Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
И интегральное исчисление функцииСтр 1 из 10Следующая ⇒
Дифференциальное И интегральное исчисление функции Одной переменной
Утверждено Редакционным советом университета в качестве учебного пособия
Москва УДК 517 (075) ББК 22.161.1 Д50
Авторы: Е. Г. Рудаковская, М. Ф. Рушайло, М. А. Меладзе, Е. Л. Гордеева, В. В. Осипчик
Рецензенты: Доктор технических наук, профессор Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева Л. С. Гордеев Кандидат физико-математических наук, доцент Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) С. А. Изотова
Дифференциальное и интегральное исчисление функции одной Д50 переменной: учеб. пособие / Е. Г. Рудаковская, М. Ф. Рушайло, М. А. Меладзе, Е. Л. Гордеева, В. В. Осипчик; под ред. Е. Г. Рудаковской, М. Ф. Рушайло. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2012. – 108 с. ISBN 978-5-7237-0993-5
Пособие представляет сжатое изложение лекций по математическому анализу, читаемых кафедрой высшей математики. Пособие охватывает следующие разделы курса математического анализа: дифференциальное исчисление функций одной переменной, интегральное исчисление функций одной переменной. Большое внимание уделено разбору примеров по изучаемым темам, имеющим прикладное значение для других дисциплин. Предназначено для студентов I курса всех факультетов и колледжей РХТУ им. Д. И. Менделеева.
УДК 517 (075) ББК 22.161.1
ISBN 978-5-7237-0993-5 © Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, 2012 Оглавление
ГЛАВА 1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ.. 3 § 1. ФУНКЦИЯ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ.. 3 1. Определение функции одной переменной. 3 2. Способы задания функции. 3 3. Сложная и обратная функции. 3 4. Элементарные функции. 3 § 2. ПРЕДЕЛ ФУНКЦИИ.. 3 1. Предел функции в конечной точке x0 3 2. Односторонние пределы.. 3 3. Предел функции на бесконечности. 3 4. Бесконечно малые и бесконечно большие функции. 3 5. Основные теоремы о конечных пределах. 3 6. Первый замечательный предел. 3 7. Второй замечательный предел. 3 § 3. НЕПРЕРЫВНОСТЬ ФУНКЦИИ.. 3 1. Непрерывность функции в точке и на промежутке. 3 2. Точки разрыва функции и их классификация. 3 § 4. ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ ФУНКЦИИ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ.. 3 1. Определение производной, её геометрический и механический смысл. …….3 2. Примеры вывода производных некоторых элементарных функций. 3 3. Таблица производных основных элементарных функций. 3 4. Дифференцируемость функции. Связь дифференцируемости с существованием производной и непрерывностью функции. 3 5. Правила дифференцирования. 3 6. Дифференцирование функции, заданной неявно. 3 7. Производные показательной и степенной функций. 3 8. Производные обратных тригонометрических функций. 3 9. Дифференциал функции. 3 10. Производные и дифференциалы высших порядков. 3 § 5. СВОЙСТВА ФУНКЦИЙ, НЕПРЕРЫВНЫХ НА ОТРЕЗКЕ……...37 1. Теорема Ролля. 3 2. Теорема Лагранжа. 3 3. Теорема Коши. 3 4. Правило Лопиталя. 3 § 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ФУНКЦИЙ.. 3 1. Асимптоты плоской кривой. 3 2. Монотонность функции. 3 3. Экстремумы функции. 3 4. Выпуклость, вогнутость и точки перегиба графика функции. 3 5. Наибольшее и наименьшее значения функции на отрезке. 3 6. Схема исследования функции. Построение графика. 3 ГЛАВА 2. ИНТЕГРАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ 3 § 1. НЕОПРЕДЕЛЕННЫЙ ИНТЕГРАЛ.. 3 1. Первообразная функция и её свойства. 3 2. Понятие неопределённого интеграла. 3 3. Свойства неопределённого интеграла. 3 4. Таблица основных неопределённых интегралов. 3 § 2. МЕТОДЫ ИНТЕГРИРОВАНИЯ.. 3 1. Непосредственное интегрирование. 3 2. Интегрирование подстановкой. 3 3. Интегрирование по частям. 3 4. Интегрирование рациональных дробей. 3 5. Интегрирование тригонометрических выражений. 3 6. Интегрирование некоторых видов иррациональных выражений. 3 § 3. ОПРЕДЕЛЁННЫЙ ИНТЕГРАЛ.. 3 1. Задача, приводящая к определённому интегралу. 3 2. Свойства определённого интеграла. 3 3. Вычисление определенного интеграла. Формула Ньютона–Лейбница. …....3 4. Методы интегрирования определённого интеграла. 3 5. Приложения определённого интеграла. 3 § 4. НЕСОБСТВЕННЫЕ ИНТЕГРАЛЫ.. 3 1. Интегралы с бесконечными пределами. 3 2. Интегралы от разрывных функций. 3 ФУНКЦИЯ ОДНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Сложная и обратная функции Определение 1 . Пусть функция y = f(U) определена на множестве D(f), а функция U = g(x) определена на D(g), причём E(g) D(f). Тогда функция y = F(x) = f(g(x)) называется сложной функцией (или функцией от функции, или суперпозицией функций f и g ). Определение 2 . Пусть задана функция y = f(x) взаимно однозначно отображающая множество X = D(f) на множество Y = E(f). Тогда функция x = g(y) называется обратной к функции y = f(x), т. е. любому y E(f) соответствует единственное значение x D(f), при котором верно равенство y = f(x). Замечание. Графики функций y = f(x) и x = g(y) представляют одну и ту же кривую. Если же у обратной функции независимую переменную обозначить x, а зависимую y, то графики функций y = f(x) и y = g(x) будут симметричны относительно биссектрисы первого и третьего координатных углов.
Элементарные функции Основные элементарные функции: y = const (постоянная функция), D(y) = R; E(y) = c. (линейная функция), D(y) = R; E(y) = R. y = (степенная функция), α Î R, E(y), D(y) зависят от α. y = (показательная функция), a > 0, a ≠ 1, D(y) = R, E(y) = (0; +∞ ). y = (логарифмическая функция) ), a > 0, a ≠ 1, D(y) = (0; +∞ ), E(y) = R. Тригонометрические функции: y = sin x, D(y) = R, E(y) = . y = cos x, D(y) = R, E(y) = . y = tg x, D(y) = , E(y) = R. y = ctg x, D(y) = , E(y) = R. Обратные тригонометрические функции: y = arcsin x, D(y) = , E(y) = . y = arccos x, D(y) = , E(y) = . y = arctg x, D(y) = R, E(y) = . y = arcctg x, D(y) = R, E(y) = . Элементарной функцией называется функция, составленная из основных элементарных функций с помощью конечного числа операций сложения, вычитания, умножения, деления и суперпозиции. Например: – элементарная функция.
Графики обратных тригонометрических функций:
ПРЕДЕЛ ФУНКЦИИ 1. Предел функции в конечной точке x0
. Определение 2 . d-Окрестностью точки x0называется интервал ( ; ), длина которого 2d, симметричный относительно x0:
Определение 3. Проколотой d-окрестностью точки x0 называется d-окрестность точки x0 без самой точки x0: Определение 4. Число А называется пределом функции f(x) при x ® x0, если для любого малого числа ε > 0 существует такое малое число , что для любого x, принадлежащего D(f) и проколотой δ -окрестности точки x0, т.е. , выполняется неравенство: . Итак: и . Односторонние пределы Определение 5. Число А называется правым (левым) пределом функции y = f(x) в точке x0, если для любого малого числа ε > 0 найдётся другое малое число – такое, что для всех и лежащих в правой (левой) окрестности точки x0, т.е. , справедливо неравенство: . При этом используют следующие обозначения: – для правого предела. – для левого предела. Замечание 1. Если f(x) имеет в точке x0, предел равный А, то существуют и и справедливо равенство: . Замечание 2.Если f(x) имеет в точке x0 правый и левый пределы, равные между собой, то в точке функция f(x) имеет предел, равный числу: . Замечание 3.Если f(x) имеет в точке x0 правый и левый пределы, но они не равны между собой, то в точке x0 функция f(x) не имеет предела. Первый замечательный предел Теорема 6. Предел функции в точке существует и равен 1, т.е. . Доказательство:
1) Пусть угол x > 0 (x ). Площади соотносятся: (1) ; ; , где угол х в радианах. Подставим в соотношение (1) полученные значения площадей: , , Так как все части двойного неравенства положительные, выражение можно переписать так: Так как то по теореме 5: . 2) Пусть x < 0 (x ) (по доказанному в первом случае). Следовательно, . Теорема доказана.
Второй замечательный предел Теорема 7. Предел функции при x существует и равен числу e, т.е. . Замечание.Числоe является пределом последовательности , причем это число иррациональное, т.е. представляется бесконечной непериодической десятичной дробью: e = 2, 7182818284590…. Более того, число e трансцендентное, т.е. не является корнем алгебраического уравнения с целыми коэффициентами. В математическом анализе это число играет особую роль, в частности, является основанием натурального логарифма. Показательная функция с основанием e: , называется экспонентой.
НЕПРЕРЫВНОСТЬ ФУНКЦИИ Примеры вывода производных некоторых элементарных функций 1) Вывод: ; 2) ; Вывод: ; 3) Вывод: ; (используется второй замечательный предел и свойства логарифма).
4) Вывод: так как ln x = log e x, то, используя производную, для (log a x), можно записать: . 5) (c)' = 0 Вывод: y = c, Dy = y(x+Dx) – y(x) = c – c = 0 . Для остальных функций производные выводятся позже с помощью правил дифференцирования. Таблица производных основных элементарных функций 1. (c)' = 0 2. (xa)' = a× xa – 1 3. (ax)' = ax× ln a, (a > 0, a ≠ 1) 4. (ex)' = ex 5. (loga x)' = , (a > 0; a ≠ 1) 6. (ln x)' = 7. (sin x)' =cos x 8. (cos x)' = – sin x 9. (tg x)' = 10. (ctg x)' = – 11. (arcsin x)' = 12. (arccos x)' = – 13. (arctg x)' = 14. (arcctg x)' = Правила дифференцирования Теорема 3 . Если функции U(x) и V(x) дифференцируемы в точке x, то функция U(x) ± V(x) дифференцируема в точке x и её производная вычисляется по формуле: (U(x) ± V(x))' = (U(x))' ± (V(x))'. Доказательство: Рассмотрим функцию y = U(x) ± V(x). Тогда Dy = DU ± DV. Разделим на Dx и перейдём к пределу при Dx ® 0: так как по условию теоремы функции U(x) и V(x) дифференцируемы. Значит, (U(x) ± V(x))' = U '(x) ± V '(x). Теорема доказана. Теорема 4. Если функции U(x) и V(x) дифференцируемы в точке х, то функция (U(x)× V(x)) дифференцируема в точке х и её производная вычисляется по формуле: (U(x) × V(x))' = (U(x))'× V(x) + U(x) × (V(x))'. Доказательство. Рассмотрим функцию . Найдём её приращение Dy = (U+DU)(V+DV) – U× V = U× V + U× DV + V× DU + DU× DV – U× V= = U× DV + V× DU + DU× DV. Разделим Dy на Dx и перейдем к пределу при Dx ® 0: так как по условию функции U(x) и V(x) дифференцируемы, а значит , и . Следовательно, (U(x)× V(x))' = U ' (x) × V(x) + U(x) × V ' (x). Теорема доказана. Следствия: а) Если U(x), V(x) и W(x) дифференцируемы в точке х, то функция (U(x)× V(x) × W(x)) дифференцируема в точке х и её производная вычисляется по формуле:
(U× V× W)' = U '× V× W + U× V '× W + U× V× W '. б) Производная постоянной, умноженной на дифференцируемую функцию, равна этой постоянной, умноженной на производную функции:
(C× U(x))' = C× U ' (x). Теорема 5. Если функции U(x) и V(x) дифференцируемы в точке х и V(x) ≠ 0, то функция дифференцируема в точке х и её производная вычисляется по формуле: . Доказательство. Рассмотрим функцию . Найдём её приращение Разделим Dy на Dx и перейдём к пределу при Dx ® 0: , Значит, . Теорема доказана. Теорема 6 (производная сложной функции). Если функция f(u) дифференцируема в точке u, а функция u(x) дифференцируема в точке x, причём u = u(x), тогда сложная функция f(u(x)) дифференцируема в точке x и её производная вычисляется по формуле: (f (u(x)))' = f '(u) × u' (x). Доказательство. Рассмотрим функцию y = f(u). Так как функция f(u) дифференцируема в точке u, то её приращение можно записать в виде: , где . Разделим на Dx и перейдём к пределу при Dx ® 0: Если D x® 0, то D u® 0, так как u(x) дифференцируема, а значит непрерывна, т.е. (f(u(x)))' = f ' (u) × u' (x). Теорема доказана. Дифференциал функции Пусть функция y = f(x) дифференцируема в точке x, тогда её приращение можно записать в виде двух слагаемых, первое из которых линейно относительно Dx, а второе слагаемое – бесконечно малая величина при Dx ® 0 (более высокого порядка малости по сравнению с Dx):
, где (Dx) ® 0 при Dx ® 0. Определение 4. Слагаемое называется главной линейной относительно Dx частью приращения функции y = f(x), называемой дифференциалом этой функции. Дифференциал обозначается
dy = y' (x)× Dx. Если x – независимая переменная, то справедливо равенство Dx = dx, так как (x)' = 1. Тогда формула для дифференциала записывается:
dy = y' (x)× dx. Так как второе слагаемое приращения функция – малая величина более высокого порядка малости по сравнению с Dx, то между приращением функции и её дифференциалом можно приближённо поставить знак равенства. Это равенство тем точнее, чем меньше Dx. На основе этого приближённого равенства получается приближённое представление значения дифференцируемой функции:
Пример. Вычислить приближённо Решение. Рассмотрим функцию . В качестве начальной точки возьмём x0 = 4, приращение Dx = 0, 08, и подставим в формулу: , где D < < 0, 08.
Теорема Ролля Теорема 4 (теорема Ролля). Если функция f(x) определена на отрезке [a; b] и выполнены следующие условия: · f(x) непрерывна на отрезке [a; b]; · f(x) дифференцируема на интервале (a; b); · f(a) = f(b), то внутри этого отрезка [a; b] найдется хотя бы одна точка х0, в которой выполняется равенство: f '(х0) = 0. Доказательство.Так как f(x) непрерывна на отрезке [a; b], то она достигает на этом отрезке своих наименьшего m и наибольшего M значений. Возможны два случая: m = M и m < M. · Если m = M, то f(x) = const = m = M. Тогда f '(x) = 0 при любом x Î [a; b]. Следовательно, в этом случае теорема верна и при этом в качестве х0 можно рассматривать любое значение x Î [a; b]. · Если m < M, то исходя из условия f(a) = f(b), по крайней мере одно из чисел m или M не равно f(a) = f(b). Для определённости предположим, что M – наибольшее значение f(x) достигается не на концах отрезка [a; b], а в некоторой внутренней точке х0 Î (a; b). Тогда в точке х0 для приращения функции справедливо неравенство: Dy = f(х0 + Dx) – f(хо) ≤ 0, так как f(х0) = M – наибольшее значение f(x) на отрезке [a; b] и Dx такое, что х0 + D x Î [a; b]. · Если D x > 0, то и существует · Если D x < 0, то и существует Так как по условию теоремы функция f(x) дифференцируема при xÎ (a; b), то в точке хо существует производная. Значит справедливы равенства: f ' (х0 + 0) = f ' (х0 – 0) = f ' (х0) = 0. Теорема доказана. Теорема Лагранжа Теорема 5 (теорема Лагранжа). Если функция f(x) определена на отрезке [a; b] и выполнены следующие условия: · f(x) непрерывна на отрезке [a; b], · f(x) дифференцируема на интервале (a; b), то внутри этого отрезка существует хотя бы одна точка х0, в которой выполняется равенство: f ' (х0) = . Доказательство.Рассмотрим вспомогательную функцию F(x) = f(x) + l× x, где l = const. Потребуем, что бы для F(x) выполнялось условие F(a) = F(b). Так как F(a) = f(a) + l× a и F(b) = f(b) + l× b, то получим равенство: f(a) + l× a = f(b) + l× b. Отсюда выразим значение l: l = – . При этом значении l функция F(x) = f(x) – . Функция F(x) удовлетворяет всем условиям теоремы Ролля: · F(x) непрерывна на отрезке [a; b]: · F(x) дифференцируема на интервале (a; b) · F(a) = F(b). Следовательно, по теореме Ролля на интервале (a; b) существует хотя бы одна точка х0, в которой выполняется равенство: F '(х0) = 0. Найдём F '(x): F '(x) = f '(x) – . Поэтому F '(x0) = f '(х0) – = 0, если f '(х0) = . Теорема доказана. Теорема Коши Теорема 6 (теорема Коши). Если функции f(x) и g(x) определены на отрезке [a; b] и удовлетворяют условиям: · f(x) и g(x) непрерывны на отрезке [a; b]; · f(x) и g(x) дифференцируемы на интервале (a; b); · g '(x) ¹ 0 при любом x Î (a; b), то внутри отрезка [a; b] найдётся хотя бы одна точка х0, в которой выполняется равенство: . Доказательствоаналогично доказательству теоремы 5 (теорема Лагранжа) при вспомогательной функции F(x) = f(x) + l × g(x), где l = const, которую выбирают так, чтобы F(a) = F(b). Правило Лопиталя Теорема 7 (правило Лопиталя). Если функции f(x) и g(x) определены в некоторой окрестности точки х0 и в этой окрестности они удовлетворяют условиям: · f(x) и g(x) дифференцируемы в каждой точке за исключением может быть самой точки х0; · g '(x) ¹ 0 для любого x из этой окрестности; · или , тогда, если существует конечный или бесконечный, то выполняется равенство: = . Замечание 1.Правило Лопиталя используется для раскрытия неопределённостей типа или , возникающих при вычислении пределов. Если под знаком предела оказывается неопределённость другого типа: 0× ∞, , 10, 00 или ∞ 0, то с помощью тождественных алгебраических преобразований такая неопределённость приводится к или и тогда можно применить правило Лопиталя. Замечание 2.Если к условиям теоремы 7 добавить дифференцируемость функций f '(x) и g'(x) в окрестности точки х0, то при выполнении остальных требований для f '(x) и g'(x) правило Лопиталя можно применить повторно. При этом будет справедливо равенство:
= = Пример 1. Вычислить предел: Пример 2. Вычислить предел: Пример 3. Вычислить предел: Пример 4. Вычислить предел: . Пример 5. Вычислить предел:
Пример 6. Вычислить предел:
Асимптоты плоской кривой Определение 1 . Если точка M(x; y) перемещается по кривой y = f(x) так, что хотя бы одна из координат точки стремится к ¥ и при этом расстояние от этой точки до некоторой прямой стремится к 0, то эта прямая называется асимптотой кривой y = f(x). Асимптоты бывают двух видов: вертикальные и наклонные. Определение 2. Прямая x = a называется вертикальной асимптотой кривой y = f(x), если хотя бы один из односторонних пределов или равен +¥ или – ¥. Замечание. Если прямая x = a является вертикальной асимптотой кривой y = f(x), то в точке x = a функция f(x) имеет разрыв второго рода. Наоборот, если в точке x = a функция f(x) имеет разрыв второго рода, то прямая x = a является вертикальной асимптотой кривой y = f(x). Определение 3. Прямая называется наклонной асимптотой кривой при (или ), если функцию f(x) можно представить в виде: , где (x) – бесконечно малая функция при (или ). Теорема 1 . Для того чтобы кривая y = f(x) имела наклонную асимптоту при (или ) необходимо и достаточно существования двух конечных пределов: и Доказательство. Ограничимся случаем . Необходимость. Пусть y = kx+b – наклонная асимптота при кривой y = f(x). Тогда функцию f(x) представим в виде:
, где при . Убедимся в существовании конечных пределов: . . Необходимость доказана. Достаточность. Пусть существуют конечные пределы и . Тогда по свойству конечных пределов второй предел можно переписать в виде: , где (x) – бесконечно малая величина при . Отсюда получаем: , где при . Достаточность доказана. Пример 1. Найти асимптоты кривой . Решение. 1) D(y) = (–¥; –1) È (–1; 1) È (1; + ¥ ). 2) Точки x = –1 и x = 1 являются точками разрыва второго рода, так как:
Поэтому прямые x = –1 и x = 1 являются вертикальными асимптотами. 3) Вычислим пределы: , k = 1. Отсюда следует, что при прямая y = 1× x +0, т.е. y = x – наклонная асимптота при . Найдём наклонную асимптоту при . Вычисляя те же пределы при , получим k = 1 и b = 0, т.е. прямая y = x является наклонной асимптотой при . Ответ: x = ± 1 – вертикальные асимптоты y = x – наклонная асимптота при x ® ±¥. Монотонность функции Определение 4. Функция y = f(x) называется возрастающей (убывающей) на промежутке (a; b), если для любых x1 и x2, принадлежащих этому промежутку, из условия x2 > x1 следует неравенство:
f(x2) > f(x1) (f(x2) < f(x1)).
Определение 5. Функция y = f(x) называется монотонной на промежутке (a; b), если она на этом промежутке является только возрастающей или только убывающей. Теорема 2 (достаточные условия монотонности). Если функция y = f(x) дифференцируема на промежутке (a; b) и f’(x) > 0 (f’(x) < 0) для любых x Î (a; b), то функция возрастает (убывает) на этом промежутке. Доказательство. Возьмём любые два значения x1 и x2 из промежутка (a; b). Для определённости предположим, что x2 > x1. На отрезке [x1; x2] функция y = f(x) непрерывна и дифференцируема (из условия теоремы). Следовательно, она удовлетворяет теореме Лагранжа на отрезке [x1; x2], т.е. существует хотя бы одна точка c Î (x1; x2), в которой выполняется равенство: f(x2) – f(x1) = f' (c) × (x2 – x1). Если f '(x) > 0 для любых xÎ (a; b), то f '(c) > 0. Поэтому f(x2) – f(x1) > 0, т.е. из условия x2 > x1 следует неравенство f(x2) > f(x1). А так как x1 и x2 –любые значения из промежутка (a; b), то функция y = f(x) возрастает на этом промежутке. Если для любых , то . Поэтому , то есть из условия x2 > x1 следует неравенство f(x2) < f(x1). Так как x1 и x2 любые значения из промежутка (a; b), то функция y = f(x) убывает на этом промежутке. Теорема доказана. Экстремумы функции Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-05-30; Просмотров: 1018; Нарушение авторского права страницы