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.

Пример. Найти частные производные функции y x yxz

Решение. Полагая y =const , находимy xy x z

Полагая x =const , находим 2 2) 1 (1 y x x y xx y z

Пример. Найти значения частных производных функции в точке M (1, – 1, 0). xyzyxu)ln(

Решение. Полагая y = const , z = const , находим 10 11 22 1)02(1 22 22 , Ì czy yz yx x yzx yxx u

Аналогично находим 10 11 22 1)20(1 22 22 , M czx xz yx y xzy yxy u 110 , M cyx xyxy z u

Геометрическим смыслом частной производной (например,) является тангенс угла наклона касательной, проведенной в точке M 0 (x 0 , y 0 , z 0) к сечению поверхности плоскостью у = у 0. xz

Предположим, что функция z = f (x , y) имеет непрерывные частные производные), (yxf x z x), (yxf y z y

Эти производные в свою очередь являются функциями независимых переменных x и y. Будем называть и частными производными 1 — го порядка.), (yxf x), (yxf y

Частными производными 2 -го порядка называются частные производные от частных производных 1 -го порядка. Для функции z = f (x , y) двух переменных можно найти четыре частные производные 2 -го порядка, которые обозна-чаются следующим обр-м:

В общем случае смешанные частные производные могут не совпадать, однако для них справедлива теорема: Теорема. Если смешанные частные производные и непрерывны в некоторой точке M (x , y) , то они равны, т. е. xyfyxf), (yxfyxf yxxy

Ч астными производными n – го порядка называются частные производные от частных производных (n – 1)– го порядка. Их обозначают и т. д. 221 , yx z x z n n n

Пример. Найти частные производные 2 -го порядка функции)1 sin(23 xyyxz

Решение. Последовательно находим); 1 cos(3 22 xyyyx x z cy); 1 cos(2 3 xyxyx y z cx

); 1 sin(6)1 cos(3 22 22 2 2 xyyxy xyyyx xx z cy cy); 1 sin()1 cos(6)1 cos(3 2 22 2 xyyx xyyyx z cx cx

)1 sin()1 cos(6 1 cos(2 2 3 2 xyyx xyxyx xxy z cy cy)1 sin(2)1 cos(2 23 3 2 2 xyxx xyxyx yy z cx cx

Рассмотрим функцию z = f (x , y). Дадим аргументу x приращение Δ x , а аргументу y приращение Δ y. Тогда z получит приращение которое называется полным приращением функции z.), (yxfyyxxfz

Предположим, что f (x , y) в точке M (x , y) имеет непрерывные частные производные.

Определение. Дифференциалом 1 -го порядка функции z = f (x , y) называется главная часть полного приращения Δ z этой функции, линейная относительно Δ x и Δ y , обозначается символом dz или df и вычисляется по формуле y y z x x z zd

Так как дифференциалы независимых переменных совпадают с их приращениями, т. е. dx = Δ x , dy = Δ y , то эту формулу можно записать в виде: dy y z dx x z zd

Геометрическим смыслом полного дифференциала функции двух переменных f (x , y) в точке (х 0 , у 0) является приращение аппликаты (координаты z) касательной плоскости к поверхности при переходе от точки (х 0 , у 0) к точке (х 0 + х, у 0 + у).

Геометрический смысл полного дифференциала функции двух переменных является пространственным аналогом геометрического смысла дифференциала функции одной переменной.

Дифференциалом 2 -го порядка функции z = f (x , y) называется дифференциал от ее дифференциала 1 -го порядка и обозначается)(zzddd

Если все частные производные 2 -го порядка функции z = f (x , y) непрерывны, то имеет место формула: 2 2 2 y y z yx yx z x x z zddddd

Пример. Найти дифференциалы 1 -го и 2 -го порядков функции y x yz 2 x

Решение. Найдем частные производные 1 -го и 2 -го порядков: y yx x z 1 2 2 2 y x x y z

; 202 1 2 2 2 yy y xy xx z cy ; 1 2 2 2 y xy yyx z cx 33 22 22 2)2(0 y x yx y x x y y z cy

Следовательно, дифференциалы 1 -го и 2 -го порядков запишутся в виде: dy y x xdx y xyz)() 1 2(d 2 2 2 32 222) 1 2(22 y y x yx y xxyzddddd

Пусть функция f (x , y) дифференцируема в точке (х, у). Найдем полное приращение этой функции:), (yxfyyxxfz zyxfyyxxf), (

Если подставить в эту формулу выражение то получим приближенную формулу: y yf x xf dzz y y yxf x x yxf yyxxf), (

Пример. Вычислить приближенно значение исходя из значения функции при x = 1, y = 2, z = 102, 1 ln 04, 1 99, 1 zxu y ln

Решение. Из заданного выражения определим x = 1, 04 – 1 = 0, 04, y = 1, 99 – 2 = -0, 01, z = 1, 02 – 1 = 0, 02. Найдем значение функции u (x , y , z) = 11 ln

Находим частные производные: 1 12 12 ln 2 1 zx xy x u y y 0 ln 2 ln zx xx y u y y

Полный дифференциал функции u равен: 2 1 ln 2 1 zx z z u y

05, 001, 004, 0 02, 0 21 01, 0004, 01 02, 001, 004, 0 zu yu xudu

Точное значение этого выражения: 1, 049275225687319176. 05, 105, 01)1, 2, 1(02, 1 ln 04, 1 99, 1 duu

Касательной плоскостью к поверхности в ее точке M 0 называется плоскость, которая содержит все касательные к кривым, проведенным на поверхности через эту точку.

Нормалью к поверхности в точке M 0 называется прямая, проходящая через эту точку и перпендикулярная касательной плоскости, проведенной в данной точке.

Если поверхность задана уравнением F (x , y , z) = 0 то уравнение касательной плоскости в точке M 0 (x 0 , y 0 , z 0) имеет вид: 0))((00 0000 zz. MF yy. MFxx. MF z yx

Уравнения нормали, проведенной к поверхности в точке M 0 (x 0 , y 0 , z 0) , запишутся следующим образом:)()()(0 0 0 MF zz MF yy MF xx zyx

Если поверхность задана уравнением z = f (x , y) , то уравнение касательной плоскости в точке M 0 (x 0 , y 0 , z 0) имеет вид:))(, (000 0000 yyyxf xxyxfzz y x

а уравнения нормали запишутся так: 1), (0 00 0 zz yxf yy yxf xx yx

Пример. Составить уравнения касательной плоскости и нормали к поверхности в точке M 0 (x 0 , y 0 , z 0) , если 01332 22 yzxzxyyx. 1, 2 00 yx

Решение. Подставляя x 0 и y 0 в уравнение поверхности, находим значение z 0: откуда находим z 0 = 1. Следовательно, M 0 (2, – 1, 1) – точка касания. 01)1(32)1(23)1(2400 2 zz

По условию задачи поверхность задана неявно. Обозначим и найдем частные производные в точке M 0 (2, – 1, 1) : 1332), (22 yzxzxyyxzyx.

, 32 zyx. F x 21)1(322)(0 MF x , 334 zxy. F y 51323)1(4)(0 MF y , 3 yx. F z 1)1(32)(0 MF z

Подставля ем найденные значения частных производных в уравнение касательной плоскости 0))((00 0000 zz. MF yy. MFxx. MF z yx

У равнения нормали име ю т вид 1 1 5 1 2 2 zyx

Определение. Функция z = f (x , y) имеет максимум в точке M 0 (x 0 , y 0) , если существует такая окрестность этой точки, что для любых точек M (x , y) из этой окрестности выполняется неравенство), (00 yxfyxf

Пусть задана функция . Так как x и y – независимые переменные, то одна из них может изменяться, а другая сохранять свое значение. Дадим независимой переменной x приращение , сохраняя значение y неизменным. Тогда z получит приращение, которое называется частным приращением z по x и обозначается . Итак, .

Аналогично получаем частное приращение z по y: .

Полное приращение функции z определяется равенством .

Если существует предел , то он называется частной производной функции в точке по переменной x и обозначается одним из символов:

Частные производные по x в точке обычно обозначают символами .

Аналогично определяется и обозначается частная производная от по переменной y:

Таким образом, частная производная функции нескольких (двух, трех и больше) переменных определяется как производная функции одной из этих переменных при условии постоянства значений остальных независимых переменных. Поэтому частные производные функции находится по формулам и правилам вычисления производных функции одной переменной (при этом соответственно x или y считаются постоянной величиной).

Частные производные и называют частными производными первого порядка. Их можно рассматривать как функции от . Эти функции могут иметь частные производные, которые называются частными производными второго порядка. Они определяются и обозначаются следующим образом:

; ;

; .

Дифференциалы 1 и 2 порядка функции двух переменных.

Полный дифференциал функции (формула 2.5) называют дифференциалом первого порядка.

Формула для вычисления полного дифференциала имеет следующий вид:

(2.5) или , где ,

частные дифференциалы функции .

Пусть функция имеет непрерывные частные производные второго порядка. Дифференциал второго порядка определяется по формуле . Найдем его:

Отсюда: . Символически это записывается так:

НЕОПРЕДЕЛЕННЫЙ ИНТЕГРАЛ.

Первообразная функции, неопределенный интеграл, свойства.

Функция F(x) называется первообразной для данной функции f{x), если F"(x)=f(x), или, что то же, если dF(x)=f(x)dx.

Теорема. Если функция f(x), определенная в некотором промежутке (X) конечной или бесконечной длины, имеет одну первообразную, F(x), то она имеет и бесконечно много первообразных; все они содержатся в выражении F(x)+С, где С - произвольная постоянная.

Совокупность всех первообразных для данной функции f(x), определенной в некотором промежутке или на некотором отрезке конечной или бесконечной длины, называется неопределенным интегралом от функции f(x) [или от выражения f(x)dx ] и обозначается символом .

Если F(x) есть одна из первообразных для f(x), то согласно теореме о первообразных

, где С есть произвольная постоянная.

По определению первообразной F"(x)=f(x) и, следовательно, dF(x)=f(x) dx. В формуле (7.1), f(x) называется подинтегральной функцией, а f(x) dx - подинтегральным выражением.

Пусть задана функция двух переменных. Дадим аргументу приращение, а аргумент оставим неизменным. Тогда функция получит приращение, которое называется частным приращением по переменной и обозначается:

Аналогично, фиксируя аргумент и придавая аргументу прираще-ние, получим частное приращение функции по переменной:

Величина называется полным прира-щениием функции в точке.

Определение 4. Частной производной функции двух переменных по одной из этих переменных называется предел отношения соответствующего частного приращения функции к приращению данной переменной, когда последнее стремится к нулю (если этот предел существует). Обозначается частная производная так: или, или.

Таким образом, по определению имеем:

Частные производные функции вычисляются по тем же правилам и формулам, что и функция одной переменной, при этом учитывается, что при дифференцировании по переменной, считается постоянной, а при дифференцировании по переменной постоянной считается.

Пример 3. Найти частные производные функций:

Решение. а) Чтобы найти считаем постоянной величиной и дифференцируем как функцию одной переменной:

Аналогично, считая постоянной величиной, находим:

Определение 5. Полным дифференциалом функции называется сумма произведений частных производных этой функции на приращения соответствующих независимых переменных, т.е.

Учитывая, что дифференциалы независимых переменных совпадают с их приращениями, т.е. , формулу полного дифференциала можно записать в виде

Пример 4. Найти полный дифференциал функции.

Решение. Так как, то по формуле полного дифференциала находим

Частные производные высших порядков

Частные производные и называют частными производными первого порядка или первыми частными производными.

Определение 6. Частными производными второго порядка функции называются частные производные от частных производных первого порядка.

Частных производных второго порядка четыре. Они обозначаются следующим образом:

Аналогично определяются частные производные 3-го, 4-го и более высоких порядков. Например, для функции имеем:

Частные производные второго или более высокого порядка, взятые по различным переменным, называются смешанными частными производными. Для функции таковыми являются производные. Заметим, что в случае, когда смешанные производные непрерывны, то имеет место равенство.

Пример 5. Найти частные производные второго порядка функции

Решение. Частные производные первого порядка для данной функции найдены в примере 3:

Дифференцируя и по переменным х и y, получим

Понятие функции многих переменных

Пусть имеется n-перем-х и каждому х 1 , х 2 … х n из нек-го множ-ва х поставлено в соответствие опред. число Z, тогда на множ-ве х задана ф-ция Z=f(х 1 , х 2 … х n) многих переменных.

Х – обл-ть опред-я ф-ции

х 1 , х 2 … х n – независ-е переем-е (аргументы)

Z – ф-ция Пример: Z=П х 2 1 *х 2 (Объем цилиндра)

Рассм-м Z=f(х;у) – ф-цию 2-х перем-х (х 1 , х 2 замен-ся на х,у). Рез-ты по аналогии переносятся на др. ф-ции многих перем-х. Обл-ть опред-я ф-ции 2-х перем-х – вся корд пл-ть (оху) или ее часть. Мн-во знач-й ф-ции 2-х перем-х – поверх-ть в 3х-мерном простр-ве.

Приемы построения графиков: - Рассм-т сечение поверх-ти пл-тями || координатным пл-тям.

Пример: х = х 0 , зн. пл-ть Х || 0уz у = у 0 0хz Вид ф-ции: Z=f(х 0 ,y); Z=f(x,у 0)

Например: Z=x 2 +y 2 -2y

Z= x 2 +(y-1) 2 -1 x=0 Z=(y-1) 2 -1 y=1 Z= x 2 -1 Z=0 x 2 +(y-1) 2 -1

Парабола окруж-ть(центр(0;1)

Пределы и непрерывность ф-ций двух переменных

Пусть задана Z=f(х;у), тогда А – предел ф-ции в т.(х 0 ,y 0), если для любого сколь угодно малого положит. числа E>0 сущ-т полож-е число б>0, что для всех х,у удовл-щих |x-х 0 |<б; |y-y 0 |<б выполняется нерав-во |f(x,y)-A|

Z=f(х;у) непрерывна в т.(х 0 ,y 0), если: - она опред-на в этой т.; - имеет конеч. предел при х, стрем-ся к х 0 и у к у 0 ; - этот предел = знач-ю

ф-ции в т.(х 0 ,y 0), т.е. limf(х;у)=f(х 0 ,y 0)

Если ф-ция непрерывна в кажд. т. мн-ва Х, то она непрерывна в этой области

Дифференциал ф-ции, его геом смысл. Применение диф-ла в приближенных значениях.

dy=f’(x)∆x – диф-л ф-ции

dy=dx, т.е. dy=f ’(x)dx если у=х

С геом точки зрения диф-л ф-ции – это приращение ординаты касательной, проведенной к графику ф-ции в точке с абсциссой х 0

Диф-л применяют в вычислении приближ. значений ф-ции по формуле: f(х 0 +∆x)~f(х 0)+f’(х 0)∆x

Чем ближе ∆x к х, тем результат точнее

Частные производные первого и второго порядка

Производная первого порядка(которая называется частной)

О. Пусть х, у – приращения независимых переменных х и у в некоторой точке из области Х. Тогда величина, равная z = f(x+ х, y+ у) = f(x,y) называется полным приращением в точке х 0, у 0. Если переменную х зафиксировать, а переменной у дать приращение у, то получим zу = f(x,y,+ у) – f(x,y)

Аналогично определяется частная производная от переменной у, т.е.

Частную производную функции 2-х переменных находят по тем же правилам, что и для функций одной переменной.

Отличие состоит в том, что при дифференциации функции по переменной х, у считается const, а при дифференцировании по у, х считается const.

Изолированные const соединены с функцией операциями сложения/вычитания.

Связанные const соединены с функцией операциями умножения/деления.

Производная изолированной const = 0

1.4.Полный дифференциал функции 2-х переменных и его приложения

Пусть z = f(x,y), тогда

tz = - называется полным приращением

Частная производная 2-го порядка

Для непрерывных функций 2-х переменных смешанные частные производные 2-го порядка и совпадают.

Применение частных производных к определению частных производных max и min функций называются экстремумами.

О. Точки называются max или min z = f(x,y), если существуют некоторые отрезки такие, что для всех x и y из этой окрестности f(x,y)

Т. Если задана точка экстремума функции 2-х переменных, то значение частных производных в этой точке равны 0, т.е. ,

Точки , в которых частные производные первого порядка называются стационарными или критическими.

Поэтому для нахождения точек экстремума функции 2-х переменных используются достаточные условия экстремума.

Пусть функция z = f(x,y) дважды дифференцируема, и стационарная точка,

1) , причем maxA<0, minA>0.

1.4.(*)Полный дифференциал. Геометрический смысл дифференциала. Приложение дифференциала в приближенных вычислениях

О. Пусть функция y = f(x) определена в некоторой окрестности в точки . Функция f(x) называется дифференцируемой в точке , если ее приращение в этой точке , где представлено в виде (1)

Где А – постоянная величина, не зависящая от , при фиксированной точке х, - бесконечно малая при . Линейная относительно функция А называется дифференциалом функции f(x) в точке и обозначается df() или dy.

Таким образом, выражение (1) можно записать в виде ().

Дифференциал функции в выражении (1) имеет вид dy = A . Как и всякая линейная функция, он определен для любого значений в то время, как приращение функции необходимо рассматривать только для таких , для которых + принадлежит области определения функции f(x).

Для удобства записи дифференциала приращение обозначают dx и называют его дифференциалом независимой переменной x. Поэтому дифференциал записывают в виде dy = Adx.

Если функция f(x) дифференцируема в каждой точке некоторого интервала, то ее дифференциал является функцией двух переменных – точки x и переменной dx:

Т. Для того, чтобы функция y = g(x) была дифференцируема в некоторой точке , необходимо и достаточно, чтобы она имела в этой точке производную, при этом

(*)Доказательство. Необходимость.

Пусть функция f(x) дифференцируема в точке , т.е. . Тогда

Поэтому производная f’() существует и равна А. Отсюда dy = f’()dx

Достаточность.

Пусть существует производная f’(), т.е. = f’(). Тогда кривую y = f(x) отрезком касательной. Для вычисления значения функции в точке х берут в некоторой ее окрестности точку , такую, что не составляет труда найти f() и f’()/