Применение производной составленной функции, к исследованию свойств функции

Производная функции  в точке x₀ равна угловому коэффициенту касательной к графику функции, проведенной в точке с абсциссой x₀.

1.4 Физический смысл производной.

 

  Рассмотрим движение  точки по прямой. Пусть задана  координата точки в любой момент  времени x(t). Известно (из курса физики), что средняя скорость за промежуток времени [t₀; t₀+ ∆t] равна отношению расстояния, пройденного за этот промежуток времени, на время, т.е.

Vср = ∆x/∆t. Перейдем к пределу в последнем равенстве   при ∆t → 0.

lim Vср (t) = n(t₀) - мгновенная скорость в момент времени t₀,  ∆t → 0.

а lim  = ∆x/∆t = x'(t₀) (по определению производной).

Итак, n(t) =x'(t).

Физический смысл  производной заключается в следующем: производная функции y = f(x) в точке x₀ - это скорость изменения функции f (х) в точке x₀

Производная применяется  в физике для нахождения скорости по известной функции координаты от времени, ускорения по известной  функции скорости от времени.

u(t) = x'(t) - скорость,

a(f) = n'(t) - ускорение, или

a(t) = x"(t).

Если известен закон движения материальной точки по окружности, то можно найти угловую скорость и угловое ускорение при вращательном движении:

φ = φ(t) - изменение угла от времени,

ω = φ'(t) - угловая скорость,

ε  = φ'(t) - угловое ускорение, или ε = φ"(t).

Если известен закон распределения  массы неоднородного стержня, то можно найти линейную плотность  неоднородного стержня:

m = m(х) - масса,

x Î [0; l], l - длина стержня,

р = m'(х) - линейная плотность.

С помощью производной  решаются задачи из теории упругости  и гармонических колебаний. Так, по закону Гука

F = -kx, x – переменная координата, k- коэффициент упругости пружины. Положив ω² =k/m, получим дифференциальное уравнение пружинного маятника х"(t) + ω²x(t) = 0,

где ω = √k/√m частота колебаний (l/c), k - жесткость пружины (H/m).

Уравнение вида у" + ω²y = 0 называется уравнением гармонических колебаний (механических, электрических, электромагнитных). Решением таких уравнений является функция

у = Asin(ωt + φ₀) или у = Acos(ωt + φ₀), где

А - амплитуда колебаний, ω - циклическая частота,

φ₀ - начальная фаза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ II. Изучение функции с помощью производной

2.1 Возрастание и убывание функции.  Экстремум функции.

Определение 1. Функция f(x) называется возрастающей в интервале (a,b), если при возрастании аргумента x в этом интервале соответствующие значения функции f(x) также возрастают, т.е. если f(x₂) > f(x₁) при x₂ > x₁.

Рис.1 (а)

Рис.1 (б)

 

  Из этого определения следует, что у возрастающей в интервале (a,b) функции f(x) в любой точке этого интервала приращения Dx и Dy имеют одинаковые знаки. 
  График возрастающей функции показан на рисунке1(а). 
  Если из неравенства x₂ > x₁ вытекает нестрогое неравенство f (x₂) ³ f (x₁), то функция f (x) называется неубывающей в интервале (a, b ). Пример такой функции показан на рисунке 2(а). На интервале [ x₀ , x₁ ] она сохраняет постоянное значение C 
  Определение 2. Функция f (x) называется убывающей в интервале ( a, b ) если при возрастании аргумента x в этом интервале соответствующие значения функции f (x) убывают, т.е. если f(x₂) < f(x₁) при x₂ > x₁.   

Из этого определения  следует, что у убывающей в интервале ( a, b ) функции f (x) в любой точке этого интервала приращения Dx и Dy имеют разные знаки.  График убывающей функции показан на рисунке 1(б). 
  

Если из неравенства x₂ > x₁ вытекает нестрогое неравенство f(x₂) £  f(x₁), то функция f (x) называется невозрастающей в интервале ( a, b ). Пример такой функции показан на рисунке 2(б). На интервале [ x₀ , x₁ ] она сохраняет постоянное значение C.

  Теорема 1. Дифференцируемая и возрастающая в интервале ( a, b ) функция f (x) имеет во всех точках этого интервала неотрицательную производную. 
    Теорема 2. Дифференцируемая и убывающая в интервале ( a, b ) функция f (x) имеет во всех точках этого интервала неположительную производную.

  Пусть данная непрерывная  функция убывает при возрастании x от x₀ до x₁, затем при возрастании x от x₁ до x₂ - возрастает, при дальнейшем возрастании x от x₂ до x₃ она вновь убывает и так далее. Назовем такую функцию колеблющейся. 
  График колеблющейся функции показан на рисунке 3. Точки A, C, в которых функция переходит от возрастания к убыванию, так же, как и точки B, D, в которых функция переходит от убывания к возрастанию, называются точками поворота или критическими точками кривой y = f (x), а их абциссы - критическими значениями аргумента x 
  В той точке, где функция переходит от возрастания к убыванию, ордината больше соседних с ней по ту и другую сторону ординат. Так, ордината точки A больше ординат, соседних с ней справа и слева и достаточно к ней близких, т.е. значение функции в точке A, абсцисса которой равна x₀, больше значений функции в точках, абсциссы которых достаточно близки к x₀ : f (x₀) > f (x₀+∆x).

  На рисунке 4(a) изображена функция f (x), непрерывная в интервале ( a, b ). В интервале ( a, x₀ ] она возрастает, на интервале [ x₀ , x₁ ] - сохраняет постоянное значение: f (x₀) = f (x₁) = C, в интервале [ x₁ , b ) - убывает. Во всех точках, достаточно близких к x₀ (или x₁ ), значения функции f (x) удовлетворяют нестрогому неравенству f (x₀)³f (x).

Значение f (x₀) функции f (x), при котором выполняется вышеуказанное неравенство, называется максимальным значением функции f (x) или просто максимумом. 
  Определение 3. Максимумом функции f (x) называется такое значение f (x₀) этой функции, которое не меньше всех значений функции f (x) в точках x, достаточно близких к точке x₀ , т.е. в точках x,

принадлежащих некоторой  достаточно малой окрестности точки x₀ . 
  Так, на рисунке 3 показаны два максимума: f (x₀) и f (x₂) . 
  В той точке, где функция переходит от убывания к возрастанию, ордината меньше ординат в достаточно близких к ней точках, расположенных справа и слева от нее. Так ордината точки B меньше ординат в точках соседних и достаточно близких к точке x₁ справа и слева. Значение функции в точке, абсцисса которой равна x₁ , меньше значений функции в точках, абсциссы которых достаточно мало отличаются от x₁ : f (x₁) < f (x₁+Dx).   

На рисунке 4(б) изображена функция f (x), непрерывная в интервале ( a, b ). В интервале ( a, x₀ ] она убывает, на интервале [ x₀ , x₁ ] - сохраняет постоянное значение: f (x₀) = f (x₁) = C, в интервале [ x₁ , b ) - возрастает. Во всех точках, достаточно близких к x₀ (или x₁ ), значения функции f (x) удовлетворяют нестрогому неравенству f (x₀)£f (x).   

Значение f (x₀) функции f (x), при котором выполняется вышеуказанное неравенство, называется минимальным значением функции f (x) или просто минимумом. 
  Определение 4. Минимумом функции f (x) называется такое значение f (x₀) этой функции, которое не больше всех значений функции f (x) в точках x, достаточно близких к точке x₀ , т.е. в точках x, принадлежащих некоторой 

достаточно малой окрестности  точки x₀ . 
  Так, на рисунке 3 показаны два минимума: f (x₁) и f (x₃) . 
  По определению наибольшим значением функции f (x) на интервале [ a, b ] является такое значение f (x₀), для которого для всех точек интервала [ a, b ] выполняется неравенство f (x₀)³f (x), а наименьшим значением функции f (x) на интервале [ a, b ] является такое значение f (x₀), для которого для всех точек интервала [ a, b ] выполняется неравенство f (x₀)£f (x). 
  Из этих определений следует, что функция может достигать своего наибольшего или наименьшего значения как внутри интервала [ a, b ] , так и на его концах a и b. Здесь же максимум и минимум функции f (x) были определены соответственно как наибольшее и наименьшее значения в некоторой окрестности точки x₀ . 
  Если в точке x₀ функция f (x) достигает максимума или минимума, то говорят, что функция f (x) в точке x₀ достигает экстремума (или экстремального значения). 
  Функция f (x) может иметь несколько экстремумов внутри интервала [ a, b ], причем может оказаться, что какой-нибудь минимум будет больше какого-нибудь максимума. Таким образом, наибольшее значение функции f (x) на интервале [ a, b ] - это наибольший из экстремумов функции внутри этого интервала и наибольшее из значений функции на концах интервала. 
  Аналогично наименьшее значение функции f (x) на интервале [ a, b ] - это наименьший из экстремумов функции внутри этого интервала и наименьшее из значений функции на концах интервала.

Например функция, изображенная на рисунке 3, достигает наибольшего  значения f (x) в точке x₂ , наименьшего - в точке x₁ интервала [ x₀, x₃ ]. На рисунке 5 изображена функция, имеющая бесконечное число минимумов и максимумов.

   Теорема 3 (необходимый признак экстремума). Если функция f (x) имеет в точке x₀ экстремум, то ее производная в данной точке или равна нулю или не существует. 
    Но функция f (x) может иметь экстремумы и в тех точках x₀, в которых ее производная не существует. Например функция y = | x | в точке x₀ = 0 не дифференцируема, но достигает минимума. Точки такого типа называют угловыми. В них кривая не имеет определенной касательной.

Рис. 6

 

  На рисунке 6 изображена функция f (x), не имеющая в точке x₀ производной [f' (x₀) = ¥] и достигающая в этой точке максимума. При x ® x₀ и x < x₀     f' (x) ® +¥, при x ® x₀ и x > x₀     f' (x) ® -¥. Значит касательная кривой y = f (x) при x = x₀ перпендикулярна к оси Ox. Такие точки называются точками возврата кривой y=f(x). 
  Таким образом, необходимым признаком существования в точке x₀ экстремума функции f (x) является выполнение следующего условия: в точке x₀ производная f' (x) или равна нулю, или не существует. 
  Этот признак не является достаточным условием существования экстремума функции f (x) в точке x₀ : можно привести много примеров функций, удовлетворяющих этому условию при x = x₀ , но, однако, не достигающих экстремума при x = x₀. 
  Например, производная функции y = x³ при x₀ = 0 равна нулю, однако эта функция при x₀ = 0 не достигает экстремального значения.

2.2.Достаточные условия убывания  и возрастания функции. Достаточные  условия экстремума функции.

 

   Теорема 4.Если функция f(x) имеет в каждой точке интервала (a, b) неотрицательную производную, то она является неубывающей функцией в этом интервале. 
   Теорема 5. Если функция f(x) в каждой точке интервала (a, b) имеет неположительную производную, то она является невозрастающей функцией в этом интервале.

   Теорема  6. (первый достаточный признак экстремума). Если производная f '(x) функции f(x) обращается в нуль в точке x₀ или не существует и при переходе через x₀ меняет свой знак, то функция f(x) имеет в этой точке экстремум (максимум, если знак меняется с "+" на "-", и минимум, если знак меняется с "-" на "+"). 
    Теорема 7. (второй достаточный признак существования экстремума функции). Если в точке x₀ первая производная f '(x) функции f(x) обращается в нуль, а её вторая производная f ''(x) отлична от нуля, то в точке x₀ функция f(x) достигает экстремума (минимума, если f ''(x) > 0, и максимума, если f ''(x) < 0). Предполагается, что f ''(x) непрерывна в точке x₀ и ее окрестности.

2.3 .Правило нахождения  экстремума

Чтобы найти экстремум  функции, надо:

1) найти производную данной функции;

2) приравнять производную нулю и решить полученное уравнение; из полученных корней отобрать действительные и расположить их (для удобства) по их величине от меньшего к большему; в том случае, когда все корни оказываются мнимыми, данная функция не имеет экстремума;

3) определить знак производной в каждом из промежутков, отграниченных стационарными точками ( стационарными точками называют точки в которых производная равна 0);

4) если производная положительна в промежутке, лежащем слева от данной стационарной точки, и отрицательна в промежутке, лежащем справа от нес, то данная точка есть точка максимума функции, если же производная отрицательна слева и положительна справа от данной стационарной точки, то данная точка есть точка минимума функции; если производная имеет один и тот же знак как слева, так и справа от стационарной тонки, то в этой точке нет ни максимума, ни минимума, функции;

5) заменить в данном выражении функции аргумент значением, которое дает максимум или минимум функции; получим значение соответственно максимума или минимума функции.

Если функция имеет  точки разрыва, то эти точки должны быть включены в число стационарных точек, разбивающих Ох на промежутки, в которых определяется знак производной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ III. Применение производной

3.1 Правила дифференцирования

(C)’= 0      С=const
(cos x)'=-sin x
(sin x)'=cos x
(tg x)'=	(ах)'=аx ln a
(ctg x)'=-	(ех)'=ex

 

                                         

                                    

Производная степенно-показательной  функции

, где  .

.

Логарифмическое дифференцирование. Пусть дана функция . При этом предполагается, что функция не обращается в нуль в точке. Покажем один из способов нахождения производной функции , если  очень сложная функция и по обычным правилам дифференцирования найти производную затруднительно.