Производная функции одной переменной.

Введение.

Настоящие методические разработки предназначены для студентов факультета промышленное и гражданское строительство. Они составлены применительно к программе курса математики по разделу «Дифференциальное исчисление функций одного переменного».

Разработки представляют собой единое методическое руководство, включающее в себя: краткие теоретические сведения; «типовые» задачи и упражнения с подробными решениями и пояснениями к этим решениям; варианты контрольной работы.

В конце каждого параграфа дополнительные упражнения. Такая структура разработок делает их пригодными для самостоятельного овладения разделом при самой минимальной помощи со стороны преподавателя.

§1. Определение производной.

Механический и геометрический смысл

производной.

Понятие производной является одним из самых важных понятий математического анализа.Оно возникло еще в 17 веке. Формирование понятия производной исторически связано с двумя задачами: задачей о скорости переменного движения и задачей о касательной к кривой.

Эти задачи, несмотря на их различное содержание, приводят к одной и той же математической операции, которую нужно провести над функцией.Эта операция получила в математике специальное название. Она называется операцией дифференцирования функции. Результат операции дифференцирования называется производной.

Итак, производной функцииy=f(x) в точкеx0 называется предел (если он существует) отношения приращения функции к приращению аргумента
при
.

Производную принято обозначать так:
.

Таким образом, по определению

Для обозначения производной употребляются также символы
.

Механический смысл производной.

Если s=s(t) – закон прямолинейного движения материальной точки, то
есть скорость этой точки в момент времениt.

Геометрический смысл производной.

Если функция y=f(x) имеет производную в точке, то угловой коэффициент касательной к графику функции в точке
равен
.

Пример.

Найдите производную функции
в точке=2:

1) Дадим точке =2 приращение
. Заметим, что.

2) Найдем приращение функции в точке =2:

3) Составим отношение приращения функции к приращению аргумента:

Найдем предел отношения при
:

.

Таким образом,
.

§ 2. Производные от некоторых

простейших функций.

Студенту необходимо научиться вычислять производные конкретных функций: y=x,y=и вообщеy=.

Найдем производную функции у=х.

т.е. (x)′=1.

Найдем производную функции

Производная

Пусть
тогда

Легко заметить закономерность в выражениях производных от степенной функции
приn=1,2,3.

Следовательно,

. (1)

Эта формула справедлива для любых действительных n.

В частности, используя формулу (1), имеем:

;

.

Пример.

Найдите производную функции

.

.

Данная функция является частным случаем функции вида

при
.

Используя формулу (1), имеем

.

Производные функций y=sin x и y=cos x.

Пусть y=sinx.

Разделим на ∆x, получим

Переходя к пределу при ∆x→0, имеем

Пусть y=cosx .

Переходя к пределу при ∆x→0, получим

;
. (2)

§3. Основные правила дифференцирования.

Рассмотрим правила дифференцирования.

Теорема 1 . Если функцииu=u(x) иv=v(x) дифференцируемы в данной точкеx,то в этой точке дифференцируема и их сумма, причем производная суммы равна сумме производных слагаемых: (u+v)"=u"+v".(3)

Доказательство: рассмотрим функцию y=f(x)=u(x)+v(x).

Приращению ∆x аргумента x соответствуют приращения ∆u=u(x+∆x)-u(x), ∆v=v(x+∆x)-v(x) функций u и v. Тогда функция y получит приращение

∆y=f(x+∆x)-f(x)=

=--=∆u+∆v.

Следовательно,

Итак, (u+v)"=u"+v".

Теорема 2. Если функцииu=u(x) иv=v(x) дифференцируемы в данной точкеx, то в той же точке дифференцируемо и их произведение.При этом производная произведения находится по следующей формуле: (uv)"=u"v+uv". (4)

Доказательство: Пусть y=uv, где u и v – некоторые дифференцируемые функции от x. Дадим x приращение ∆x;тогда u получит приращение ∆u, v получит приращение ∆v и y получит приращение ∆y.

Имеем y+∆y=(u+∆u)(v+∆v), или

y+∆y=uv+u∆v+v∆u+∆u∆v.

Следовательно, ∆y=u∆v+v∆u+∆u∆v.

Отсюда

Переходя к пределу при ∆x→0 и учитывая, чтоuиvне зависят от ∆x, будем иметь

Теорема 3 . Производная частного двух функций равна дроби, знаменатель которой равен квадрату делителя, а числитель- разности между произведением производной делимого на делитель и произведением делимого на производную делителя, т.е.

Если
то
(5)

Теорема 4. Производная постоянной равна нулю, т.е. если y=C, где С=const, то y"=0.

Теорема 5. Постоянный множитель можно выносить за знак производной, т.е. если y=Cu(x), где С=const, то y"=Cu"(x).

Пример 1.

Найдите производную функции

.

Данная функция имеет вид
, гдеu=x,v=cosx. Применяя правило дифференцирования (4), находим

.

Пример 2.

Найдите производную функции

.

Применим формулу (5).

Здесь
;
.

Задачи.

Найдите производные следующих функций:

;

11)

2)
; 12)
;

3)
13)

4)
14)

5)
15)

6)
16)

7 )
17)

8)
18)

9)
19)

10)
20)

Решать физические задачи или примеры по математике совершенно невозможно без знаний о производной и методах ее вычисления. Производная - одно из важнейших понятий математического анализа. Этой фундаментальной теме мы и решили посвятить сегодняшнюю статью. Что такое производная, каков ее физический и геометрический смысл, как посчитать производную функции? Все эти вопросы можно объединить в один: как понять производную?

Геометрический и физический смысл производной

Пусть есть функция f(x) , заданная в некотором интервале (a, b) . Точки х и х0 принадлежат этому интервалу. При изменении х меняется и сама функция. Изменение аргумента – разность его значений х-х0 . Эта разность записывается как дельта икс и называется приращением аргумента. Изменением или приращением функции называется разность значений функции в двух точках. Определение производной:

Производная функции в точке – предел отношения приращения функции в данной точке к приращению аргумента, когда последнее стремится к нулю.

Иначе это можно записать так:

Какой смысл в нахождении такого предела? А вот какой:

производная от функции в точке равна тангенсу угла между осью OX и касательной к графику функции в данной точке.

Физический смысл производной: производная пути по времени равна скорости прямолинейного движения.

Действительно, еще со школьных времен всем известно, что скорость – это частное пути x=f(t) и времени t . Средняя скорость за некоторый промежуток времени:

Чтобы узнать скорость движения в момент времени t0 нужно вычислить предел:

Правило первое: выносим константу

Константу можно вынести за знак производной. Более того - это нужно делать. При решении примеров по математике возьмите за правило - если можете упростить выражение, обязательно упрощайте .

Пример. Вычислим производную:

Правило второе: производная суммы функций

Производная суммы двух функций равна сумме производных этих функций. То же самое справедливо и для производной разности функций.

Не будем приводить доказательство этой теоремы, а лучше рассмотрим практический пример.

Найти производную функции:

Правило третье: производная произведения функций

Производная произведения двух дифференцируемых функций вычисляется по формуле:

Пример: найти производную функции:

Решение:

Здесь важно сказать о вычислении производных сложных функций. Производная сложной функции равна произведению производной этой функции по промежуточному аргументу на производную промежуточного аргумента по независимой переменной.

В вышеуказанном примере мы встречаем выражение:

В данном случае промежуточный аргумент – 8х в пятой степени. Для того, чтобы вычислить производную такого выражения сначала считаем производную внешней функции по промежуточному аргументу, а потом умножаем на производную непосредственно самого промежуточного аргумента по независимой переменной.

Правило четвертое: производная частного двух функций

Формула для определения производной от частного двух функций:

Мы постарались рассказать о производных для чайников с нуля. Эта тема не так проста, как кажется, поэтому предупреждаем: в примерах часто встречаются ловушки, так что будьте внимательны при вычислении производных.

С любым вопросом по этой и другим темам вы можете обратиться в студенческий сервис . За короткий срок мы поможем решить самую сложную контрольную и разобраться с заданиями, даже если вы никогда раньше не занимались вычислением производных.

Министерство образования Российской Федерации

“МАТИ”- РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К. Э. ЦИОЛКОВСКОГО

Кафедра “Высшая математика”

Варианты курсовых заданий

Методические указания к курсовому заданию

«Пределы функций. Производные»

Кулакова Р. Д.

Титаренко В. И.

Москва 1999

Аннотация

Предлагаемые методические указания ставят своей целью помочь студентам первого курса усвоить теоретический и практический материал по теме «Математический анализ».

В каждом разделе после теоретической части разбираются типовые задачи.

В методических указаниях охвачены следующие темы: пределы функций, дифференцирование функций, заданных в различных видах, производные и дифференциалы высших порядков, правило Лопиталя, приложение производной к задачам геометрии и механики.

Для закрепления материала студентам предлагается выполнить курсовую работу по перечисленным выше темам.

Настоящие методические указания могут использоваться на всех факультетах и специальностях.

1. Пределы функций

Для определения пределов последовательностей и функций используются некоторые известные приемы:

Если необходимо найти предел

можно предварительно привести к общему знаменателю

Поделив на член, имеющий максимальную степень, получим в числителе постоянную величину, а в знаменателе – все члены, стремящиеся к 0,то есть

.

Тогда и подставив x=a, получим:
;

4.
, при подстановке х=0, получим
.

5. Однако, если необходимо найти предел рациональной функции

, то при делении на член с минимальной степенью, получим

; и, устремив х к 0, получим:

Если в пределах содержатся иррациональные выражения, то приходится вводить новые переменные для получения рационального выражения, или же переводить иррациональности из знаменателя в числитель и наоборот.

6.
; Сделаем замену переменной. Заменим
, при
, получим
.

7.
. Если числитель и знаменатель умножить на одно и то же число, то предел не изменится. Умножим числитель на
и разделим на это же выражение, чтобы предел не изменился, а знаменатель умножим на
и разделим, на это же выражение. Тогда получим:

Для определения пределов часто используются замечательные пределы:

; (1)

. (2)

8.
.

Для вычисления такого предела сведем его к 1-му замечательному пределу (1). Для этого умножим и разделим числитель на
, а знаменатель на
, тогда.

9.
Для вычисления этого предела сведем его ко второму замечательному пределу. С этой целью из рационального выражения в скобках выделим целую часть и представим ее в виде правильной дроби. Так поступают в тех случаях, когда
, где
, а
, где
;

, а
, то окончательно
. Здесь использовалась непрерывность композиции непрерывных функций.

2. Производная

Производной от функции
называется конечный предел отношения приращения функции к приращению аргумента, когда последнее стремится к нулю:

, или
.

Геометрически производная представляет собой угловой коэффициент касательной к графику функции
в точке х, то есть
.

Производная есть скорость изменения функции в точке х.

Отыскание производной называется дифференцированием функции.

Формулы дифференцирования основных функций:

3. Основные правила дифференцирования

Пусть , тогда:

7) Если , то есть
, где
и
имеют производные, то
(правило дифференцирования сложной функции).

4. Логарифмическое дифференцирование

Если требуется найти из уравнения
, то можно:

а) логарифмировать обе части уравнения

б) дифференцировать обе части полученного равенства, где
есть сложная функция от х,

.

в) заменить его выражением через х

.

Пример:

5. Дифференцирование неявных функций

Пусть уравнение
определяеткак неявную функцию от х.

а) продифференцируем по х обе части уравнения
, получим уравнение первой степени относительно;

б) из полученного уравнения выразим .

Пример:
.

6. Дифференцирование функций, заданных

параметрически

Пусть функция задана параметрическими уравнениями
,

тогда
, или

Пример:

7. Приложение производной к задачам

геометрии и механики

Пусть
и
, где-угол, образованный с положительным направлением оси ОХ касательной к кривой в точке с абсциссой.

Уравнение касательной к кривой
в точке
имеет вид:

, где -производнаяпри
.

Нормалью к кривой называется прямая, перпендикулярная касательной и проходящая через точку касания.

Уравнение нормали имеет вид

.

Угол между двумя кривыми
и
в точке их пересечения
называется угол между касательными к этим кривым в точке
. Этот угол находится по формуле

.

8. Производные высших порядков

Если есть производная от функции
, то производная отназывается второй производной, или производной второго порядка и обозначается, или
, или.

Аналогично определяются производные любого порядка:производная третьего порядка
; производнаяn-го порядка:

.

Для произведения двух функций можно получить производную любого n-го порядка, пользуясь формулой Лейбница:

9. Вторая производная от неявной функции

-уравнение определяет , как неявную функцию от х.

а) определим
;

б) продифференцируем по х левую и правую части равенства
,

причем, дифференцируя функцию
по переменной х, помним, чтоесть функция от х:

;

в) заменяя через
, получим:
и т.д.

10. Производные от функций, заданных параметрически

Найти
если
.

11. Дифференциалы первого и высших порядков

Дифференциалом первого порядка функции
называется главная, линейная относительно аргумента часть. Дифференциалом аргумента называется приращение аргумента:
.

Дифференциал функции равен произведению ее производной на дифференциал аргумента:

.

Основные свойства дифференциала:

где
.

Если приращение
аргумента мало по абсолютной величине, то
и.

Таким образом, дифференциал функции может применяться для приближенных вычислений.

Дифференциалом второго порядка функции
называется дифференциал от дифференциала первого порядка:
.

Аналогично:
.

.

Если
и- независимая переменная, то дифференциалы высших порядков вычисляются по формулам

Найти дифференциалы первого и второго порядков функции

12. Вычисление пределов с помощью правила Лопиталя

Все вышеперечисленные пределы не использовали аппарат дифференциального исчисления. Однако, если необходимо найти

и при
обе эти функции бесконечно малые или обе бесконечно большие, то их отношение не определено в точке
и, следовательно, представляет собой неопределенность типаилисоответственно. Поскольку это отношение в точке
может иметь предел, конечный или бесконечный, то нахождение этого предела называется раскрытием неопределенности (правило Лопиталя Бернули),

и имеет место следующее равенство:

, если
и
.

=
.

Аналогичное правило имеет место, если
и
, т.е.
.

=

=
.

Правило Лопиталя позволяет также раскрывать неопределенности типа
и
. Для вычисления
, где
- бесконечно малая, а
- бесконечно большая при
(раскрытие неопределенности типа
) следует преобразовать произведение к виду

(неопределенность типа ) или к виду(неопределенность типа) и далее использовать правило Лапиталя.

Для вычисления
, где
и
- бесконечно большие при
(раскрытие неопределенности типа
) следует преобразовать разность к виду
, затем раскрыть неопределенностьтипа. Если
, то
.

Если же
, то получается неопределенность типа (
), которая раскрывается аналогично примеру 12).

Так как
, то получим в итоге неопределенность типа
и далее имеем

.

Правилом Лопиталя можно пользоваться также для раскрытия неопределенностей типа
. В этих случаях имеется в виду вычисление предела выражения
, где
в случае
есть бесконечно малая, в случае
- бесконечно большая, а в случае
- функция, предел которой равен единице.

Функция
в первых двух случаях является бесконечно малой, а в последнем случае – бесконечно большой функцией.

Прежде чем искать предел таких выражений, их логарифмируют, т.е. если
, то
, затем находят предел
, и после чего находят предел. Во всех перечисленных случаях
является неопределенностью типа
, которую раскрывают аналогично примеру 12).

5.

(воспользуемся правилом Лопиталя)=

=
.

В этом произведении пределов первый равен 1, второй сомножитель представляет собой первый замечательный предел и он тоже равен 1, а последний сомножитель стремится к 0, следовательно:

и тогда
.

=
;

.

7.
;

=
;

.

8.
;

=
;

.

КУРСОВУЮ РАБОТУ ВКЛЮЧЕНА 21 ЗАДАЧА.

№1-4 – Вычисление пределов функций;

№5-10 – Найти производные функций;

№11 – Найти первую производную;

№12 – Вычислить функции, заданной параметрическом виде;

№13 – Найти d 2 y ;

№14 – Найти y ( n ) ;

№15 – Составить уравнение нормали и касательной к кривой в точке x 0 ;

№16 – Вычислить значение функции приближенно с помощью дифференциала;

№17 – Найти
;

№18 – Найти ;

№19 – Найти ;

№20-21 – Вычислить предел, используя правило Лопиталя.

Вариант 1

№1.
.

№2.
.

№3.
.

№4.
.

Вычислить производную

№5.
.

В координатной плоскости хОу рассмотрим график функции y=f (x) . Зафиксируем точку М(х 0 ; f (x 0)) . Придадим абсциссе х 0 приращение Δх . Мы получим новую абсциссу х 0 +Δх . Это абсцисса точки N , а ордината будет равна f (х 0 +Δх ). Изменение абсциссы повлекло за собой изменение ординаты. Это изменение называют приращение функции и обозначают Δy .

Δy=f (х 0 +Δх) — f (x 0). Через точки M и N проведем секущую MN , которая образует угол φ с положительным направлением оси Ох . Определим тангенс угла φ из прямоугольного треугольника MPN .

Пусть Δх стремится к нулю. Тогда секущая MN будет стремиться занять положение касательной МТ , а угол φ станет углом α . Значит, тангенс угла α есть предельное значение тангенса угла φ :

Предел отношения приращения функции к приращению аргумента, при стремлении последнего к нулю, называют производной функции в данной точке:

Геометрический смысл производной заключается в том, что численно производная функции в данной точке равна тангенсу угла, образованного касательной, проведенной через эту точку к данной кривой, и положительным направлением оси Ох :

Примеры.

1. Найти приращение аргумента и приращение функции y=x 2 , если начальное значение аргумента было равно 4 , а новое -4,01 .

Решение.

Новое значение аргумента х=х 0 +Δx . Подставим данные: 4,01=4+Δх, отсюда приращение аргумента Δх =4,01-4=0,01. Приращение функции, по определению, равно разности между новым и прежним значениями функции, т.е. Δy=f (х 0 +Δх) - f (x 0). Так как у нас функция y=x 2 , то Δу =(х 0 +Δx) 2 — (х 0) 2 =(х 0) 2 +2x 0 · Δx+(Δx) 2 — (х 0) 2 =2x 0 · Δx+(Δx) 2 =

2 · 4 · 0,01+(0,01) 2 =0,08+0,0001=0,0801.

Ответ: приращение аргумента Δх =0,01; приращение функции Δу =0,0801.

Можно было приращение функции найти по-другому: Δy =y (х 0 +Δx) -y (х 0)=у(4,01) -у(4)=4,01 2 -4 2 =16,0801-16=0,0801.

2. Найти угол наклона касательной к графику функции y=f (x) в точке х 0 , если f "(х 0) = 1 .

Решение.

Значение производной в точке касания х 0 и есть значение тангенса угла наклона касательной (геометрический смысл производной). Имеем: f "(х 0) = tgα = 1 → α = 45°, так как tg45°=1.

Ответ: касательная к графику данной функции образует с положительным направлением оси Ох угол, равный 45° .

3. Вывести формулу производной функции y=x n .

Дифференцирование — это действие нахождения производной функции.

При нахождении производных применяют формулы, которые были выведены на основании определения производной, так же, как мы вывели формулу производной степени: (x n)" = nx n-1 .

Вот эти формулы.

Таблицу производных легче будет заучить, проговаривая словесные формулировки:

1. Производная постоянной величины равна нулю.

2. Икс штрих равен единице.

3. Постоянный множитель можно вынести за знак производной.

4. Производная степени равна произведению показателя этой степени на степень с тем же основанием, но показателем на единицу меньше.

5. Производная корня равна единице, деленной на два таких же корня.

6. Производная единицы, деленной на икс равна минус единице, деленной на икс в квадрате.

7. Производная синуса равна косинусу.

8. Производная косинуса равна минус синусу.

9. Производная тангенса равна единице, деленной на квадрат косинуса.

10. Производная котангенса равна минус единице, деленной на квадрат синуса.

Учим правила дифференцирования .

1. Производная алгебраической суммы равна алгебраической сумме производных слагаемых.

2. Производная произведения равна произведению производной первого множителя на второй плюс произведение первого множителя на производную второго.

3. Производная «у», деленного на «вэ» равна дроби, в числителе которой "у штрих умноженный на «вэ» минус «у, умноженный на вэ штрих», а в знаменателе — «вэ в квадрате».

4. Частный случай формулы 3.

Учим вместе!

Страница 1 из 1 1