ПВХ-лодки

Решение дифференциальных уравнений. §24. Дифференциал функции Найти дифференциал функции в общем виде

Дифференциал (первого порядка) функции - это главная часть ее приращения, линейная относительно приращения аргумента. Дифференциал аргумента равен его приращению:
. Дифференциал функции равен произведению ее производной на дифференциал аргумента
.

Основные свойства дифференциала:

1.
, где-const.

2.
.

3.
.

4.
.

5.
,
.

6. ,
. Форма дифференциала первого порядка не зависит от того, является аргумент функции независимой переменной или функцией другого аргумента. В этом состоит свойствоинвариантности формы дифференциала первого порядка .

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

Аналогично определяется дифференциал третьего порядка:
.Дифференциал n -го порядка:
.

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

,
,…..,
.

Если
,
, то
, где дифференцирование функциивыполняется по переменной. Это имеет место и для дифференциалов более высоких порядков.

Дифференциалы второго и более высоких порядков не обладают свойством инвариантности формы.

Геометрически дифференциал представляет собой приращение ординаты касательной к графику функции в точке
.

Если приращение аргумента мало по абсолютной величине, то
и. Таким образом, дифференциал функции может применяться для приближенных вычислений.

Абсолютная величина разности между истинным значением какой-либо величины и ее приближенным значениемназывается абсолютной погрешностью и обозначается
.

Абсолютная величина отношения абсолютной погрешности к истинному значению называется относительной погрешностью и обозначается
. Относительная погрешность обычно выражается в процентах
.

Если приращение функции заменить ее дифференциалом, то получим приближенное значение приращения
. В этом случае абсолютная погрешность равна
, а относительная погрешность будет
.

С помощью дифференциала функции вычисляют абсолютную погрешность функции , если известна абсолютная погрешностьаргумента. В практических задачах значения аргумента находятся с помощью измерений, и его абсолютная погрешность считается известной.

Пусть требуется вычислить значение функции
при некотором значении аргумента, истинная величина которого нам известна, но дано его приближенное значениес абсолютной погрешностью
,
. Тогда

Отсюда видно, что
.

Относительная погрешность функции выражается формулой

Пример 1. Найти дифференциал функции
.

Решение:
.

Пример 2. Найти все дифференциалы функции
.

Решение: ,

,
.

Пример 3. Найти
для неявно заданной функции
.

Решение: Функция задана неявно. Находим первую производную

, тогда
.

Вычислим вторую производную

, отсюда
.

Пример 4. Выразить дифференциал сложной функции через независимую переменную и дифференциал:
,
,
.

Решение:
.
.

Пример 5. Вычислить приближенное значение
.

Решение: Рассмотрим функцию
. Полагая
,
и применяя формулу, получим:

Пример 6. Вычислить приближенное значение площади круга, радиус которого равен 3,02 м.

Решение: Воспользуемся формулой
. Полагая
,
, имеем. Следовательно, приближенное значение площади круга составляет.

Пример 7. Для функции
найти приращение ординаты касательной и приращение функции при переходе аргументаот значения
к
.

Решение: согласно геометрическому смыслу дифференциала, приращению ординаты касательной соответствует дифференциал функции
.

При
иполучим
.

Приращение функции находим по формуле

Следовательно, приращение ординаты касательной равно 0,7, а приращение функции 0,71. Т. к.
, то.

Пример 8. Найти дифференциал и приращение функции
в точке
и
. Найти абсолютную и относительную погрешности значения функции при замене приращения функции ее дифференциалом.

Решение: Имеем:
,

При
и
получим:

, .

Абсолютная погрешность
, а относительная погрешность
.

Пример 9. При измерении сторона куба оказалась равной 4 см. При этом максимально возможная погрешность измерения
находится в пределах
см. Определить абсолютную и относительную погрешности при вычислении объема куба.

Решение: Объем куба равен
см.

Возможная неточность измерения
.

Отсюда абсолютная погрешность .

Относительная погрешность
.

Пример 10. Найти приближенно
.

Решение: Полагаем
, тогда
,

Если принять
, то
,
.

Найти дифференциалы указанных порядков от функций:

1.
,
-?. Ответ:
.

2.
,
-? Ответ:
.

3.
,
-? Ответ:
.

4.
,
-? Ответ:
.

5.
,
,
,
-? Ответ:
.

,
.

6.
,
-?

7.
,
-? Ответ:
.

8.
,
-? Ответ:
.

9.

-? Ответ:
.

10.

-? Ответ:
.

11.
,
-? Ответ:
.

12.
,
-? Ответ:.

13.
,
.
-? Ответ:
,
.

14.
,
,
-?

Ответ:
,
.

15.
-?

Найти приближенное значение:

16.
. Ответ: 0,811.

17.
. Ответ: 1,035.

18.
. Ответ: 0,078.

19.
. Ответ: 1,9938.

20.
. Ответ: 2,02.

21.
. Ответ:3,03.

22.
. Ответ:
.

23.
. Ответ:
.

24.
. Ответ: 0,1.

25.
. Ответ:
.

26. Определить, на сколько приблизительно увеличится объем шара, если его радиус
см увеличить на 0,2см. Ответ: 565
.

27. Вычислить приближенное значение площади круга, радиус которого равен 3,02 м. Ответ: .

28. Сравнить приращение и дифференциал функции
.

Ответ:
,
.

29. Вычислить
,
для функции
при
и
.

Ответ:
,
.

30. Найти приближенное значение объема шара радиуса 2,01 м.

Ответ:
.

31. Найти приближенное значение из уравнения:

Ответ:
.

32. Найти приближенно значение объема шара радиуса
.

Ответ:
.

33. Ребра куба увеличены на 1см. При этом дифференциал
объемакуба оказался равным 12 см. Найти первоначальную длину ребер. Ответ: 2 см.

34. Радиус круга увеличен на 1см. Дифференциал площади круга оказался при этом равным
см. Найти первоначальную величину радиуса. Ответ: 3 см.

35. Определить приблизительно относительную погрешность при вычислении поверхности сферы, если при определении ее радиуса относительная погрешность составила
. Ответ:
.

ЛОГАРИФМИЧЕСКОЕ ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ

Дифференцирование многих функций упрощается, если их предварительно прологарифмировать. Для этого поступают следующим образом. Если требуется найти y " из уравнения y=f(x) , то можно:

Примеры.

ПОКАЗАТЕЛЬНО-СТЕПЕННАЯ ФУНКЦИЯ И ЕЕ ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ

Показательно-степенной функцией называется функция вида y = u v , где u=u(x), v=v(x) .

Логарифмическое дифференцирование применяется для нахождения производной от показательно-степенной функции.

Примеры.

ТАБЛИЦА ПРОИЗВОДНЫХ

Объединим в одну таблицу все основные формулы и правили дифференцирования, выведенные ранее. Всюду будем полагать u=u(x) , v=v(x) , С=const. Для производных основных элементарных функций будем пользоваться теоремой о производной сложной функции.

Примеры.

ПОНЯТИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛА ФУНКЦИИ. СВЯЗЬ МЕЖДУ ДИФФЕРЕНЦИАЛОМ И ПРОИЗВОДНОЙ

Пусть функция y=f(x) дифференцируема на отрезке [a ; b ]. Производная этой функции в некоторой точке х 0 Î [a ; b ] определяется равенством

Следовательно, по свойству предела

Умножая все члены полученного равенства на Δx , получим:

Δy = f " (x 0)·Δx + a·Δx.

Итак, бесконечно малое приращение Δy дифференцируемой функции y=f(x) может быть представлено в виде суммы двух слагаемых, из которых первое есть (при f " (х 0) ≠ 0) главная часть приращения , линейная относительно Δx , а второе – бесконечно малая величина более высокого порядка, чем Δx . Главную часть приращения функции, т.е. f " (х 0)·Δx называют дифференциалом функции в точке х 0 и обозначают через dy .

Таким образом, если функция y=f(x) имеет производную f " (x ) в точке x , то произведение производной f " (x ) на приращение Δx аргумента называют дифференциалом функции и обозначают:

Найдем дифференциал функции y= x . В этом случае y " = (x )" = 1 и, следовательно, dy =dx =Δx . Таким образом, дифференциал dx независимой переменной x совпадает с ее приращением Δx . Поэтому формулу (1) мы можем записать так:

dy = f "(x )dx

Но из этого соотношения следует, что . Следовательно, производную f "(x ) можно рассматривать как отношение дифференциала функции к дифференциалу независимой переменной.

Ранее мы показали, что из дифференцируемости функции в точке следует существование дифференциала в этой точке.

Справедливо и обратное утверждение.

Если для данного значения x приращение функции Δy = f (x +Δx ) – f(x) можно представить в виде Δy = A ·Δx + α, где α – бесконечно малая величина, удовлетворяющая условию , т.е. если для функции y=f(x) существует дифференциал dy=A·dx в некоторой точке x , то эта функция имеет производную в точке x и f "(x )=А .

Действительно, имеем , и так как при Δx →0, то .

Таким образом, между дифференцируемостью функции и существованием дифференциала имеется очень тесная связь, оба понятия равносильны.

Примеры. Найти дифференциалы функций:

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ДИФФЕРЕНЦИАЛА

Рассмотрим функцию y=f(x) и соответствующую ей кривую. Возьмем на кривой произвольную точку M(x; y), проведем касательную к кривой в этой точке и обозначим через α угол, который касательная образует с положительным направлением оси Ox . Дадим независимой переменной x приращение Δx , тогда функция получит приращение Δy = NM 1 . Значениям x +Δx и y +Δy на кривой y = f(x) будет соответствовать точка

M 1 (x +Δx ; y +Δy ).

Из ΔMNT находим NT =MN ·tg α. Т.к. tg α = f "(x ), а MN = Δx , то NT = f "(x )·Δx . Но по определению дифференциала dy =f "(x )·Δx , поэтому dy = NT .

Таким образом, дифференциал функции f(x), соответствующей данным значениям x и Δx, равен приращению ординаты касательной к кривой y=f(x) в данной точке х.

ТЕОРЕМА ОБ ИНВАРИАНТНОСТИ ДИФФЕРЕНЦИАЛА

Ранее мы видели, что если u является независимой переменной, то дифференциал функции y =f "(u ) имеет вид dy = f "(u )du .

Покажем, что эта форма сохраняется и в том случае, когда u является не независимой переменной, а функцией, т.е. найдем выражение для дифференциала сложной функции. Пусть y=f(u), u=g(x) или y = f(g(x)) . Тогда по правилу дифференцирования сложной функции:

Следовательно, по определению

Но g "(x )dx = du , поэтому dy= f"(u)du .

Мы доказали следующую теорему.

Теорема. Дифференциал сложной функции y=f(u) , для которой u=g(x) , имеет тот же вид dy=f"(u)du , какой он имел бы, если бы промежуточный аргумент u был независимой переменной.

Иначе говоря, форма дифференциала не зависит от того, является аргумент функции независимой переменной или функцией другого аргумента. Это свойство дифференциала называется инвариантностью формы дифференциала .

Пример. . Найти dy .

Учитывая свойство инвариантности дифференциала, находим

ПРИМЕНЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛА К ПРИБЛИЖЕННЫМ ВЫЧИСЛЕНИЯМ

Пусть нам известно значение функции y 0 =f(x 0 ) и ее производной y 0 " = f "(x 0 ) в точке x 0 . Покажем, как найти значение функции в некоторой близкой точке x .

Как мы уже выяснили приращение функции Δy можно представить в виде суммы Δy =dy +α·Δx , т.е. приращение функции отличается от дифференциала на величину бесконечно малую. Поэтому, пренебрегая при малых Δx вторым слагаемым в приближенных вычислениях, иногда пользуются приближенным равенством Δy ≈dy или Δy »f "(x 0 )·Δx .

Т.к., по определению, Δy = f (x ) – f (x 0 ), то f(x) – f(x 0) ≈f "(x 0 )·Δx .

Примеры.

ПРОИЗВОДНЫЕ ВЫСШИХ ПОРЯДКОВ

Пусть функция y=f(x) дифференцируема на некотором отрезке [a ; b ]. Значение производной f "(x ), вообще говоря, зависит от x , т.е. производная f "(x ) представляет собой тоже функцию переменной x . Пусть эта функция также имеет производную. Дифференцируя ее, получим так называемую вторую производную от функции f(x).

Производная от первой производной называется производной второго порядка или второй производной от данной функции y=f(x) и обозначается y ""или f ""(x ). Итак, y "" = (y ")".

Например, если у = х 5 , то y "= 5x 4 , а y ""= 20x 4 .

Аналогично, в свою очередь, производную второго порядка тоже можно дифференцировать. Производная от второй производной называется производной третьего порядка или третьей производной и обозначается y"""или f"""(x ).

Вообще, производной n-го порядка от функции f(x) называется производная (первая) от производной (n – 1)-го порядка и обозначается символом y (n) или f (n) (x ): y (n) = (y (n-1))".

Таким образом, для нахождения производной высшего порядка от данной функции последовательно находят все ее производные низших порядков.

Дифференциалом аргумента называется его приращение dx = ∆ x .

Дифференциалом функции называется произведение производной на приращение аргумента dy = f ′( x )∙∆ x или dy = f ′( x )∙ dx .

Замечание:

Сравнение дифференциала с приращением.

Пусть ∆ y и ∆xодного порядка малости.

Dyи ∆xодного порядка малости, т. е.dyи ∆yодного порядка малости.

α∙∆x– бесконечно малая более высокого порядка малости, чем ∆x.

.Дифференциал есть главная часть приращения функции .

Дифференциал функции отличается от приращения функции на бесконечно малую

более высокого порядка, чем приращение аргумента.

Геометрический смысл дифференциала функции.

dy =f′(x)∙∆x=tgφ∙∆x=NT.

Дифференциал равен приращению ординаты касательной.

Свойства дифференциала.

Дифференциал суммы равен сумме дифференциалов.

d ( u + v) = du + dv.

Дифференциал произведения d ( u v ) = du ∙ v + u dv .

Дифференциал сложной функции.

y = f(u), u = φ(x), dy = y′ x dx =

dy = f ′( u ) du – инвариантность формы дифференциала.

Дифференциалы высших порядков.

dy = f ′(x )∙ dx , отсюда

Гиперболические функции .

Во многих приложениях математического анализа встречаются комбинации показательных функций.

Определения.

Из определений гиперболических функций следуют соотношения:

ch 2 x–sh 2 x= 1,sh2x= 2shx∙chx,ch2x=ch 2 x+sh 2 x,sh(α±β) =shαchβ±chαshβ.Производные от гиперболических функций.

Теорема Ролля.

Если функция f ( x ) определена и непрерывна на замкнутом промежутке [ a , b ], имеет производную во всех внутренних точках этого промежутка и принимает на концах промежутка равные значения, то внутри промежутка найдется, по крайней мере, одна такая точка x = ξ, что f ′(ξ) = 0.

Геометрический смысл.

f (a ) = f (b ), k кас = 0.

A C B На гладкой дуге [ a , b ] найдется такая точка

f (a ) f (b ) С, в которой касательная параллельна хорде.

a ξ b x

Теорема Лагранжа (1736-1813, Франция) .

Если функция определена и непрерывна на замкнутом промежутке [ a , b ] и имеет производную во всех внутренних точках этого промежутка, то внутри этого промежутка найдется, по крайней мере, одна такая точка х = ξ, что f ( b ) – f ( a ) = f ′(ξ)∙( b – a ).

Геометрический смысл теоремы Лагранжа.

Имеем гладкую дугу АВ.

На гладкой дуге АВ найдется такая точка С, в которой касательная параллельна хорде АВ.

Доказательство. Рассмотрим функциюF (x ) = f (x ) – λ x . Подберем λ так, чтобы выполнялись условия теоремы Ролля.

F(x) – определена и непрерывна на [a , b ], т.к. определена и непрерывна функцияf (x ),.

F ′(x ) = f ′(x ) – λ − существует,

Подберем λ так, чтобы выполнялись условия F (a ) = F (b ), т.е.f (a ) – λ a = f (b ) – λ b ,

По теореме Ролля найдется такая точка x = ξЄ(a , b ), чтоF ′(ξ) = 0, т.е.

Возрастание и убывание функции.

Функция называется возрастающей, если большему значению аргумента соответствует большее значение функции.

Дифференциал… Для одних это прекрасное далёкое, а для других – непонятное слово, связанное с математикой. Но если это ваше суровое настоящее, наша статья поможет узнать, как правильно “приготовить” дифференциал и с чем его “подавать”.

Под дифференциалом в математике понимают линейную часть приращения функции. Понятие дифференциала неразрывно связано с записью производной согласно Лейбница f′(x 0) = df/dx·x 0 . Исходя из этого, дифференциал первого порядка для функции f, заданной на множестве X, имеет такой вид: d x0 f = f′(x 0)·d x0 x. Как видите, для получения дифференциала нужно уметь свободно находить производные. Поэтому нелишним будет повторить правила вычисления производных, дабы понимать, что будет происходить в дальнейшем. Итак, рассмотрим дифференцирование поближе на примерах. Нужно найти дифференциал функции, заданной в таком виде: y = x 3 -x 4 . Сначала найдём производную от функции: y′= (x 3 -x 4)′ = (x 3)′-(x 4)′ = 3x 2 -4x 3 . Ну, а теперь получить дифференциал проще простого: df = (3x 3 -4x 3)·dx. Сейчас мы получили дифференциал в виде формулы, на практике зачастую также интересует цифровое значение дифференциала при заданных конкретных параметрах х и ∆х. Бывают случаи, когда функция выражена неявно через х. Например, y = x²-y x . Производная функции имеет такой вид: 2x-(y x)′. Но как получить (y x)′? Такая функция называется сложной и дифференцируется согласно соответствующего правила: df/dx = df/dy·dy/dx. В данном случае: df/dy = x·y x-1 , а dy/dx = y′. Теперь собираем всё воедино: y′ = 2x-(x·y x-1 ·y′). Группируем все игреки в одной стороне: (1+x·y x-1)·y′ = 2x, и в итоге получаем: y′ = 2x/(1+x·y x-1) = dy/dx. Исходя из этого, dy = 2x·dx/(1+x·y x-1). Конечно, хорошо, что такие задания встречаются нечасто. Но теперь вы готовы и к ним. Кроме рассмотренных дифференциалов первого порядка, ещё существуют дифференциалы высшего порядка. Попробуем найти дифференциал для функции d/d (x 3 )· (x 3 – 2 x 6 – x 9 ), который и будет дифференциалом второго порядка для f(x) . Исходя из формулы f′(u) = d/du·f(u), где u = f(x), примем u = x 3 . Получаем: d/d(u)·(u-2u 2 -u 3) = (u-2u 2 -u 3)′ = 1-4u-3u 2 . Возвращаем замену и получаем ответ – 1– x 3 – x 6 , x≠0. Помощником в нахождении дифференциала также может стать онлайн-сервис . Естественно, что на контрольной или экзамене им не воспользуешься. Но при самостоятельной проверке правильности решения его роль сложно переоценить. Кроме самого результата, он также показывает промежуточные решения, графики и неопределённый интеграл дифференциальной функции, а также корни дифференциального уравнения. Единственный недостаток – это запись в одну строку функции при вводе, но со временем можно привыкнуть и к этому. Ну, и естественно, такой сервис не справляется со сложными функциями, но всё, что попроще, ему по зубам. Практическое применение дифференциал находит в первую очередь в физике и экономике. Так, в физике зачастую дифференцированием решаются задачи, связанные с определением скорости и её производной – ускорения. А в экономике дифференциал является неотъемлемой частью расчёта эффективности деятельности предприятия и фискальной политики государства, например, эффекта финансового рычага.

В этой статье рассмотрены типовые задачи дифференцирования. Курс высшей математики учащихся ВУЗов зачастую содержит ещё задания на использование дифференциала в приближенных вычислениях, а также поиск решений дифференциальных уравнений. Но главное – при чётком понимании азов вы с лёгкостью расправитесь со всеми новыми задачами.

Если функция дифференцируема в точке, то её приращение можно представить в виде суммы двух слагаемых

. Эти слагаемые являются бесконечно малыми функциями при
.Первое слагаемое линейно относительно
,второе является бесконечно малой более высокого порядка, чем
.Действительно,

Таким образом второе слагаемое при
быстрее стремится к нулю и при нахождении приращения функции
главную роль играет первое слагаемое
или (так как
)
.

Определение . Главная часть приращения функции
в точке , линейная относительно
,называется дифференциалом функции в этой точке и обозначается dy или df (x )

. (2)

Таким образом, можно сделать вывод: дифференциал независимой переменной совпадает с её приращением, то есть
.

Соотношение (2) теперь принимает вид

(3)

Замечание . Формулу (3) для краткости часто записывают в виде

(4)

Геометрический смысл дифференциала

Рассмотрим график дифференцируемой функции
. Точки
ипринадлежат графику функции. В точкеМ проведена касательная К к графику функции, угол которой с положительным направлением оси
обозначим через
. Проведем прямыеMN параллельно оси Ox и
параллельно осиOy . Приращение функции равно длине отрезка
. Из прямоугольного треугольника
, в котором
, получим

Изложенные выше рассуждения позволяют сделать вывод:

Дифференциал функции
в точке изображается приращением ординаты касательной к графику этой функции в соответствующей её точке
.

Связь дифференциала с производной

Рассмотрим формулу (4)

Разделим обе части этого равенства на dx , тогда

Таким образом, производная функции равна отношению её дифференциала к дифференциалу независимой переменной .

Часто это отношение рассматривается просто как символ, обозначающий производную функцииу по аргументу х .

Удобными обозначениями производной также являются:

,
и так далее.

Употребляются также записи

,
,

особенно удобные, когда берется производная от сложного выражения.

2. Дифференциал суммы, произведения и частного.

Так как дифференциал получается из производной умножением её на дифференциал независимой переменной, то, зная производные основных элементарных функций, а также правила для отыскания производных, можно прийти к аналогичным правилам для отыскания дифференциалов.

1 0 . Дифференциал постоянной равен нулю

2 0 . Дифференциал алгебраической суммы конечного числа дифференцируемых функций равен алгебраической сумме дифференциалов этих функций

3 0 . Дифференциал произведения двух дифференцируемых функций равен сумме произведений первой функции на дифференциал второй и второй функции на дифференциал первой

Следствие . Постоянный множитель можно выносить за знак дифференциала

Пример . Найти дифференциал функции .

Решение.Запишем данную функцию в виде

тогда получим

4. Функции, заданные параметрически, их дифференцирование.

Определение . Функция
называется заданной параметрически, если обе переменныех и у определяются каждая в отдельности как однозначные функции от одной и той же вспомогательной переменной – параметра t :

где t изменяется в пределах
.

Замечание . Параметрическое задание функций широко применяется в теоретической механике, где параметр t обозначает время, а уравнения
представляют собой законы изменения проекций движущейся точки
на оси
и
.