
- •Раздел II. Дифференциальное исчисление функции одной переменной и неопределенный интеграл
- •§ 1Скорость
- •§ 2 Дифференцируемость и производная
- •Непрерывность дифференцируемой функции
- •§ 3 Понятие касательной. Касательная к графику дифференцируемой функции
- •1.Производная степной функции
- •Глава 2. Дифференциал
- •Глава 3. Основные свойства дифференцируемых функций и их применения
- •I. Рскрытие неопределенности вида
- •2.Раскрытие неопределенности вида
I. Рскрытие неопределенности вида
При помощи производных можно находить пределы отношений бесконечно малых функций.
Теорема
1.
Пусть для функций
и
выполнены следующие условия6
а)
они определены и дифференцируемы в
некоторой окрестности точки ,
за исключением, быть может самой точки
,
причем
и
в указанной окрестности;
б)
и
при
;
в) существует предел отношения производных
Тогда существует равный ему предел отношения данных функций:
Доказательство.
Доопределим функции
и
в точке
,
положив
и
.
Тогда в указанной окрестности функции
будут непрерывны. Для любого
из этой окрестности на отрезке между
и
выполнены условия теоремы Коши.
Поэтому
,
где C
некоторая точка между
и
.
Так как при
,
,
то
Теорема доказана.
Пример.
.
Замечание.
1) Правило Лопиталя справедливо и при
.
Если производные
и
удовлетворяют тем же требованиям, что и сами функции
и
, то правило Лопиталя можно применять повторно, а при соответствующих условиях и несколько раз, т.е.
Пример.
Здесь правило Лопиталя было применено три раза.
Правило Лопиталя переносится на тот случай, когда аргумент
стремится к бесконечности. Действительно, произведем замену переменной (аргумента)
. Тогда
при
. Поэтому
.
Если предел отношения
не существует, то отсюда еще не следует, что не существует предел отношения самих функций
. Правило Лопиталя в этом случае неприменимо.
Пример.
Если ,
то
и предел в точке не существует.
Но
.
2.Раскрытие неопределенности вида
Правило Лопиталя применимо и к отношению бесконечно больших функций.
Теорема
2.
Пусть для функций
и
выполнены следующие условия:
а)
они определены и дифференцируемы в
некоторой окрестности точки ,
за исключением самой точки
,
причем
и
в указанной окрестности;
б)
и
при
;
в) существует предел отношения производных
Тогда существует равный ему предел отношения данных функций:
Доказательство.
Если в указанной окрестности точки
по одну сторону от
выбрать точки
и
,
то на отрезке между
и
выполнены условия теоремы Коши.
Поэтому
, где C
некоторая точка между
и
.
Отсюда
Зададим
любое
и найдем такое
,
что
По
условию теоремы точку
можно выбрать и зафиксировать так ,
чтобы для любой точки
между
и
было
Так
как
и
при
,
то
Поэтому
существует
такое, что при
будет
Но тогда при указанных аргументах
По
определению предела это означает, что
.
Теорема доказана.
Замечания, сделанные по теореме 1, относятся и к теореме 2.
Пример.
.
При
помощи правила Лопиталя могут раскрываться
и неопределенности отличные от
и
,
так, например, неопределенности вида:
;
;
и
путем преобразований сводятся к отношению
бесконечно малых или бесконечно больших
функций.
Пример
1.
.
Здесь
мы имеем неопределенность вида
(произведение бесконечно малой и
бесконечно большой функций).
Пример
2.
Здесь
мы имели неопределенность вида
(разность двух бесконечно больших
функций одного знака).
Пример
3. .
Здесь
мы имеем неопределенность вида
(показательно – степенная функция с
бесконечно малыми основанием и показателем
степени).
Аналогично
раскрываются неопределенности вида
и
.
Асимптоты
Определение
1.
Прямая
называется вертикальной асимптотой
графика функции
,
если при
или
бесконечно большая.
Например,
график функции
имеет вертикальную асимптоту
,
т.к.
Пусть
функция
определена на промежутке
или
.
Определение
2.
Прямая
называется наклонной асимптотой графика
функции
при
,
если функция
представима в виде
,
где
бесконечно малая функция при
.
Теорема.
Для того чтобы график функции
имел при
наклонную асимптоту
необходимо и достаточно, чтобы
Доказательство.
Необходимость.
Пусть график функции
имеет при
асимптоту
,
т.е. выполняется равенство
.
Но
тогда
и
Достаточность.
Пусть для
справедливы равенства
Тогда
из второго равенства следует, что ,
где
бесконечно малая функция при
.
Но тогда
,
и, следовательно, прямая
является наклонной асимптотой графика
функции
.
Пример.
Найти асимптоты графика .
Так
как ,
то прямая
является вертикальной асимптотой.
Далее,
.
Следовательно,
наклонной асимптотой будет прямая .
Исследование функций. Построение графика
В заключение приведем схему общего исследования функции.
Найти область определения функции.
Исследовать непрерывность функции и найти ее точки разрыва.
Найти асимптоты графика.
Выяснить является ли данная функция четной или нечетной.
Выяснить является ли данная функция периодической.
Исследовать возрастание и убывание функции; найти точки экстремума.
исследовать направление выпуклости графика и найти точки перегиба.
Найти точки пересечения графика с осями координат и исследовать поведение функции при
и
.
Данные исследования следует записать в таблицу и использовать при построении графика функции.
В
качестве примера проведем полное
исследование функции
и построим ее график.
Область определения функции
.
Функция является непрерывной как частное двух непрерывных функций.
Так как
, то прямые
и
являются вертикальными асимптотами графика. Далее имеем
. Следовательно, прямая
есть наклонная асимптота графика.
Так как
, то данная функция является нечетной, поэтому ее график симметричен относительно начала координат.
Функция не периодическая.
Функция
дифференцируема всюду в области ее определения. Производная функции
в точках
,
,
.
при
,
т.е. на множестве
.
при
,
т.е. на множестве
.
Отсюда
следует, что функция возрастает на
множестве
и
убывает на множестве .
Производная
меняет знак в точках
и
. Это точки экстремума. Так как в точке
знак производной меняется с – на + (при
возрастании аргумента), то в этой точке
функция имеет минимум
.
Так
как в точке
знак производной меняется с + на -, то в
этой точке функция имеет максимум
.
В
точке
функция экстремума не имеет, т.к. в этой
точке производная не меняет своего
знака.
Вторая производная функции
;
в точке
.
Далее,
на множестве
,
поэтому на этом множестве график функции
направлен выпуклостью вверх:
на множестве
,
значит на этом множестве график направлен
выпуклостью вниз.
В
точке
вторая производная меняет свой знак с
- на +, следовательно, точка
является точкой перегиба графика.
, т.е. график функции проходит через начало координат.
Результаты исследования представим таблицей
|
|
-3 |
- |
0 |
|
3 |
|
|
|
4,5 минимум |
не сущ. |
0 перегиб |
не сущ. |
-4,5 максимум |
|
|
-
|
0 |
не сущ. |
0 |
не сущ. |
0 |
- |
|
+ + выпуклость вниз |
не сущ. |
0 |
не сущ. |
- - выпуклость вверх |