Приращение переменной. Open Library - открытая библиотека учебной информации

по медицинской и биологической физике

ЛЕКЦИЯ №1

ПРОИЗВОДНАЯ И ДИФФЕРЕНЦИАЛ ФУНКЦИИ.

ЧАСТНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ.

1. Понятие производной, ее механический и геометрический смысл.

а) Приращение аргумента и функции.

Пусть дана функция y=f(х), где х– значение аргумента из области определения функции. Если выбрать два значения аргумента х о и х из определенного интервала области определения функции, то разность между двумя значениями аргумента называется приращением аргумента: х - х о =∆х.

Значение аргумента x можно определить через x 0 и его приращение: х = х о + ∆х.

Разность между двумя значениями функции называется приращением функции: ∆y =∆f = f(х о +∆х) – f(х о).

Приращение аргументаи функции можно представить графически (рис.1). Приращение аргумента и приращение функции может быть как положительным, так и отрицательным. Как следует из рис.1 геометрически приращение аргумента ∆х изображается приращением абсциссы, а приращение функции ∆у – приращением ординаты. Вычисление приращения функции следует проводить в следующем порядке:

даем аргументу приращение ∆х и получаем значение – x+Δx;

2) находим значение функции для значения аргумента (х+∆х) – f(х+∆х);

3) находим приращение функции ∆f=f(х + ∆х) - f(х).

Пример: Определить приращение функции y=х 2 , если аргумент изменился от х о =1 до х=3. Для точки х о значение функции f(х о)=х² о; для точки (х о +∆х) значение функции f(х о +∆х) = (х о +∆х) 2 = х² о +2х о ∆х+∆х 2 , откуда ∆f = f(х о +∆х)–f(х о) = (х о +∆х) 2 –х² о = х² о +2х о ∆х+∆х 2 –х² о = 2х о ∆х+∆х 2 ; ∆f = 2х о ∆х+∆х 2 ; ∆х = 3–1 = 2; ∆f =2·1·2+4 = 8.

б) Задачи, приводящие к понятию производной. Определение производной, ее физический смысл.

Понятие приращения аргумента и функции необходимы для введения понятия производной, которое исторически возникло исходя из необходимости определения скорости тех или иных процессов.

Рассмотрим, каким образом можно определить скорость прямолинейного движения. Пусть тело движется прямолинейно по закону: ∆Ѕ= ·∆t. Дляравномерного движения:= ∆Ѕ/∆t.

Для переменного движения значение ∆Ѕ/∆tопределяет значение ср. , т.е. ср. =∆Ѕ/∆t.Но средняя скорость не дает возможности отразить особенности движения тела и дать представление об истинной скорости в момент времени t. При уменьшении промежутка времени, т.е. при ∆t→0 средняя скоростьстремится к своему пределу – мгновенной скорости:

 мгн. =
 ср. =
∆Ѕ/∆t.

Таким же образом определяется и мгновенная скорость химической реакции:

 мгн. =
 ср. =
∆х/∆t,

где х – количество вещества, образовавшееся при химической реакции за время t. Подобные задачи по определению скорости различных процессов привели к введению в математике понятия производной функции.

Пусть дана непрерывная функция f(х),определенная на интервале ]а,в[иее приращение ∆f=f(х+∆х)–f(х).Отношение
является функцией ∆х и выражает среднюю скорость изменения функции.

Предел отношения , когда ∆х→0,при условии, что этот предел существует, называется производной функции:

y" x =

.

Производная обозначается:
– (игрек штрих по икс);f" (х) – (эф штрих по икс); y" – (игрек штрих); dy/dх – (дэ игрек по дэ икс); - (игрек с точкой).

Исходя из определения производной, можно сказать, что мгновенная скорость прямолинейного движения есть производная от пути по времени:

 мгн. = S" t = f" (t).

Таким образом, можно сделать вывод, что производная функции по аргументу х есть мгновенная скорость изменения функции f(х):

у" x =f" (х)= мгн.

В этом и заключается физический смысл производной. Процесс нахождения производной называется дифференцированием, поэтому выражение «продифференцировать функцию» равносильно выражению «найти производную функции».

в) Геометрический смысл производной.

П
роизводная функции у = f(х)имеет простой геометрический смысл, связанный с понятием касательной к кривой линии в некоторой точкеM. При этом, касательную, т.е. прямую линию аналитически выражают в виде у = кх = tg· х, где – угол наклона касательной (прямой) к оси Х. Представим непрерывную кривую как функцию у= f(х), возьмем на кривой точкуMи близкую к ней точку М 1 и приведем через них секущую. Ее угловой коэффициент к сек =tg β =.Если приближать точку М 1 к M, то приращение аргумента ∆х будет стремиться к нулю, а секущая при β=α займет положение касательной. Из рис.2 следует:tgα =
tgβ =
=у" x . Но tgαравен угловому коэффициенту касательной к графику функции:

к = tgα =
=у" x = f" (х). Итак, угловой коэффициент касательной к графику функции в данной точке равен значению ее производной в точке касания. В этом и состоит геометрический смысл производной.

г) Общее правило нахождения производной.

Исходя из определения производной, процесс дифференцирования функции можно представить следующим образом:

f(х+∆х) = f(х)+∆f;

находят приращение функции: ∆f= f(х + ∆х) - f(х);

составляют отношение приращения функции к приращению аргумента:

;

Пример: f(х)=х 2 ; f" (х)=?.

Однако, как видно даже из этого простого примера, применение указанной последовательности при взятии производных – процесс трудоемкий и сложный. Поэтому для различных функций вводятся общие формулы дифференцирования, которые представлены в виде таблицы «Основных формул дифференцирования функций».

Не всегда в жизни нас интересуют точные значения каких-либо величин. Иногда интересно узнать изменение этой величины, например, средняя скорость автобуса, отношение величины перемещения к промежутку времени и т.д. Для сравнения значения функции в некоторой точке со значениями этой же функции в других точках, удобно использовать такие понятия, как «приращение функции» и «приращение аргумента».

Понятия "приращение функции" и "приращение аргумента"

Допустим, х - некоторая произвольная точка, которая лежит в какой-либо окрестности точки х0. Приращением аргумента в точке х0 называется разность х-х0. Обозначается приращение следующим образом: ∆х.

• ∆х=х-х0.

Иногда эту величину еще называют приращением независимой переменной в точке х0. Из формулы следует: х = х0+∆х. В таких случаях говорят, что начальное значение независимой переменной х0, получило приращение ∆х.

Если мы изменяем аргумент, то и значение функции тоже будет изменяться.

• f(x) - f(x0) = f(x0 + ∆х) - f(x0).

Приращением функции f в точке x0, соответствующим приращению ∆х называется разность f(x0 + ∆х) - f(x0). Приращение функции обозначается следующим образом ∆f. Таким образом получаем, по определению:

• ∆f= f(x0 +∆x) - f(x0).

Иногда, ∆f еще называют приращением зависимой переменной и для обозначения используют ∆у, если функция была, к примеру, у=f(x).

Геометрический смысл приращения

Посмотрите на следующий рисунок.

Как видите, приращение показывает изменение ординаты и абсциссы точки. А отношение приращения функции к приращению аргумента определяет угол наклона секущей, проходящей через начальное и конечное положение точки.

Рассмотрим примеры приращения функции и аргумента

Пример 1. Найти приращение аргумента ∆х и приращение функции ∆f в точке х0, если f(х) = х 2 , x0=2 a) x=1.9 b) x =2.1

Воспользуемся формулами, приведенными выше:

a) ∆х=х-х0 = 1.9 - 2 = -0.1;

• ∆f=f(1.9) - f(2) = 1.9 2 - 2 2 = -0.39;

b) ∆x=x-x0=2.1-2=0.1;

• ∆f=f(2.1) - f(2) = 2.1 2 - 2 2 = 0.41.

Пример 2. Вычислить приращение ∆f для функции f(x) = 1/x в точке х0, если приращение аргумента равняется ∆х.

Опять же, воспользуемся формулами, полученными выше.

• ∆f = f(x0 + ∆x) - f(x0) =1/(x0-∆x) - 1/x0 = (x0 - (x0+∆x))/(x0*(x0+∆x)) = -∆x/((x0*(x0+∆x)).

Пусть x – произвольная точка, ледащая в некоторой окрестности фиксированной точки x 0 . разность x – x 0 принято называть приращение независимой переменной(или приращением аргумента) в точке x 0 и обозначается Δx. Таким образом,

Δx = x –x 0 ,

откуда следует, что

Приращение функции – разность между двумя значениями функции.

Пусть задана функция у = f(x) , определœенная при значении аргумента͵ равном х 0 . Дадим аргументу приращение Dх , ᴛ.ᴇ. рассмотрим значение аргумента͵ равное x 0 + Dх . Предположим, что это значение аргумента также входит в область определœения данной функции. Тогда разность Dy = f(x 0 + Dх) – f(x 0) принято называть приращением функции. Приращение функцииf (x ) в точке x - функция обычно обозначаемая Δ x f от новой переменной Δx определяемая как

Δ x f (Δx ) = f (x + Δx ) − f (x ).

Найти приращение аргумента и приращение функции в точке х 0 , если

Пример 2. Найти приращение функции f(x) = x 2 , если х = 1, ∆х = 0,1

Решение: f(х) = х 2 , f(х+∆х) = (х+∆х) 2

Найдем приращение функции ∆f = f(x+∆x) - f(x) = (x+∆x) 2 - x 2 = x 2 +2x*∆x+∆x 2 - x 2 = 2x*∆x + ∆x 2 /

Подставим значения х=1 и ∆х= 0,1, получим ∆f = 2*1*0,1 + (0,1) 2 = 0,2+0,01 = 0,21

Найти приращение аргумента и приращение функции в точки х 0

2.f(x) = 2x 3. x 0 =3 x=2,4

3. f(x) = 2x 2 +2 x 0 =1 x=0,8

4. f(x) = 3x+4 x 0 =4 x=3,8

Определœение : Производной функции в точке принято называть предел (если он существует и конечен) отношения приращения функции к приращению аргумента при условии, что последнее стремится к нулю.

Наиболее употребительны следующие обозначения производной:

Таким образом,

Нахождение производной принято называть дифференцированием . Вводится определœение дифференцируемой функции : Функция f, имеющая производную в каждой точке некоторого промежутка, принято называть дифференцируемой на данном промежутке.

Пусть в некоторой окрестноститочкиопределœена функцияПроизводной функции принято называть такое число , что функцию в окрестности U (x 0) можно представить в виде

f (x 0 + h ) = f (x 0) + Ah + o (h )

если существует.

Определœение производной функции в точке .

Пусть функция f(x) определœена на промежутке (a; b) , и - точки этого промежутка.

Определœение . Производной функции f(x) в точке принято называть предел отношения приращения функции к приращению аргумента при . Обозначается .

Когда последний предел принимает конкретное конечное значение, то говорят о существовании конечной производной в точке . В случае если предел бесконечен, то говорят, что производная бесконечна в данной точке . В случае если же предел не существует, то и производная функции в этой точке не существует .

Функцию f(x) называют дифференцируемой в точке , когда она имеет в ней конечную производную.

В случае если функция f(x) дифференцируема в каждой точке некоторого промежутка (a; b) , то функцию называют дифференцируемой на этом промежутке. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, любой точке x из промежутка (a; b) можно поставить в соответствие значение производной функции в этой точке , то есть, мы имеем возможность определить новую функцию , которую называют производной функции f(x) на интервале (a; b) .

Операция нахождения производной принято называть дифференцированием.

Определение 1

Если для каждой пары $(x,y)$ значений двух независимых переменных из некоторой области ставится в соответствие определенное значение $z$, то говорят, что $z$ является функцией двух переменных $(x,y)$. Обозначение: $z=f(x,y)$.

В отношении функции $z=f(x,y)$ рассмотрим понятия общего (полного) и частного приращений функции.

Пусть дана функция $z=f(x,y)$двух независимых переменных $(x,y)$.

Замечание 1

Так как переменные $(x,y)$ являются независимыми, то одна из них может изменяться, а другая при этом сохранять постоянное значение.

Дадим переменной $x$ приращение $\Delta x$, при этом сохраним значение переменной $y$ неизменным.

Тогда функция $z=f(x,y)$ получит приращение, которое будет называться частным приращением функции $z=f(x,y)$ по переменной $x$. Обозначение:

Аналогично дадим переменной $y$ приращение $\Delta y$, при этом сохраним значение переменной $x$ неизменным.

Тогда функция $z=f(x,y)$ получит приращение, которое будет называться частным приращением функции $z=f(x,y)$ по переменной $y$. Обозначение:

Если же аргументу $x$ дать приращение $\Delta x$, а аргументу $y$ - приращение $\Delta y$, то получается полное приращение заданной функции $z=f(x,y)$. Обозначение:

Таким образом, имеем:

$\Delta _{x} z=f(x+\Delta x,y)-f(x,y)$ - частное приращение функции $z=f(x,y)$ по $x$;

$\Delta _{y} z=f(x,y+\Delta y)-f(x,y)$ - частное приращение функции $z=f(x,y)$ по $y$;

$\Delta z=f(x+\Delta x,y+\Delta y)-f(x,y)$ - полное приращение функции $z=f(x,y)$.

Пример 1

Решение:

$\Delta _{x} z=x+\Delta x+y$ - частное приращение функции $z=f(x,y)$ по $x$;

$\Delta _{y} z=x+y+\Delta y$ - частное приращение функции $z=f(x,y)$ по $y$.

$\Delta z=x+\Delta x+y+\Delta y$ - полное приращение функции $z=f(x,y)$.

Пример 2

Вычислить частные и полное приращение функции $z=xy$ в точке $(1;2)$ при $\Delta x=0,1;\, \, \Delta y=0,1$.

Решение:

По определению частного приращения найдем:

$\Delta _{x} z=(x+\Delta x)\cdot y$ - частное приращение функции $z=f(x,y)$ по $x$

$\Delta _{y} z=x\cdot (y+\Delta y)$ - частное приращение функции $z=f(x,y)$ по $y$;

По определению полного приращения найдем:

$\Delta z=(x+\Delta x)\cdot (y+\Delta y)$ - полное приращение функции $z=f(x,y)$.

Следовательно,

\[\Delta _{x} z=(1+0,1)\cdot 2=2,2\] \[\Delta _{y} z=1\cdot (2+0,1)=2,1\] \[\Delta z=(1+0,1)\cdot (2+0,1)=1,1\cdot 2,1=2,31.\]

Замечание 2

Полное приращение заданной функции $z=f(x,y)$ не равно сумме ее частных приращений $\Delta _{x} z$ и $\Delta _{y} z$. Математическая запись: $\Delta z\ne \Delta _{x} z+\Delta _{y} z$.

Пример 3

Проверить утверждение замечания для функции

Решение:

$\Delta _{x} z=x+\Delta x+y$; $\Delta _{y} z=x+y+\Delta y$; $\Delta z=x+\Delta x+y+\Delta y$ (получены в примере 1)

Найдем сумму частных приращений заданной функции $z=f(x,y)$

\[\Delta _{x} z+\Delta _{y} z=x+\Delta x+y+(x+y+\Delta y)=2\cdot (x+y)+\Delta x+\Delta y.\]

\[\Delta _{x} z+\Delta _{y} z\ne \Delta z.\]

Определение 2

Если для каждой тройки $(x,y,z)$ значений трех независимых переменных из некоторой области ставится в соответствие определенное значение $w$, то говорят, что $w$ является функцией трех переменных $(x,y,z)$ в данной области.

Обозначение: $w=f(x,y,z)$.

Определение 3

Если для каждой совокупности $(x,y,z,...,t)$ значений независимых переменных из некоторой области ставится в соответствие определенное значение $w$, то говорят, что $w$ является функцией переменных $(x,y,z,...,t)$ в данной области.

Обозначение: $w=f(x,y,z,...,t)$.

Для функции от трех и более переменных, аналогично как для функции двух переменных определяются частные приращения по каждой из переменных:

$\Delta _{z} w=f(x,y,z+\Delta z)-f(x,y,z)$ - частное приращение функции $w=f(x,y,z,...,t)$ по $z$;

$\Delta _{t} w=f(x,y,z,...,t+\Delta t)-f(x,y,z,...,t)$ - частное приращение функции $w=f(x,y,z,...,t)$ по $t$.

Пример 4

Записать частные и полное приращение функции

Решение:

По определению частного приращения найдем:

$\Delta _{x} w=((x+\Delta x)+y)\cdot z$ - частное приращение функции $w=f(x,y,z)$ по $x$

$\Delta _{y} w=(x+(y+\Delta y))\cdot z$ - частное приращение функции $w=f(x,y,z)$ по $y$;

$\Delta _{z} w=(x+y)\cdot (z+\Delta z)$ - частное приращение функции $w=f(x,y,z)$ по $z$;

По определению полного приращения найдем:

$\Delta w=((x+\Delta x)+(y+\Delta y))\cdot (z+\Delta z)$ - полное приращение функции $w=f(x,y,z)$.

Пример 5

Вычислить частные и полное приращение функции $w=xyz$ в точке $(1;2;1)$ при $\Delta x=0,1;\, \, \Delta y=0,1;\, \, \Delta z=0,1$.

Решение:

По определению частного приращения найдем:

$\Delta _{x} w=(x+\Delta x)\cdot y\cdot z$ - частное приращение функции $w=f(x,y,z)$ по $x$

$\Delta _{y} w=x\cdot (y+\Delta y)\cdot z$ - частное приращение функции $w=f(x,y,z)$ по $y$;

$\Delta _{z} w=x\cdot y\cdot (z+\Delta z)$ - частное приращение функции $w=f(x,y,z)$ по $z$;

По определению полного приращения найдем:

$\Delta w=(x+\Delta x)\cdot (y+\Delta y)\cdot (z+\Delta z)$ - полное приращение функции $w=f(x,y,z)$.

Следовательно,

\[\Delta _{x} w=(1+0,1)\cdot 2\cdot 1=2,2\] \[\Delta _{y} w=1\cdot (2+0,1)\cdot 1=2,1\] \[\Delta _{y} w=1\cdot 2\cdot (1+0,1)=2,2\] \[\Delta z=(1+0,1)\cdot (2+0,1)\cdot (1+0,1)=1,1\cdot 2,1\cdot 1,1=2,541.\]

С геометрической точки зрения полное приращение функции $z=f(x,y)$ (по определению $\Delta z=f(x+\Delta x,y+\Delta y)-f(x,y)$) равно приращению аппликаты графика функции $z=f(x,y)$ при переходе от точки $M(x,y)$ к точке $M_{1} (x+\Delta x,y+\Delta y)$ (рис. 1).

Рисунок 1.