так и при ж

2 — 0. Для того чтобы прямая

была асимптотой, достаточно выполнения одного (любого) из этих условий.

Вданном случае кривая имеет две бесконечные ветви, для которых прямая

ж= 2 служит единой асимптотой (рис. 33).

Правило нахождения вертикальных асимптот таково: 1) нахо­ дим точки разрыва функции, 2) исследуем поведение функции при стремлении аргумента слева и справа к каждой из этих точек. Если при этом окажется, что / (х) — функция бесконечно боль­

шая,

то X = х 0 есть уравнение

вертикальной асимптоты.

уравне­

2.

Н а к л о н н ы е а с и м п т о т ы изображаются

нием

вида

 

 

 

у — ах +

Ъ.

(13)

75

Заметим, что если бесконечная ветвь имеет наклонную асимптоту (с углом наклона ср), то вместе с условием (12) будет выполнено

условие lim РМ = 0

при

х -»- оо, так как РМ — ~со° ф » гДе

cos ф — const (см. рис. 32).

Здесь

величина

РМ —A M АР —

— і (х) ах Ъ, поэтому

имеем

 

 

 

lim 1/ (ж) — ах — Ъ] — 0

(14)

при X ->- + оо или X

оо, т. е.

разность

ординат кривой и

асимптомы есть величина бесконечно малая при стремлении х к сю.

Но тогда

и величина — \f{x) ах Ь] — бесконечно

малая.

 

ь

]

 

 

 

Отсюда следует, что

Поэтому

а -----

О при X

со.

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

а — lim

/ (ар

 

 

(15)

 

 

 

х ~ * СО

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зная а, находим величину

b из

равенства

(14):

 

 

 

6

= lim [f{x) — ах].

(16)

 

 

 

Х - * СО

 

 

 

 

Если существуют пределы (15) и (16), то кривая имеет наклонную асимптоту, которая изображается уравнением (13). При этом надо

различать два случая:

х

+ оо и ж

— оо-

П р и м е р 2. у =

-. Вертикальная асимптота х = 2 найдена в при-

х —2

 

 

мере 1. Для нахождения наклонных асимптот вычисляем а и 6 по формулам

(15) и

(16):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а = 1і т — î— = 0, Ь = 1 і т — î - ^ - = l .

 

 

X

2

 

 

 

X

2

 

Следовательно, прямая у — 1

есть горизонтальная

асимптота как при х->-

-> + ° о ,

так как и при х -*■ —оо

(см. рис. 33).

 

(15) и (16) находим

П р и м е р З . у = X — 2 arctg х. По формулам

 

в =

lim

n

- l a

r c t g

, - ! ^

 

 

Х -+ i

0 0

L

 

x

J

 

 

 

Ь = —2 lim

 

 

 

я при X

•— т - p оо,

 

arctg x =

я при X

-*■—оо.

 

 

 

 

 

 

Следовательно, график функции имеет две наклонные асимптоты:

у = Ж + Я при X -і-----оо и у х я при X —> -J-оо (рис. 34).

44. Общая схема исследования функции. Пусть дана функция. Можно рекомендовать следующую схему ее исследования: 1) выяс­ ним область существования функции, найдем точки разрыва и установим поведение функции вблизи точек разрыва, 2) найдем промежутки возрастания и убывания функции, 3) исследуем функ­

цию на экстремум, 4) найдем промежутки выпуклости и вогнутости функции, точки перегиба, 5) найдем асимптоты и выясним располо­ жение графика функции относительно асимптот, 6) найдем точки пересечения графика функции с осями и другие дополнительные точки, 7) построим график функ­ ции.

При этом полезно установить, является ли данная функция чет­ ной или нечетной. Напомним, что функция называется четной в про­ межутке (—а, а), если в нем вы­ полнено условие / (—х) = / (ж); график четной функции симмет­ ричен относительно оси ординат. Например, у = cos х или у = ■— X sin X — четные функции.

Функция называется нечетной в (—а, а), если выполнено усло­ вие / (—х) = — / (х). График не­ четной функции симметричен отно­ сительно начала координат. На­ пример, у = Xs или у = X cos

П р и м е р .

Функция у =

е~ <-х~а'>2 всюду непрерывна, положительна.

Ее производная у'

= 2 х) у

обращается в нуль только в точке ж0 = а,

в которой функция имеет максимум. Ее вторая производная у" — 2у [2 (х—

а)2 — 1 ] обращается в нуль только в точках х 1= а

1 и х2 =

а +

1 .

В промежутках —оо < J х <;

и х г <; х <! °о функция вогнута,

в проме­

 

жутке (хх,

х 2)

функция

выпук­

 

ла. Имеется одна горизонтальная

 

асимптота у

= 0, так как пределы

 

(15)

и

(16)

равны нулю.

Точки

 

x t и хг суть точки перегиба.

Кри­

 

вая

симметрична

относительно

 

прямой

X =

а.

График

функции

 

изображен на

рис. 35 — это так

 

называемая кривая Гаусса.

 

 

 

45.

Кривизна.

Наиболее

 

естественной

характеристи­

 

кой

искривленности

дуги

 

кривой является

изменение

угла поворота касательной к этой кривой при перемещении точки касания от одного конца дуги к другому.

Рассмотрим график функции у = / (х),

которая предполагается

дважды дифференцируемой в

рассматриваемой

области.

Пусть

А и В — две

точки

графика,

соответствующие

значениям

аргу­

мента

X и X +

Дж.

Выберем на кривой

начало

отсчета

дуг —

точку

N и положительное направление

отсчета

дуг (например,

направление увеличения абсциссы). Обозначим приращение угла

поворота касательной на дуге AB:

Дф =

 

фв ф4,

приращение

длины дуги * обозначим

(рис. 36)

As =

 

w / lB

v ^ N B

V J N A .

Средней кривизной дуги AB называется абсолютная величина

отношения угла поворота касательной на дуге AB к длине этой

дуги:

кср

Дф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

As

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кривизной кривой в точке А называется предел средней кривизны

дуги AB при стремлении длины дуги

 

As к нулю: к = lim кср

при

As

0, причем В—>-Л.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

 

 

 

 

d(f

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к

:

lira

Д ф

 

 

 

 

 

 

 

(17)

 

 

 

 

ds

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

As-O

A s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким

образом,

 

кривизна

равна

 

 

 

 

абсолютному

значению

производ­

 

 

 

 

ной угла

наклона

 

касательной ф

 

 

 

 

по длине

дуги s.

Кривизна

слу­

 

 

 

 

жит мерой искривленности кривой

 

 

 

 

в бесконечно

малой

окрестности

 

 

 

 

соответствующей

точки.

 

 

 

 

 

 

 

 

П р и м е р

1.

На прямой Д ф = О,

 

 

 

 

поэтому

кСр =

0

и

кривизна прямой

 

 

 

 

равна нулю: к — 0.

 

окружности ра­

 

 

 

 

 

 

П р и м е р 2.

На

 

 

 

 

диусом

R

 

имеем

Д ф

=

а

(рис. 37),

 

 

 

 

,

__

«

 

И Кривизна окружности

 

 

 

 

Аср

 

 

 

 

 

 

 

постоянна

 

и

 

обратна

радиусу:

 

 

 

 

 

 

_

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Puc. 36.

 

к°кр ~

Д •

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ы в о д ф о р м у л ы

к р и в и з н ы .

Дана

дважды

диф­

ференцируемая функция

у

= f (х).

Пусть

по-прежнему

N

— на­

чало отсчета дуг на графике функции / (х) (см. рис. 36). Обозна­ чим через s длину дуги s где А — точка, имеющая абсцис­ су X. Длина дуги s является функцией абсциссы х конца этой дуги: s = s (х). Угол наклона касательной ф также является функ­ цией абсциссы точки касания: ф = ф (х). Предположим, что обе функции s (х) и ф (х) имеют производные по ж и поэтому непре­ рывны.

Параметрические уравнения ф = ф (х), s = s (х) определяют

зависимость величины ф от

s. Переменная х играет здесь роль

параметра. Требуется найти

фз. По правилу дифференцирования

функции, заданной

параметрически, имеем

 

 

 

ф( = фх/4.

(18)

Найдем числитель

и знаменатель правой части формулы

(18).

* Здесь мы пользуемся интуитивным представлением длины дуги кривой. Строгое определение этого понятия будет дано в главе IX.

у'

1.

Согласно

геометрическому значению

производной имеем

=

tg ср.

Следовательно,

ф =- arctg у'

и

 

 

 

 

 

<Рх

1 +

</'2

 

(19)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

При

вычислении производной

длины

 

дуги s'x мы используем следующую лемму,

 

которую примем

без доказательства: предел

 

отношения

длины

бесконечно малой

дуги к

 

стягивающей ее

хорде

равен

единице:

 

lim KJAB/AB = 1

при AB -> 0.

 

 

 

 

 

 

Из р\АВС (см. рис. 36)

по

теореме Пи­

 

фагора следует,

что AB2= (Ах)2 (Ау)2

и

 

~

=

]/"1 + (-^ | Y

. Для нахождения

s* рас­

 

смотрим отношение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

As

\J AB

\J AB T Г . , / Ay \ 2

 

 

 

Ax

Ax

AB

У

' V Ax )

"

Перейдя в этом равенстве к пределу при Ах —ѵ 0, получим Сог­

ласно

лемме

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s'x = Ѵ і + гЛ

 

 

 

(20)

Из

равенств

(18) —(20) следует

формула

кривизны

 

 

 

 

 

 

к = ±

 

/2ЛЭ/2

(21)

 

 

 

 

 

(і+Ѵ 2)

 

 

 

 

Кривизна (по определению) всегда положи­

 

 

 

тельна, поэтому знак

 

в

правой части фор­

 

 

 

мулы

(21) выбирается

согласно правила:

 

 

 

плюс,

если

у" >>0, т. е.

если кривая во­

 

 

 

гнута; минус, если у"

< 0 ,

т. е. если

кривая

 

 

 

выпукла.

 

 

 

 

 

 

 

 

П р и м е р .

Найти

кривизну параболы у =*

водные

 

у' = 2ах,

= ах2

>> 0). Вычисляем первую и вторую произ­

 

у ” = и

по формуле (21)

получаем

 

 

 

 

к

2а

 

 

 

 

(22)

 

 

 

(1 + 4а2ж2)3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При ж =

0 имеем наибольшую кривизну к = 2а. При увеличении

| х | кри­

визна

к

уменьшается.

 

 

 

 

 

 

Введем несколько понятий. Окружностью кривизны кривой I в точке М называется окружность, которая обладает следующими свойствами: 1) проходит через точку М и имеет с кривой общую касательную, 2) имеет одинаковое направление вогнутости с

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ