Математика

51 Производные высших порядков

Если функция имеет производную в каждой точке своей области определения, то ее производная есть функция от . Функция , в свою очередь, может иметь производную, которую называют производной второго порядка функции (или второй производной) и обозначают символом . Таким образом

Вычисления производной любого порядка, формула Лейбница

Для вычисления производной любого порядка от произведения двух функций, минуя последовательное применение формулы вычисления производной от произведения двух функций, применяется формула Лейбница:

где , - факториал натурального числа .

52 Дифференциал функции

Пусть функция дифференцируема в точке , то есть приращение этой функции можно представить в виде суммы двух слагаемых: линейного относительно и нелинейного членов:

где при .

Определение

Дифференциалом функции называется линейная относительно часть приращения функции. Она обозначается как или . Таким образом:

Замечание

Дифференциал функции составляет основную часть ее приращения.

Замечание

Наряду с понятием дифференциала функции вводится понятие дифференциала аргумента. По определению дифференциал аргумента есть приращение аргумента:

Замечание

Формулу для дифференциала функции можно записать в виде:

Отсюда получаем, что

Итак, это означает, что производная может быть представлена как обыкновенная дробь - отношение дифференциалов функции и аргумента.

Геометрический смысл дифференциала

Дифференциал функции в точке равен приращению ординаты касательной, проведенной к графику функции в этой точке, соответствующему приращению аргумента .

53 Дифференциалы высших порядков.

Определение 19.2. Дифференциал от дифференциала функции называется ее вторым дифференциалом или дифференциалом второго порядка.

Обозначение: d²y=d(dy).

При вычислении второго дифференциала учтем, что dx не зависит от х и при дифференцировании выносится за знак производной как постоянный множитель.

Итак, d²y=d(dy)=d(f΄(x)dx)=(f΄(x)dx)΄dx=(f΄(x))΄(dx)²=f΄΄(x)dx². (19.3)

Подобным же образом можно найти третий дифференциал от данной функции:

d³y=d(d²y)=f΄΄΄(x)d³x и дифференциалы более высоких порядков.

Определение 19.3. Дифференциалом n-го порядка называется первый дифференциал от дифференциала (n-1)-го порядка:

dⁿy = d(d^n-1y) = (f^(n-1)(x)d^n-1x)΄ = f⁽ⁿ⁾(x)dⁿx. (19.4)

Свойства дифференциалов высших порядков.

1. Производную любого порядка можно представить как отношение дифференциалов соответствующего порядка:

. (19.5)

2. Дифференциалы высших порядков не обладают свойством инвариантности.

Покажем это на примере второго дифференциала. Если y=F(φ(x))=F(u), где u=φ(x), то d²y=d(F΄(u)du). Но du=φ΄(x)dx зависит от х, поэтому d²y=d(F΄(u))du+F_u΄(u)d(du)=F΄΄_uu(u)(du)²+F_u΄(u)d²u, где d²u=φ΄΄(x)(dx)². Таким образом, форма второго дифференциала изменилась при переходе к аргументу u.

54 Теорема Лагранжа.

Если функция f(x) непрерывна на отрезке [a, b] и дифференцируема на интервале (а, b), то на этом интервале найдется по крайней мере одна точка 

a <  < b, такая, что

 Доказательство.  Рассмотрим некоторую вспомогательную функцию

F(x) = f(x) – y_{сек АВ}

Уравнение секущей АВ можно записать в виде:

Т к.     , то  , следовательно

Теорема доказана.

            Определение. Выражение  называется формулой

Лагранжа или формулой конечных приращений.

Теорема Коши.

             Если функции f(x) и g(x) непрерывны на отрезке [a, b] и дифференцируемы на интервале (a, b) и g(x)  0 на интервале (a, b), то существует по крайней мере одна точка , a <  < b, такая, что

. 

Доказательство. Рассмотрим вспомогательную функцию

,

которая на интервале [a, b] удовлетворяет условиям теоремы Ролля. Легко видеть, что при х = а и х = b F(a) = F(b) = 0. Тогда по теореме Ролля существует такая точка ,

a <  < b, такая, что F() = 0. Т.к.

, то

 

            А т.к. , то

55 Экстремумы функции.

Точку называют точкой максимума функции y=f(x), если для всех x из ее окрестности справедливо неравенство . Значение функции в точке максимума называют максимумом функции и обозначают .

Точку называют точкой минимума функции y=f(x), если для всех x из ее окрестности справедливо неравенство . Значение функции в точке минимума называют минимумом функции и обозначают .

Под окрестностью точки понимают интервал , где - достаточно малое положительное число.

Точки минимума и максимума называют точками экстремума, а значения функции, соответствующие точкам экстремума, называют экстремумами функции.

Достаточные условия экстремума функции.

Для нахождения максимумов и минимумов функции можно пользоваться любым из трех признаков экстремума, конечно, если функция удовлетворяет их условиям. Самым распространенным и удобным является первый из них.

Первое достаточное условие экстремума.

Пусть функция y=f(x) дифференцируема в -окрестности точки , а в самой точке непрерывна.

Тогда

• если при и при , то - точка максимума;

• если при и при , то - точка минимума.

Другими словами:

• если в точке функция непрерывна и в ней производная меняет знак с плюса на минус, то - точка максимума;

• если в точке функция непрерывна и в ней производная меняет знак с минуса на плюс, то - точка минимума.

Второй признак экстремума функции.

Пусть ,

• если , то - точка минимума;

• если , то - точка максимума.

Как видите, этот признак экстремума функции требует существования производной как минимум до второго порядка в точке .

Третье достаточное условие экстремума функции.

Пусть функция y=f(x) имеет производные до n-ого порядка в -окрестности точки и производные до n+1-ого порядка в самой точке . Пусть и .

Тогда,

• если n – четное, то - точка перегиба;

• если n – нечетное, то - точка экстремума, причем

  • если , то - точка минимума;

  • если , то - точка максимума.

56 Выпуклость, вогнутость функции, точка перегиба.

Определение.

Дифференцируемая функция называется выпуклой вниз на интервале Х, если ее график расположен не ниже касательной к нему в любой точке интервала Х.

Определение.

Дифференцируемая функция называется выпуклой вверх на интервале Х, если ее график расположен не выше касательной к нему в любой точке интервала Х.

Выпуклую вверх функцию часто называют выпуклой, а выпуклую вниз – вогнутой.

Посмотрите на чертеж, иллюстрирующий эти определения.

Определение.

Точка называется точкой перегиба графика функции y=f(x), если в данной точке существует касательная к графику функции (она может быть параллельна оси Оу) и существует такая окрестность точки , в пределах которой слева и справа от точки М график функции имеет разные направления выпуклости.

Другими словами, точка М называется точкой перегиба графика функции, если в этой точке существует касательная и график функции меняет направление выпуклости, проходя через нее.

Если необходимо, обратитесь к разделу касательная к графику функции в точке, чтобы вспомнить условия существования невертикальной и вертикальной касательной.

На рисунке ниже представлены несколько примеров точек перегиба (отмечены красными точками). Заметим, что некоторые функции могут не иметь точек перегиба, а другие могут иметь одну, несколько или бесконечно много точек перегиба.

57 Исследование функции на экстремум. Производная f ‘(x) является точечной характеристикой зависимой переменной величины y = f(x) , но может быть эффективно использована для общего анализа функции. Монотонность. Опр. Функция f(x) на интервале [a,b] монотонно возрастает, если при любых х > x₀ имеем f(x) > f(x₀) и монотонно убывает, если f(x) < f(x₀) Теорема: Необходимым и достаточным условием возрастания (убывания) функция f(x) на интервале [a,b] служит неравенство f ‘(x) > 0 ( f ‘(x) < 0 ) для x [a,b]. ( 25 ) Док – во необходимости: Для возрастающей функции справедливо неравенство (f(x) - f(x₀))/ (x – x₀) > 0 . Переход к пределу дает производную lim ( f(x) - f(x₀) )/ (x – x₀) = f ‘(x ) > 0 x x₀ Док – во достаточности: Пусть х₁, х₂ [a,b] и x₁ < x₂ . Применим формулу Лагранжа ( 22 ) для [x₁,x₂] : f(x₂) – f(x₁) = f ‘(c ) (x₂ - x₁ ). Если f ‘(x) > 0 на (x₁,x₂) , то f ‘(c ) > 0 и f(x₂) – f(x₁) > 0  f(x₂) > f(x₁) , т.е. f(x) на (x₁,x₂) возрастает.