Информатика
Проектирование
Геометрия
Алгебра
Курсовой
Графика
Электротехника
Задачи

Сопромат

Лабораторные
Методика
Физика
Чертежи
Энергетика
Математика
Реактор

Логарифмическое дифференцирование

Функция вида y = [u(x)]v(x) называется степенно – показательной. Для вычисления ее производной (при условии, что у' существует), нужно прологарифмировать функцию по любому основанию (обычно по основанию е). Затем нужно вычислить производную полученной неявной функции.

Пример. Найти производную функции y = (sinx)x

Логарифмируем функцию по основанию е:lny = x lnsinx. Дифференцируем обе части равенства по х, получаем

,

отсюда   или .

Рассмотренный прием называется логарифмическим дифференцированием. Он применяется не только для вычисления производных степенно-показательных функций, но и в случаях, когда аналитическое выражение функции содержит несколько множителей.

Пример. Найти производную функции . Логарифмируя, получаем . Дифференцируем обе части полученного равенства:

, отсюда   или .

 

Дифференциал функции

Рассмотрим функцию у = х3. Дадим некоторому значению аргумента х ¹ 0 приращение Dх ¹ 0, тогда функция получит соответствующее приращение Dу. Вычислим его.

Dу = (х+Dх)33 = х3+3х2Dх+3х(Dх)2+(Dх)33 = =3х2Dх+(3х(Dх)2+(Dх)3).

Приращение функции можно рассматривать как сумму двух слагаемых: 3х2Dх – линейного относительно Dх и 3х(Dх)2+(Dх)3 – нелинейного относительно Dх. При Dх®0 оба слагаемых, очевидно, являются бесконечно малыми. Однако второе слагаемое является бесконечно малой более высокого порядка, чем первое. Действительно, .

  Обозначим 3х(Dх)2+(Dх)3 = 0(Dх). Таким образом, Dу = 3х2Dх+0(Dх). При малых Dх получаем: Dу»3х2Dх.

Определение. Пусть приращение Dу функции y = f(x) в точке х можно представить в виде

Dу = АDх+0(Dх),  (1)

где Dх – приращение аргумента; А- величина, не зависящая отDх; 0(Dх) – бесконечно малая более высокого порядка, чем Dх при Dх®0, то есть . Тогда главная часть приращения (1) функции А×Dх, линейная относительно Dх, называется дифференциалом функции в точке х и обозначается dy. Итак, по определению dy = А×Dх.

Теорема 1. (О связи между существованием производной и существованием дифференциала). Для того, чтобы функция y = f(x) имела в точке х дифференциал, необходимо и достаточно, чтобы она имела в этой точке производную.

Доказательство. Необходимость. Пусть функция y = f(x) имеет в точке х дифференциал. Это означает, что ее приращение в этой точке можно представить в виде: Dу = АDх+0(Dх). Разделим обе части последнего равенства на Dх и перейдем к пределу при Dх®0. Получим . Но следовательно,   существует и. Отметим, что выражение дифференциала функции принимает вид: dy = f'(x) Dx.

Достаточность. Пусть функция y = f(x) имеет в точке х производную . По свойству предела функции , где - бесконечно малая функция при Dх®0. Умножим обе части последнего равенства на Dх, получим . Действительно, . Мы получили: , что и означает, что функция y = f(x) имеет в точке х дифференциал dy = f'(x) Dx. Теорема доказана.

Замечание. Рассмотрим функцию у = х. Ее дифференциал равен:

dy = dx = x'Dx = Dx. Таким образом, дифференциал независимой переменной равен ее приращению dx = Dx. Тогда выражение дифференциала функции можно записать в виде: dy = f'(x) dx. Заметим, что .

 

Свойства дифференциала

1.            Пусть u = u(x) и v = v(x) – дифференцируемые в точке х функции. Тогда в точке х имеют место следующие формулы:

d(u±v) = du ±dv

d(uv) = udv+vdu

  (при условии, что V(x) ¹ 0)

Эти формулы следуют из определения дифференциала и свойств производной.

Пример. y = x3sin2x. Найти dy.

dy = (3x2sin2x+2x3cos2x)dx

2. Инвариантность формы дифференциала

Получена формула: dy = f'(x) dx для функции y = f(x), где х – независимая переменная. Пусть теперь y = f(x) и х = g(t), то есть у является сложной функцией t: у = f(g(t)). Тогда dy = y'tdt. По правилу дифференцирования сложной функции имеем y't = y'xx't. Отсюда dy = y'xx'tdt = y'xdx = f'(x)dx, так как x'tdt = dx. Таким образом, дифференциал сложной функции y = f(x), где х = g(t), имеет такой же вид dy = f'(x) dx, как и дифференциал функции y = f(x), где х – независимая переменная.

Это свойство дифференциала сложной функции называется инвариантностью формы дифференциала.

Дифференциалы высших порядков

Рассмотрим дифференцируемую функцию независимой переменной y = f(x). Дифференциал этой функции dy = f'(x)dx зависит от х и dx = Dх. Приращение dx от х не зависит, так как приращения в данной точке х можно выбирать независимо от этой точки. Рассматривая dy = f'(x)dx только как функцию от х (то есть считая dx постоянным), можно найти дифференциал этой функции. Дифференциал от дифференциала данной функции y = f(x) называется ее вторым дифференциалом или дифференциалом второго порядка и обозначается символом d2у или d2 f(x). Таким образом, по определению d2у = d(). Вычислим второй дифференциал функции y = f(x).

  Итак,

Аналогично определяются и вычисляются дифференциалы третьего, четвертого и так далее порядков. Вообще, дифференциалом n – го порядка или n-м дифференциалом функции y = f(x) называется дифференциал от ее (n-1) – го дифференциала: dny = d(dn-1y). Легко установить, что dny = f(n)(x)dxn. Дифференциал dy называют дифференциалом первого порядка. Из последней формулы следует .

Замечание. Для сложной функции форма дифференциала dny при n>1 не обладает свойством инвариантности, а значит и . Однако часто и для сложной функции f(n)(x) обозначают , понимая   не как отношение дифференциалов, а как символ, обозначающий f(n)(x).

Некоторые теоремы о дифференцируемых функциях

Теорема Ферма

Пусть функция y = f(x) определена в интервале (а, в) и принимает в точке с этого интервала наибольшее или наименьшее на (а, в) значение. Если существует f'(с), то f'(с) = 0.

Доказательство. Пусть, например, f(с) = М – наибольшее значение функции в интервале (а, в) и существует f'(с). По определению производной f'(с)=. При любом знаке Dх f(c+Dx)-f(c)0, так как f(с) – наибольшее значение функции в (а, в).

Если Dх>0, то   и, следовательно, f'(с)0. Если же Dх<0, то   и f'(с) ≥0. Следовательно, f'(с)=0.

Геометрически теорема означает, что касательная, проведенная к графику функции в точке (с; f(с)), параллельна оси Ох.

 

Теорема Ролля

Пусть функция y = f(x) непрерывна на отрезке [a, b], дифференцируема на интервале (a, b) и f(a) = f(b) = 0. Тогда ее производная f'(х) обращается в нуль хотя бы в одной точке сÎ( a, b).

Доказательство. По условию функция y = f(x) непрерывна на отрезке [a, b], поэтому она достигает на [a, b] своего наибольшего М и наименьшего m значений. Если М = m, то функция постоянна на [a, b] и ее производная f'(х) = 0 во всех точках (a, b). Пусть теперь М ¹ m, тогда хотя бы одно из этих чисел, например, m ¹ 0. Поэтому существует точка сÎ( a, b) такая, что f(с) = m. Следовательно, по теореме Ферма f'(с) = 0.

Геометрически теорема означает, что если функция y = f(x) удовлетворяет теореме Ролля, то найдется хотя бы одна точка (с; f(с)), где сÎ(a;b), такая, что касательная к графику функции, проведенная в этой точке, параллельна оси Ох.

 

Теорема Лагранжа

  Пусть функция y=f(x) непрерывна на отрезке [a, b] и дифференцируема в интервале (a, b). Тогда существует хотя бы одна точка сÎ(a, b), для которой выполняется условие: .

Доказательство. Составим уравнение хорды АВ, соединяющей точки графика функции A(a; f(a)) и B(b; f(b)):

.

Отсюда ордината хорды у=. Рассмотрим функцию . Функция F(x) непрерывна на отрезке [a, b] и дифференцируема на интервале (a, b), так как функция f(x) непрерывна на [a, b] и дифференцируема на интервале (a,b).   . Таким образом, функция F(x) удовлетворяет всем условиям теоремы Ролля. Поэтому существует такая точка сÎ(a, b), что , откуда получаем утверждение теоремы. Геометрически теорема Лагранжа означает, что существует хотя бы одна точка сÎ (а, b) такая, что касательная, проведенная к графику функции в точке (с; f (с)), параллельна хорде АВ.

 

Теорема Коши

 Если функции f (х) и (х) непрерывны на отрезке [а, b] и дифференцируемы в интервале (а, b), причем , то существует точка сÎ (а, b) такая, что

 

Доказательство. Рассмотрим функцию

F(х) = [f(х)-f(а)] – . [(х)-(а)].

Легко проверить, что эта функция удовлетворяет теореме Ролля (аналогично тому, как это было сделано в предыдущей теореме). Следовательно, существует точка сÎ (a, b.) такая, что .

Отсюда получаем утверждение теоремы.

Замечание.

Равенства   и

  называются соответственно формулами Лагранжа и Коши.

Теорема Лопиталя (Правило Лопиталя)

Пусть - функции, непрерывные на [а, b], дифференцируемые в(а, b);   при всех хÎ (а, b) и f (а) = (а) = 0.

Тогда, если существует , то существует ,причем   = .

Доказательство. Возьмем на [а, b] какую-нибудь точку х   а. Применяя формулу Коши, получим , где сÎ (а; х).

По условию f (а) = (а) = 0, значит . Если х а, то и са, так как сÎ (а, х).

При этом, если существует =А, то существует и   = А.

Поэтому =   =     = = А.

Теорема доказана.

Замечание 1. Теорема имеет место и в том случае, если функции

f(х) и (х)не определены при х = а, но  f(х) = 0,

(х) = 0.

Замечание 2. Если и производные   удовлетворяют всем тем условиям, которые наложены на функции в теореме Лопиталя, то применяя правило Лопиталя к отношению , получаем   =   и так далее. Теорема имеет место и в том случае, если f(х) и (х) не определены

 при х = a, но f(х) = ∞, (х) = ∞, а также в случае а = ∞.

Таким образом, правило Лопиталя можно применять к неопределенностям вида .

Пример1

Здесь три раза было применено правило Лопиталя.

Пример 2.     =   .

Здесь два раза было применено правило Лопиталя.

К применению правила Лопиталя можно свести с помощью некоторых преобра­зований и случаи других видов неопределенностей: 0. , 00, 0, 1, . Рассмотрим некоторые из этих случаев на примерах.

Пример 3. x2. ln х (0. ) = (применим правило Лопиталя) = -

Пример 4. (secx – tgx) () = ) = (применим правило Лопиталя) = .

Пример 5. Найти . Обозначим у = xх. Тогда   (применим правило Лопиталя) =    

Таким образом , откуда = e0 = 1.

Существует несколько способов вычисления интегралов в комплексной области.1 способ. Интеграл вычисляется сведением к криволинейным интегралам от функций действительных переменных 2 способ. Интеграл вычисляется сведением к определенному интегралу (путь интегрирования задается в параметрической форме 3 способ. Вычисление интегралов от аналитической функции в односвязных областях

Курс электрических цепей