- •Высшего профессионального образования
- •Высшая математика
- •Г. Набережные Челны
- •1.Цель и задачи дисциплины, её место в учебном процессе.
- •2. Содержание и структура дисциплины (семестр 2).
- •2.1. Содержание дисциплины (наименование и номера тем).
- •Раздел I. Дифференциальное исчисление функции одной переменной.
- •Тема 1. Производные и дифференциалы функции одной переменной.
- •Тема 2. Основные теоремы о дифференцируемых функциях и их приложения.
- •Тема 3. Исследование функций с помощью производных, построение их графиков.
- •Раздел II. Функции нескольких переменных.
- •Тема 4. Основные понятия о функции нескольких переменных.
- •Тема 5. Производные и дифференциалы функции нескольких переменных, их приложения.
- •Тема 6. Экстремумы функций нескольких переменных.
- •2.2. Практические занятия, их содержание.
- •Тема 1. Производные и дифференциалы функции одной переменной.
- •Тема 2. Основные теоремы о дифференцируемых функциях и их приложения. Исследование функций с помощью производных, построение их графиков.
- •Тема 3. Функция -переменных. Производные и дифференциалы функции нескольких переменных.
- •Тема 4. Производная по направлению и градиент. Экстремумы функций нескольких переменных.
- •2.3. Виды самостоятельной работы студентов.
- •3. Рекомендуемая литература: Основная литература:
- •Дополнительная литература:
- •4. Методические указания по изучению дисциплины.
- •5. Материалы для контроля знаний студентов.
- •5.1. Задания для контрольной работы (семестр 2).
- •Раздел I. Дифференциальное исчисление функции одной переменной.
- •Раздел II. Функции нескольких переменных.
- •5.2. Вопросы к экзамену (семестр 2).
- •Раздел I..Дифференциальное исчисление функции одной переменной.
- •Раздел II. Функции нескольких переменных.
- •6. Приложения.
- •6.1. Образец решения контрольных задач типового варианта. Семестр 2.
- •6.2. Краткие теоретические сведения.
- •Тема 1. Производные и дифференциалы функции одной переменной.
- •Тема 2. Основные теоремы о дифференцируемых функциях и их приложения.
- •Тема 3. Исследование функций с помощью производных, построение их графиков.
- •3.1 Возрастание, убывание функций. Экстремум.
- •3.2 Наибольшее и наименьшее значения функции.
- •3. 3 Выпуклость, вогнутость, точки перегиба. Асимптоты.
- •3.4 Построение графиков функций.
- •Тема 4. Основные понятия о функции нескольких переменных.
- •Тема 5. Производные и дифференциалы функции нескольких переменных, их приложения.
- •5.2 Элементы теории поля. Производная по направлению и градиент.
- •5.3 Неявные функции.
- •Тема 6. Экстремумы функций нескольких переменных.
- •6.3 Основные математические формулы. Формулы сокращённого умножения:
- •Формулы тригонометрии:
- •Формулы приведения.
- •Значения тригонометрических функций некоторых углов.
- •Элементарных функций.
- •6.4 Образец оформления обложки с контрольной работой. Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение
- •«Камская государственная инженерно-экономическая академия»
- •Набережные Челны
5.2 Элементы теории поля. Производная по направлению и градиент.
Пусть - область в двумерном пространстве. Скалярным полем на называется числовая функция , заданная в точках . Линии , где называются линиями уровня скалярного поля .
Пусть - область в трёхмерном пространстве.
Скалярным полем на называется числовая функция , заданная в точках . Поверхности , где называются поверхностями уровня скалярного поля .
Градиентом скалярного поля называется вектор
.
Производная скалярного поля по направлению произвольного вектора вычисляется по формуле , где , , - направляющие косинусы вектора .
Градиент скалярного поля в точке направлен по нормали к поверхности уровня , проходящей через в сторону возрастания поля, а его модуль равен наибольшей производной по направлению в этой точке.
5.3 Неявные функции.
Если уравнение , где - дифференцируемая функция по переменным , определяет как функцию независимых переменных , то частные производные этой неявной функции вычисляются по формулам: ,,…, при условии, что .
В частности, для функции , заданной неявно уравнением справедлива формула , при условии , а для функции , заданной уравнением
справедливы формулы:,, при условии.
Частные производные высших порядков вычисляются последовательным дифференцированием данных формул.
Уравнение касательной плоскости к поверхности , заданной неявным уравнением , в точкеимеет вид , а уравнение нормали –вид .
Тема 6. Экстремумы функций нескольких переменных.
Точка , принадлежащая области определения функции , называется стационарной точкой функции, если в этой точке каждая из её частных производных равна нулю, т.е. ,…, или .
Точка называется точкой минимума (максимума) функции , если существует окрестность точки такая, что для всех точек этой окрестности выполняется неравенство ().
Точки минимума и максимума функции называются точками экстремума, а значения функции в этих точках – экстремумами функции.
Необходимое условие экстремума. Если - точка локального экстремума функции , дифференцируемой в точке, то - стационарная точка функции.
Достаточное условие экстремума. Пусть - стационарная точка дважды дифференцируемой в точке функции . Тогда, если при всевозможных наборах значений , не равных одновременно нулю:
1) , то в точке функция имеет максимум; 2) , то в точке функция имеет минимум; 3) принимает как положительные, так и отрицательные значения, то в точке функция не имеет экстремума.
Исследование знака сводится к исследованию знакоопределённости второго дифференциала, как квадратичной формы относительно переменных(например, с помощью критерия Сильвестра).
В частности, функция в стационарной точке , при условии , где ,, : 1) имеет максимум, если и ; 2) имеет минимум, если и ; 3) не имеет экстремума, если .
Точка называется точкой условного минимума (максимума) функции , если существует окрестность точки такая, что для всех точек этой окрестности, удовлетворяющих уравнениям связи () выполняется неравенство (). Точки условного минимума и максимума функции называются точками условного экстремума, а значения функции в этих точках – условными экстремумами функции.
Задача нахождения условного экстремума сводится к нахождению обычного экстремума функции Лагранжа , где () –постоянные множители Лагранжа.
Необходимое условие условного экстремума. Если - точка условного экстремума функции при наличии уравнений связи () , то в точке выполняются условия
.
Решая данную систему, находят неизвестные координаты точки , в которой возможен условный экстремум и соответствующие ей значения множителей Лагранжа .
Вопрос о существовании и характере условного экстремума решается на основании изучения (например, с помощью критерия Сильвестра) знака второго дифференциала функции Лагранжа в точке при значениях , рассматриваемого как квадратичная форма относительно переменных при условии, что они связаны соотношениями: ().
В частности, для функции исследуется знак при условии.
Достаточное условие условного экстремума. Пусть - точка возможного условного экстремума функции , т.е. в этой точке выполнены необходимые условия условного экстремума. Тогда, если при всевозможных наборах значений , удовлетворяющих соотношениям () и не равных одновременно нулю: 1) , то в точке функция имеет условный максимум; 2) , то в точке функция имеет условный минимум; 3) принимает как положительные, так и отрицательные значения, то в точке функция не имеет условного экстремума.
Если функция дифференцируема в ограниченной и замкнутой области, то она достигает своих наибольшего и наименьшего значений в этой области или в стационарной точке, или в граничной точке области.