Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Высшая математика / Uchebno-prakt.posobie (1 chast).pdf
Скачиваний:
193
Добавлен:
20.02.2016
Размер:
1.86 Mб
Скачать

8.Дифференциальное исчисление функций одной переменной

Математический анализ, основным содержанием которого является дифференциальное и интегральное исчисление, переплетаясь с другими разделами, составляет ту основу, на которой держится большинство разветвлений современной математики. В математической экономике, например, при анализе производственных функций широко используются понятия производной и дифференциала.

8.1.Производная

Вданном разделе излагаются основные положения дифференциального исчисления функций одной переменной.

8.1.1.Понятие производной функции в точке. Односторонние

ибесконечные производные.

Пусть функция

y = f (x) определена в

некоторой окрестности

точки x0 .

 

 

 

Определение 8.1. Производной функции

f в точке x0

называет-

ся число, обозначаемое f (x0 ) , равное пределу отношения

прираще-

ния функции f (x0 )

в этой точке к приращению аргумента x при

стремлении x к нулю, если этот предел существует:

f (x0 ) = lim

f (x0 )

= lim

 

f (x0 +∆x) f (x0 )

 

(8.1)

 

 

 

 

x0

x

 

x0

 

x

 

 

 

или, если обозначить x = x0 +∆ x , то при x 0

будет x x0

и

 

 

f (x) f (x0 )

 

 

(8.1а)

 

 

 

 

f (x ) = lim

 

x x

 

 

 

 

0

xx0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

Определение 8.2. Функция, имеющая конечную производную в

точке x0 , называется дифференцируемой в этой точке.

 

Определение 8.3. Если в точке x0

функция

f (x) непрерывна, а

предел (8.1) равен бесконечности (+∞ или −∞) , то говорят о бесконечной производной.

102

Определение 8.4. Пределы

f+(x0 ) = lim

f (x0

+∆x) f (x0 )

(8.2)

 

x

x→+0

 

 

и

f (x0

+∆x) f (x0 )

 

f(x0 ) = lim

(8.3)

 

x

x→−0

 

 

называются правосторонней и левосторонней производной, соответственно.

Для существования производной f (x0 ) необходимо и достаточно, чтобы существовали обе односторонние производные f+(x0 ) и

f(x0 ) и они были равны друг другу: f+(x0 ) = f(x0 ) . Производная обозначается и другими способами, например:

 

 

 

 

f (x0 ) , fx(x0 ) ,

df (x0 ) ,

dy(x0 ) , f (x)

 

 

x=x

 

и т. д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 8.1. Пользуясь определением производной, вычислить

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, если f (x) = x +3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Имеем: x0 = −2,

 

f (x0 ) =

 

 

 

 

 

 

=1,

 

x0 +∆x = −2 +∆x,

 

 

2 +3

 

f (x0 +∆x) =

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

, f (x0 ) =

 

 

 

1.

 

 

 

 

2 +∆x +3

 

1+∆ x

1+ ∆x

 

 

 

 

Согласно (8.1)

находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

числитель и знаменатель

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

1)(

 

 

 

 

+1)

 

f

 

 

 

 

 

 

 

 

1+∆x

1

+∆x

 

(2)

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

умножим на

1

 

+∆x +1

 

 

 

x0

 

 

 

 

x(

1+∆x

+1)

 

 

 

 

 

 

 

12 ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

(

 

(1+∆x)2

 

 

lim

 

 

 

 

 

1+ ∆x 1

 

 

 

 

= lim

 

 

1

 

 

 

 

 

 

= 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

x( 1+∆x +1)

x0

x( 1+∆x

+1)

 

x0

1

 

 

x

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+∆ +

 

 

 

 

 

Пример 8.2. Пользуясь определением производной, вычислить

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

=

 

 

x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0) для функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Имеем: x0 = 0,

 

 

f (x0 ) = f (0) = 0 , x0 +∆x = ∆x,

 

 

 

 

 

 

f (x

 

+∆x) = 3

 

. Согласно (8.1) находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= +∞.

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (0) =

 

 

 

 

 

 

 

lim

3

 

(x)3

=

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0 x

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

 

x0 3 (x)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, имеем бесконечную производную.

103

Пример 8.3.

Найти по определению производной f

(0) , если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

x

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Имеем: x0 = 0, f (x0 ) =

 

0

 

= 0 ,

x0 +∆x = ∆x.

Тогда

 

 

 

 

 

 

f (x0

+∆x) =

 

0 +∆x

 

=

 

x

 

 

 

x,

если

x > 0,

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

Следовательно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∆x,

если

x <0.

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1,

если

x > 0,

 

 

 

 

 

lim

f (x0 ) =

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

если

x <0.

 

 

 

 

 

x0 x

x0

 

 

 

 

 

 

1,

 

Сравнивая полученный результат с ( 8.2) и ( 8.3), заключаем, что f+(0) =1, f(0) = −1, а значит, f (0) не существует.

8.1.2. Геометрический смысл производной. Уравнения касательной и нормали к плоской кривой. Угол между кривыми.

На кривой y = f (x) выберем две различные точки М0 и М1

(рис.8.1) и через них проведем единственную прямую l , которая называется секущей к графику. Используя уравнения прямой,

проходящей

 

через

две

заданные

точки

М0 (x0 ; f (x0 ))

и

М

1

(x ; f (x )) , которое имеет вид

 

 

y f (x0 )

=

x x0

, получим

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

f (x1) f (x0 )

 

x1 x0

 

 

уравнение секущей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y =

f (x1) f (x0 )

(x x

) + f (x )

 

 

(8.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1 x0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сравнивая

уравнение (8.4) с уравнением прямой с угловым к

о-

эффициентом,

заключаем,

что угловой коэффициент k

секущей

l

имеет вид

f (x1) f (x0 )

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 8.5. Если точка M1 ,

 

 

 

 

 

 

 

двигаясь

по

графику

непрерывной

 

 

 

 

 

 

 

функции

f ,

приближается к точке

 

 

 

 

 

 

 

M0 , а секущая l при этом стремится к

 

 

 

Рис.8.1.

 

 

некоторому предельному положению,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

то это предельное положение секущей называется касательной к графику функции f в точке x0 .

104

Тогда lim

f (x1) f (x)

= f

 

 

 

 

 

xx0

x

 

x

 

 

0

 

 

1

0

 

 

 

 

рейдет в уравнение касательной:

 

 

 

 

 

 

y = f (x0 ) (x x0 ) + f (x0 )

(8.5)

Таким образом,

производная функции y = f (x) ,

вычисленная в

точке x = x0 , есть угловой коэффициент касательной, проведенной к графику функции y = f (x) в точке М0 (x0 ; f (x0 )) . В этом и состоит

геометрический смысл производной.

Определение 8.6. Прямая, перпендикулярная к касательной в точке M0 , называется нормалью к кривой y = f (x) в точке M0 .

Из условия k1k2 = −1 перпендикулярности прямых заключаем, что

угловой коэффициент kн

нормали выражается через угловой коэффи-

циент kкаc касательной по формуле

kн = −

 

1

= −

 

1

.

Следова-

kкас

f (x0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тельно, уравнение нормали к кривой y = f (x)

в точке M0

имеет вид

y = f (x )

 

1

 

(x x )

 

 

 

 

(8.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

0

f (x0 )

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 8.4. Составить уравнения касательной и нормали к кри-

вой y = x3 в точке M0 (2 ;8) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Имеем

f (x) = x

3

, f

 

 

3

= 3x

2

;

 

 

 

(x) = (x

)

 

 

 

f (x0 ) = f (2) =8 ; f (x0 ) = f (2) = 3 22 =12.

 

Используя уравнение

(8.5), получаем уравнение касательной : y =12(x 2) +8 или

y =12x 16 . Используя уравнение (8.6), получаем уравнение нормали :

y = 8

 

1

(x 2) или 12y = 96 x +2 или

x +12y 98 = 0.

12

 

 

 

 

 

Если f (x0 ) = ±∞ , то уравнение касательной имеет вид x = x0.

Определение 8.7. Пусть две кривые y = f (x)

и

y = g(x) пересе-

каются в точке

 

(x0 , y0 ), т.е.

y0 = f (x0 ) = g(x0 ).

Углом α между

заданными кривыми называется угол между касательными к кривым,

проведенным в точке их пересечения:

tgα =

k2 k1

=

g(x0 ) f (x0 )

 

1+ f (x0 )g(x0 )

 

1+k1k2

105