Курс высшей математики Основные теоремы о пределах Основные правила дифференцирования Производные и дифференциалы высших порядков Решение типовых задач

Дифференциальное исчесление функции одной переменной

Понятие производной, ее геометрический и механический смысл

Пусть функция y = f (x) определена в точке x0 и некоторой ее окрестности, x – точка из этой окрестности. Введем обозначения: разность x – x0 обозначим через x и назовем приращением аргумента, а разность f(x) – f(x0) обозначим через y и назовем приращением функции.

Итак, x = x – x0, y = f(x) – f(x0). Из равенства x = x – x0 получаем равенство
x = x0 + x, тогда y = f(x0 + x) – f(x0).

Производной функции f(x) в точке x0 называется предел отношения приращения функции к приращению аргумента, когда приращение аргумента стремится к нулю.

Производная обозначается (x0)

Итак,

.


Пример 1. Найти производную для функции f(x) = x2 в точке x0 = 3.

Решение


Если (x0) существует, то говорят, что функция f (x) дифференцируема в точке x0. Установим связь между дифференцируемостью функции f (x) в точке x0 и ее непрерывностью в этой точке. Напомним, что функция f (x) непрерывна в точке x0, если она определена в точке x0 и некоторой ее окрестности, и выполняется равенство:

Переформулируем это определение, используя понятия приращения аргумента и приращения функции. Из этого равенства получаем:

. (*)

Другими словами, функция f (x) непрерывна в точке x0, если бесконечно малому приращению аргумента соответствует бесконечно малое приращение функции.

Теорема. Если функция f(x) дифференцируема в точке x0, то она непрерывна в этой точке.


Доказательство. Дано, что f'(x0) существует, т.е.  есть некоторое число. Покажем, что выполняется равенство (*):

Итак, доказано, что f(x) непрерывна в точке x0.

Замечание. Если в точке x0 функция f (x) непрерывна, то в этой точке функция может и не иметь производной, что подтверждается следующим примером.

Пример 2. Функция f(x) = | x | непрерывна в точке x0 = 0, так как .

Покажем, что эта функция не имеет производной в точке x0:

 

 не существует, т.е. f(x) не дифференцируема в точке x0 = 0.

Рассмотрим геометрический смысл производной.

На рис. 2.1 изображен график непрерывной функции y = f (x). Точка M0 на графике имеет координаты x0, f(x0), другая точка графика M – координаты x0 + x, f(x0 + x). Прямая M0M является секущей для линии y = f(x), она наклонена к оси Ox под углом . Пусть (x0) существует, т.е.  есть некоторое число. Из M0MА получаем:  (известно, что tg – угловой коэффициент прямой M0M). Если x  0, то точка M движется по графику функции y = f(x), приближаясь к точке M0, при этом секущая M0M, поворачиваясь вокруг точки M0, стремится занять предельное положение, т.е. совпасть с касательной M0K, при этом  ( – угол между касательной M0K и осью Ox), tg  tg.

Таким образом,  но tg = k есть угловой коэффициент касательной M0K.

Итак, угловой коэффициент касательной к графику y = f (x) в точке с абсциссой x0 равен производной функции f(x) в точке x0: (x0) = k = tg.

В этом состоит геометрическое истолкование производной. Очевидно, что уравнение касательной M0K имеет вид: y – f (x0) = (x0)(x – x0).

Переходим к рассмотрению механического смысла производной.

Пусть материальная точка движется прямолинейно неравномерно по закону S = f(t), где t – время, S – путь, проходимый точкой за время t.

Пусть в момент времени t0 точка находилась в положении M0 (рис. 2.2). Поставим задачу: определить скорость материальной точки в момент t0. Рассмотрим другой момент времени
t0 + t. За время t0 пройденный точкой путь равен: S0 = f (t0), за (t0 + t) пройдено расстояние S = f(t0 + t), и точка оказалась в положении M, тогда за время t пройден путь M0M и он равен:

S – S0 = f(t0 + t) – f(t0) = S.

Средняя скорость Vср за пpомежуток времени t равна:  Но средняя скорость может быть различной, в зависимости от промежутка времени t. Скоростью в момент времени t0 (обозначим V(t0)) называется предел средней скорости Vср при t  0. Итак,

Вывод. Производная от пути S = f(t) в момент времени t0 есть скорость в момент времени t0.

Числовые системы, применяемые в математике, могут быть расчленены на пять главных ступеней: 1) множество целых положительных чисел - натуральное множество N 2) относительные числа, включающие положительные числа, отрицательные числа и нуль; 3) рациональные числа, в которые входят целые числа и дроби; 4) действительные числа, включая иррациональные числа, т.е. числа, которые можно представить бесконечной непериодической десятичной дробью
Задачи приводящие к понятию определенного интеграла