Тема 11. Производная и дифференциал.
Приращение аргумента, приращение функции.
П
0
  усть функция у= f(х) определена в точке х0 и некоторой ее окрестности, придадим точке х0 приращение Δх и получим точку х0+Δх, значение функции в этой точке – f(х0+Δх). Разность значений f (х0+Δх) – f(х0) называется приращением функции, обозначается приращение функции Δf или Δу, т.е. Δf=f(х0+Δх) – f(х0). Рис. 1
у Рис.1
 
У = f(х)
Δу
Δх
 
х
х0 х0 + Δх
Производная функция у = f(х), в точке х0 определяется как предел отношения приращения функции Δу к приращению аргумента Δх, при стремлении Δх к нулю. f `(x0) = lim (Δf/Δx). Этот предел будет иметь конечное значение, если только и числитель стремиться к нулю (приращение функции Δf→0).
Производная имеет смысл скорости изменения какого – либо показателя. Дифференциал определяется как главная линейная часть приращения функции. Дифференциал показывает, как изменялась бы величина, если бы скорость ее изменения была бы постоянной. Дифференциал для функции у=f(х) обозначается через dy или df. Вычисляется он по формуле dy=f `(x)dx, где f ` (x) – производная функция f(x), а dx – число равное приращению независимой переменной (аргумента) ∆х.
Для вычисления производной выведены правила нахождения производной и таблицы производных элементарных функций. Функция, имеющая производную в точке х, называется дифференцируемой в этой точке. Если функция имеет производную в каждой точке интервала, то она называется дифференцируемой в интервале.
Правила дифференцирования функций.
Пусть U(х) и V(х) дифференцируемы в точке х.
(U(x) + V(x))` = U`(x) + V`(x)
(U(x) * V(x))` = U`(x) * V`(x) + V`(x) * U`(x)
(C*U(x))` = CU`(x), C - const
(U(x) / V(x))` = [U`(x) * V(x) - V`(x) * U(x)]/ V2(x)
Таблица производных.
C` = 0, C – const.
x` = 1
(xα)` = α xα – 1, α Є R
(ax)` = ax lnx, a>0 , a≠1
(ln x)` = 1/x
(sin x)` = cos x
(cos x)` = - sin x
(tg x)` = 1/(cos x)2
(ctg x)` = - 1/(sin x)2
(arcsin x)` = 1/ 2)
(arccos x)` = - 1/2)
(arctg x)` = 1/(1 + x2)
(arcctg x)` = - [1/(1 + x2)]
правила для нахождения дифференциала можно написать самим, умножив соответствующее правило взятия производной на dx.
Например: d sinx = (sinx)`dx = cosx dx.
Пример 1. Найти приращение функции f(x) = x2, если х = 1, ∆х = 0,1
Решение: f(х) = х2, f(х+∆х) = (х+∆х)2
Найдем приращение функции ∆f = f(x+∆x) – f(x) = (x+∆x)2 – x2 = x2+2x*∆x+∆x2 – x2 = 2x*∆x + ∆x2/
Подставим значения х=1 и ∆х= 0,1, получим ∆f = 2*1*0,1 + (0,1)2 = 0,2+0,01 = 0,21
Пример 2. Найти производную функции f(x) = x2, в произвольной точке х по определению производной, т.е. не используя таблицу производных.
Р
∆x→0
ешение: (х2)` = lim ∆f / ∆х
Из первого примера ∆f = 2x*∆x+∆x2, подставим, получим
(
∆x→0
∆x→0
∆x→0
x2)` = lim ∆f / ∆х = lim (2x*∆x+∆x2)/∆x = lim [∆x (2х + ∆х)]/ ∆x = 2x
Пример 3. у = 1-х, Найти ∆у при х=2, ∆ = 0,1
Решение: у(х) = 1-х, у(х+∆х) = 1 – (х+∆х),
∆у = у (х+∆х) – у(х) = 1-х - ∆х – (1 – х) = 1-х - ∆х – 1 + х = - ∆х
при х = 2, ∆х = 0,1 ∆у = -∆х = -0,1.
Пример 4. Найти производную от функции у=3х4 – 2х2 + 1.
Решение у` = 3*4х3 – 2*2х + 0 = 12х3 – 4х.
Пример 5. Найти производную от функции у = x2 *℮х.
Решение: у` = (x2)` *℮х + x2 *(℮х)` = 2x ℮х + x2 *℮х ln℮
ln ℮ = log℮℮ = 1. y` = 2x℮x + x2 * ℮x
Пример 6. У = х/(х2+1). Найти у`.
Решение у` = [1*(х2+1) – х*2х] / (х2+1)2 = [х2+1 – 2х2] / (x2 +1)2 = (1-x2) / (x2+1)2
Производные от сложных функций.
Формула для нахождения производной от сложной функции такова:
[f (φ(х))]` = fφ`(φ(x)) * φ`(x)
Например: у = (1-х2)3; у`= 3(1 –х2)2 * (-2х) или у = sin2х; у` = 2sinx * cosx.
Пример 7 . Найти dy, если у = sin 3х
Решение dy = у` * dx = (sin3x)` dx = (cos3x) * 3dx = 3 cos3x dx.
Пример 8. Найти dy, если у = 2х^2/
Решение: dy = y` * dx = (2x^2)` * dx = 2x^2 ln2 * 2xdx
Производные высших порядков.
Пусть мы нашли от функции у = f(х) ее производную у` = f `(х). Производная от этой производной и называется производной второго порядка от функции f(х) и обозначается у`` или f `` (х) или (d2y) / (dx2). Аналогично определяются и обозначаются: производная третьего порядка у``` = f ```(x) = (d3y) / (dx3).
производная четвертого порядка уIV = f IV(x) = (d4y) / (dx4).
производная n-oго порядка у(n) = f (n)(x) = (d n y) / (dxn).
Пример: у = 5х4 – 3х3 + 2х – 2. Найти у``.
Решение. Находим в начале первую производную: у` = 20х3 – 9х2 +2, потом вторую от первой производной: у`` = 60х2 – 18х.
Пример. y=хsinx. Найти у```.
Решение. y` = sinx + xcosx
y`` = cosx + cosx – x sinx = 2cosx – x sinx
y``` = -2sinx – sinx – x cosx = -3sinx – x cosx.
Тема 12. Понятие первообразной. Неопределенный интеграл. Свойства неопределенного интеграла.
Определение. Функция F(x) называется первообразной для функции f(x) на интервале Х, если в каждой точке этого интервала выполняется условие
F ` (x)=f(x).
Например, для функции f(x) = 2х первообразной является F(х) = х2 для любых х Є (-∞, ∞).
Действительно, F`(x) = 2x = f(x).
F1(x) = x2 + 2 так же является первообразной для f(x) = 2x, F2(x) = x2 – 100 первообразная той же функции f(x) = 2x.
Теорема. Если F1(x) и F2(x) первообразные для функции f(x) на некотором интервале Х, то найдется такое число С, что справедливо равенство:
F2(x) = F1(x) + C,
Или можно сказать так, две первообразные для одной и той же функции отличаются друг от друга на постоянное слагаемое.
Определение. Совокупность всех первообразных для функции f(x) на интервале Х называется неопределенным интегралом от функции f(x) и обозначается  f(x)dx, где - знак интеграла, f(x) – подинтегральная функция, f(x)dx – подинтегральное выражение. Таким образом
f(x)dx = F(x) + C,
F(x) – некоторая первообразная для f(x), С – произвольная постоянная. Операция нахождения неопределенного интеграла от функции называется интегрированием этой функции.
Основные свойства неопределенного интеграла.
((f(x)dx)` = f(x). Производная от неопределенного интеграла равна подынтегральной функции.
Дифференциал от неопределенного интеграла равен подинтегральному выражению. d(f(x)dx) = f(x)dx.
Неопределенный интеграл от дифференциала некоторой функции равен этой функции с точностью до постоянного слагаемого.
d(F(x)) = F(x) + C.
Постоянный множитель можно выносить за знак интеграла:
 , где к - число
Интеграл от суммы двух функций равен сумме интегралов от этих функций
(f(x) +φ(x))dx = f(x)dx + φ(x)dx.
Для вычисления неопределенных интегралов от функций используют таблицу неопределенных интегралов, которая приводиться ниже.
Таблица неопределенных интегралов.
хα dx = [xα+1 / (α +1)] +C, α ≠ -1, α Є R
dx/x = ln│x│+C
ax = (ax/ln a)+C, exdx = ex+C
sinx dx = -cosx + C
cosx dx = sinx + C
dx/(cosx)2 = tgx + C
dx/(sinx)2 = -ctgx + C
dx / 2-x2) = (arcsin x/a) + C
dx / 2 – x2) = (-arccos x/a) +C
dx / a2 +x2 = 1/a arctg x/a +C
dx / a2 +x2 = - 1/a arcctg x/a +C
dx / a2 -x2 = 1/2a ln │x+a/x-a│ +C
dx /  a2 +x2) = ln │x+ 2+x2)│ +C.
Пример 1. Вычислить (2х2 -3 -1)dx.
Решение. Воспользуемся свойствами 4 и 5 неопределенных интегралов и первой табличной формулой. (2х2 -3 -1)dx = 2х2 dx - 3х1/2 dx - dx=
= 2(x2/2) – 3[(х3/2 *2)/3] – x + C = x2 - 23 – x +C.
Пример 2. (2/ -1/х + 4sinx)dx = 2х –1/2dx – ln │х│ - 4cosx + C =
= 2[(x1/2 *2)/1] – ln │x│ - 4 cosx +C = 4 -ln│x│- 4cosx + C.
Для вычисления неопределенных интегралов применяют следующие методы: метод непосредственного интегрирования, метод подстановки(метод замены переменной), метод интегрирования по частям.
Существуют элементарные функции первообразные которых элементарными функциями не являются. По этой причине соответствующие неопределенные интегралы называются «неберущимися» в элементарных функциях, а сами функции не интегрируемыми в элементарных функциях.
Например, e –x^2 dx, sinх2 dx, cosх2 dx, sinx/x dx, cosx/x dx, dx/lnx – «неберущиеся» интегралы , т.е. не существует такой элементарной функции, что F `(x) = e –x^2, F ` (x) = sinx2 и т.д.
Тема 13. Определенный интеграл, его свойства.
Формула Ньютона - Лейбница.
Понятие интегральной суммы.
Пусть на отрезке [a, в] задана функция у = f(x). Разобьем отрезок на п элементарных отрезков точками деления а = х0, х1, х2, …, хп = в. На каждом элементарном отрезке [xi-1, xi] выберем произвольную точку Сi и положим
∆
n
хi = xi – xi-1, где i = 1,2,…,п, в каждой точке Сi найдем значение функции f(Ci), составим произведения f(C1)∆x1, f(C2)∆x2, …, f(Ci)∆xi, …, f(Cn)∆xn, рассмотрим сумму этих произведений:
f
I=1
(C1)∆x1 + f(C2)∆x2 + … + f(Ci)∆xi + … + f(Cn)∆xn = Σ f(Ci)∆xi.
Эту сумму будем называть интегральной суммой для функции у=f(x) на отрезке [а, в]. Интегральная сумма зависит как от способа разбиения отрезка [a, в] на п частей так и от выбора точек С1, С2, …, Сп на каждом элементарном отрезке разбиения.
Геометрический смысл интегральной суммы.
П     усть у = f(x) неотрицательна на отрезке [а, в]. Рис.1
  y = f(x)
  у
S1 S2 S3
0 а=х0 в1 х1 с2 х2 с3 х3 =в х
Рис.1
Пусть п=3, тогда а = х0, х1, х2, х3=в.
С1 ,С2 ,С3 точки, выбранные произвольно на каждом элементарном отрезке.
S1 = f1(C1) ∆x1 – площадь прямоугольника, построенного на первом отрезке разбиения, ∆х1 = х1-х0,
S2 = f2(C2) ∆x2 – площадь прямоугольника, построенного на втором отрезке разбиения. ∆х2 = х2-х1,
S
3
3 = f3(C3) ∆x3 – площадь прямоугольника, построенного на третьем отрезке разбиения. ∆х3 = х3-х2,
S
I=1
= S1 + S2 +S3 = f1 (C1)∆x1 + f2 (C2)∆x2 + f3 (C3)∆x3 = Σ f(Ci)∆xi.
Это площадь ступенчатой фигуры, составленной из прямоугольников.
Понятие определенного интеграла.
О
n
бозначим длину наибольшего из отрезков разбиения через max ∆хi, где i=1,2,…п
О
i=1
пределение. Пусть предел интегральной суммы Σ f(Ci)∆xi при стремлении max ∆хi к нулю существует, конечен и не зависит от способа разбиения отрезка
[
n
i=1
a, в] на части и от выбора точек С1, С2, …, Сп. Тогда этот предел называется определенным интегралом от функции у = f(х) на [а, в] и обозначается  , т.е  = lim Σ f(Сi)∆xi при
max ∆xi →0
Число а называется нижним пределом, b – верхним пределом, f(x) – подинтегральной функцией, f(x)dx – подинтегральным выражением.
Некоторые свойства определенного интеграла.
10 . Значение определенного интеграла не зависит от обозначения переменной интегрирования, т.е.
=  =  и т.д.
20. есть число.
30.  = - , а
40. Постоянный множитель можно выносить за знак интеграла.
 = m , где m – const.
50. Интеграл от суммы функций равен сумме интегралов.
60. Если отрезок интегрирования разбит на части (a < c < b), то интеграл на всем отрезке равен сумме интегралов на каждой из частей.
a
 
c
b
x
=  ,
Существует еще ряд важных свойств определенного интеграла, которые подводят нас к формуле для вычисления определенного интеграла. Эта формула называется формулой Ньютона – Лейбница для f(x) непрерывной на а; b.
= F(b) – F(a), где F(x) некоторая первообразная для функции f(x).
Например,  - вычислить.
Н
1
аходим первообразную для функции х2, т.е. неопределенный интеграл от х2, произвольную постоянную С приравняем к нулю.
0
= x3/3 │ = 1/3 – 0/3 = 1/3
Подставим в первообразную х3/3 вначале значение верхнего предела, равного 1, затем значение нижнего предела, равного 0 вместо х.
π/2
П
π/6
2
ример 1. Вычислить  │= sin π/2 – sin π/6 = 1 – ½ = 1/2
П
-1
ример 2. Вычислить  │ = 22 – 24/4 – [ (-1)2 – ((-1)4/4)] =
= 4 – 4 –(1- (1/4)) = -3/4.
|
