Практическое применение производной

Южно-Сахалинский Государственный  Университет

Кафедра математики

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

Тема: Практическое применение производной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор: Меркулов М. Ю.

Курс: 3

Преподаватель: Лихачева О. Н.

Оценка:

Южно-Сахалинск

2002г 
Введение

 

В данной работе я рассмотрю применения производной в различных науках и отраслях. Работа разбита на главы, в каждой из которых рассматривается одна из сторон дифференциального исчисления (геометрический, физический смысл и т. д.)

 

1. Понятие производной

 

1-1. Исторические сведения

 

Дифференциальное  исчисление было создано Ньютоном и  Лейбницем в конце 17 столетия на основе двух задач:

1) о разыскании  касательной к произвольной линии

2) о разыскании  скорости при произвольном законе  движения

Еще раньше понятие производной встречалось в работах итальянского математика Тартальи (около 1500 - 1557 гг.) - здесь появилась касательная в ходе изучения вопроса об угле наклона орудия, при котором обеспечивается наибольшая дальность полета снаряда.

В 17 веке на основе учения Г.Галилея о движении активно развивалась кинематическая концепция производной. Различные изложения стали встречаться в работах у Декарта, французского математика Роберваля, английского ученого Л. Грегори. Большой вклад в изучение дифференциального исчисления внесли  Лопиталь, Бернулли, Лагранж, Эйлер, Гаусс.

 

1-2. Понятие  производной

 

Пусть y = f(x) есть непрерывная функция аргумента x, определенная в промежутке (a; b), и пусть х₀ - произвольная точка этого промежутка

Дадим аргументу x приращение ∆x, тогда функция y = f(x) получит приращение ∆y = f(x + ∆x) - f(x). Предел, к которому стремится отношение ∆y / ∆x при ∆x → 0, называется производной от функции f(x).

y'(x)=

 

1-3. Правила  дифференцирования и таблица  производных

 

C' = 0	(xn) = nxn-1	(sin x)' = cos x
x' = 1	(1 / x)' = -1 / x2	(cos x)' = -sin x
(Cu)'=Cu'	(√x)' = 1 / 2√x	(tg x)' = 1 / cos2 x
(uv)' = u'v + uv'	(ax)' = ax ln x	(ctg x)' = 1 / sin2 x
(u / v)'=(u'v - uv') / v2	(ex)' = ex	(arcsin x)' = 1 / √ (1- x2)
	(logax)' = (logae) / x	(arccos x)' = -1 / √ (1- x2)
	(ln x)' = 1 / x	(arctg x)' = 1 / √ (1+ x2)
		(arcctg x)' = -1 / √ (1+ x2)

 

 

 

2. Геометрический  смысл производной

 

2-1. Касательная  к кривой

 

Пусть имеем кривую и на ней фиксированную  точку M и точку N. Касательной к точке M называется прямая, положение которой стремится занять хорда MN, если точку N неограниченно приближать по кривой к M.

 

Рассмотрим функцию f(x) и соответствующую этой функции кривую y = f(x). При некотором значении x функция имеет значение y = f(x). Этим значениям на кривой соответствует точка M(x₀, y₀). Введем новый аргумент x₀ + ∆x, его значению соответствует значение функции y₀ + ∆y = f(x₀ + ∆x). Соответствующая точка - N(x₀ + ∆x, y₀ + ∆y). Проведем секущую MN и обозначим φ угол, образованный секущей с положительным направлением оси Ox. Из рисунка видно, что ∆y / ∆x = tg φ. Если теперь ∆x будет приближаться к 0, то точка N будет перемещаться вдоль кривой , секущая MN - поворачиваться вокруг точки M, а угол φ - меняться. Если при ∆x → 0 угол φ стремится к некоторому α, то прямая, проходящая через M и составляющая с положительным направлением оси абсцисс угол α, будет искомой касательной. При этом, ее угловой коэффициент:

То есть, значение производной  f '(x) при данном значении аргумента x равно тангенсу угла, образованного с положительным направлением оси Ox касательной к графику функции f(x) в точке M(x, f(x)).

 

Касательная к пространственной линии  имеет определение, аналогичное  определению касательной к плоской кривой. В этом случае, если функция задана уравнением z = f(x, y), угловые коэффициенты при осях OX и OY будут равны частным производным f по x и y.

 

2-2. Касательная  плоскость к поверхности

 

Касательной плоскостью к поверхности  в точке M называется плоскость, содержащая касательные ко всем пространственным кривым поверхности, проходящим через M - точку касания.

Возьмем поверхность, заданную уравнением F(x, y, z) = 0 и какую-либо обыкновенную точку M(x₀, y₀, z₀) на ней. Рассмотрим на поверхности некоторую кривую L, проходящую через M. Пусть кривая задана уравнениями

x = φ(t); y = ψ(t); z = χ(t).

Подставим в уравнение поверхности  эти выражения. Уравнение превратится  в тождество, т. к. кривая целиком  лежит на поверхности. Используя  свойство инвариантности формы дифференциала, продифференцируем полученное уравнение по t:

Уравнения касательной  к кривой L в точке M имеют вид:

Т. к. разности x - x₀, y - y₀, z - z₀ пропорциональны соответствующим дифференциалам, то окончательное уравнение плоскости выглядит так:

F'_x(x - x₀) + F'_y(y - y₀) + F'_z(z - z₀)=0

и для частного случая z = f(x, y):

Z - z₀ = F'_x(x - x₀) + F'_y(y - y₀)

Пример: Найти уравнение касательной плоскости в точке (2a; a; 1,5a) гиперболического параболоида

Решение:

Z'_x = x / a = 2; Z'_y = -y / a = -1

Уравнение искомой плоскости:

Z - 1.5a = 2(x - 2a) - (Y - a) или Z = 2x - y - 1.5a

 

3. Использование  производной в физике

 

3-1. Скорость  материальной точки

 

Пусть зависимость пути s от времени t в данном прямолинейном движении материальной точки выражается уравнением s = f(t) и t₀ -некоторый момент времени. Рассмотрим другой момент времени t, обозначим ∆t = t - t₀ и вычислим приращение пути: ∆s = f(t₀ + ∆t) - f(t₀). Отношение ∆s / ∆t называют средней скоростью движения за время ∆t, протекшее от исходного момента t₀. Скоростью называют предел этого отношения при ∆t → 0.

 

Среднее ускорение неравномерного движения в интервале (t; t + ∆t) - это величина <a>=∆v / ∆t. Мгновенным ускорением материальной точки в момент времени t будет предел среднего ускорения:

То есть первая производная по времени (v'(t)).

 

Пример: Зависимость пройденного телом пути от времени задается уравнением s = A + Bt + Ct² +Dt³ (C = 0,1 м/с, D = 0,03 м/с²). Определить время после начала движения, через которое ускорение тела будет равно 2 м/с².

 

Решение:

v(t) = s'(t) = B + 2Ct + 3Dt²;    a(t) = v'(t) = 2C + 6Dt = 0,2 + 0,18t = 2;

1,8 =  0,18t;    t = 10 c

 

3-2. Теплоемкость  вещества при данной температуре

 

Для повышения различных температур T на одно и то же значение, равное T₁ - T, на 1 кг. данного вещества необходимо разное количество теплоты Q₁ - Q, причем отношение

для данного вещества не является постоянным. Таким образом, для данного  вещества количество теплоты Q есть нелинейная функция температуры T: Q = f(T). Тогда ΔQ = f(t + ΔT) - f(T). Отношение

называется средней теплоемкостью  на отрезке [T; T + ΔT], а предел этого выражения при ∆T → 0 называется теплоемкостью данного вещества при температуре T.

 

3-3. Мощность

 

Изменение механического движения тела вызывается силами, действующими на него со стороны других тел. Чтобы  количественно характеризовать  процесс обмена энергией между взаимодействующими телами, в механике вводится понятие работы силы. Чтобы охарактеризовать скорость совершения работы, вводят понятие мощности: .

 

4. Дифференциальное исчисление в экономике

 

4-1. Исследование  функций

 

Дифференциальное  исчисление - широко применяемый для  экономического анализа математический аппарат. Базовой задачей экономического анализа является изучение связей экономических величин, записанных в виде функций. В каком направлении изменится доход государства при увеличении налогов или при введении импортных пошлин? Увеличится или уменьшится выручка фирмы при повышении цены на ее продукцию? В какой пропорции дополнительное оборудование может заменить выбывающих работников? Для решения подобных задач должны быть построены функции связи входящих в них переменных, которые затем изучаются с помощью методов дифференциального исчисления. В экономике очень часто требуется найти наилучшее или оптимальное значение показателя: наивысшую производительность труда, максимальную прибыль, максимальный выпуск, минимальные издержки и т. д. Каждый показатель представляет собой функцию от одного или нескольких аргументов. Таким образом, нахождение оптимального значения показателя сводится к нахождению экстремума функции.

По теореме  Ферма, если точка является экстремумом  функции, то производная в ней либо не существует, либо равна 0. Тип экстремума можно определить по одному из достаточных условий экстремума:

1) Пусть  функция f(x) дифференцируема в некоторой окрестности точки x₀. Если производная f '(x) при переходе через точку x₀ меняет знак с + на -, то x₀ - точка максимума, если с - на +, то x₀ - точка минимума, если не меняет знак, то в этой точке нет экстремума.

2) Пусть функция f(x) дважды дифференцируема в некоторой окрестности точки x₀, причем f '(x₀) = 0, f ''(x₀) ≠ 0, то в точке x₀ функция f(x₀) имеет максимум, если f ''(x₀) < 0 и минимум, если f ''(x₀) > 0.

Кроме того, вторая производная характеризует  выпуклость функции (график функции  называется выпуклым вверх [вниз] на интервале (a, b), если он на этом интервале расположен не выше [не ниже] любой своей касательной).

 

Пример: выбрать оптимальный объем производства фирмой, функция прибыли которой может быть смоделирована зависимостью:

π(q) = R(q) - C(q) = q² - 8q + 10

Решение:

π'(q) = R'(q) - C'(q) = 2q - 8 = 0 → q_extr = 4

При q < q_extr = 4 → π'(q) < 0 и прибыль убывает

При q > q_extr = 4 → π'(q) > 0 и прибыль возрастает

При q = 4 прибыль принимает минимальное значение.

Каким же будет оптимальный объем  выпуска для фирмы? Если фирма  не может производить за рассматриваемый  период больше 8 единиц продукции (p(q = 8) = p(q = 0) = 10), то оптимальным решением будет вообще ничего не производить, а получать доход от сдачи в аренду помещений и / или оборудования. Если же фирма способна производить больше 8 единиц, то оптимальным для фирмы будет выпуск на пределе своих производственных мощностей.

 

4-2. Эластичность  спроса

 

Эластичностью функции f(x) в точке x₀ называют предел

Спрос - это количество товара, востребованное покупателем. Ценовая эластичность спроса E_D - это величина, характеризующая то, как спрос реагирует на изменение цены. Если │E_D│>1, то спрос называется эластичным, если │E_D│<1, то неэластичным. В случае E_D=0 спрос называется совершенно неэластичным, т. е. изменение цены не приводит ни к какому изменению спроса. Напротив, если самое малое снижение цены побуждает покупателя увеличить покупки от 0 до предела своих возможностей, говорят, что спрос является совершенно эластичным. В зависимости от текущей эластичности спроса, предприниматель принимает решения о снижении или повышении цен на продукцию.

 

4-3. Предельный  анализ

 

Важный раздел методов дифференциального  исчисления, используемых в экономике - методы предельного анализа, т. е. совокупность приемов исследования изменяющихся величин затрат или результатов при изменениях объемов производства, потребления и т. п. на основе анализа их предельных значений. Предельный показатель (показатели) функции - это ее производная (в случае функции одной переменной) или частные производные (в случае функции нескольких переменных)

В экономике часто используются средние величины: средняя производительность труда, средние издержки, средний доход, средняя прибыль и т. д. Но часто требуется узнать, на какую величину вырастет результат, если будут увеличены затраты или наоборот, насколько уменьшится результат, если затраты сократятся. С помощью средних величин ответ на этот вопрос получить невозможно. В подобных задачах требуется определить предел отношения приростов результата и затрат, т. е. найти предельный эффект. Следовательно, для их решения необходимо применение методов дифференциального исчисление.

 

5. Производная  в приближенных вычислениях

 

5-1. Интерполяция

 

Интерполяцией называется приближенное вычисление значений функции по нескольким данным ее значениям. Интерполяция широко используется в картографии, геологии, экономике и других науках. Самым простым вариантом интерполяции является форма Лагранжа, но когда узловых точек много и интервалы между ними велики, либо требуется получить функцию, кривизна которой минимальна то прибегают к сплайн-интерполяции, дающей бóльшую точность.

 

Пусть K_n - система узловых точек a = x₀ < x₁ <…< x_n = b. Функция S_k(x) называется сплайн-функцией S_k(x) степени k≥0 на K_n, если

а) S_k(x) є C^k-1([a, b])

б) S_k(x) - многочлен степени не большей k