- •Оглавление
- •Часть 1. Основной тест
- •Раздел 1. Элементы линейной алгебры и аналитической геометрии
- •Раздел 2. Математический анализ функций одной переменной
- •Часть 2. Приложения
- •Предисловие
- •Часть 1. Основной текст.
- •Раздел 1. Элементы линейной алгебры и аналитической геометрии.
- •1. Определители.
- •1.1. Основные понятия.
- •1.2 Свойства определителей.
- •1.3 Приложение определителей к решению систем линейных уравнений.
- •2. Декартовы координаты на плоскости и в пространстве.
- •2.1 Декартовы координаты на плоскости.
- •2.2 Основные задачи аналитической геометрии на плоскости.
- •2.2.1. Расстояние между двумя точками.
- •2.2.2. Деление отрезка в данном отношении.
- •2.2.3. Площадь треугольника.
- •2.3. Декартовы координаты в пространстве.
- •2.4. Основные задачи аналитической геометрии в пространстве.
- •3. Векторы на плоскости и в пространстве.
- •3.1. Основные понятия.
- •3.2. Линейные операции над векторами.
- •3.3. Базис на плоскости и в пространстве. Координаты вектора в данном базисе.
- •3.4. Проекция вектора на ось.
- •3.5. Ортонормированный базис на плоскости и в пространстве.
- •3.6. Действия над векторами в координатной форме.
- •4. Скалярное произведение векторов.
- •4.1. Определение и свойства скалярного произведения.
- •4.2. Скалярное произведение в координатной форме.
- •4.3. Некоторые приложения скалярного произведения.
- •5. Векторное и смешанное произведения векторов.
- •5.1. Определение векторного произведения.
- •5.2. Свойства векторного произведения
- •5.3. Векторное произведение в координатной форме.
- •5.4. Определение смешанного произведения.
- •5.5. Смешанное произведение в координатной форме.
- •6. Понятие линейного (векторного) пространства.
- •6.1. Определение линейного пространства.
- •6.2. Линейная зависимость
- •6.3. Базис. Координаты. Размерность.
- •6.4. Пространство арифметических векторов Rn.
- •7. Прямая линия на плоскости.
- •7.1. Понятие уравнения линии на плоскости.
- •7.2 Уравнение прямой на плоскости.
- •7.2.1 Уравнение прямой с угловым коэффициентом.
- •7.2.2. Уравнение прямой, проходящей через данную точку в данном направлении.
- •7.2.3. Уравнение прямой, проходящей через две точки.
- •7.2.4. Уравнение прямой в отрезках на осях.
- •7.2.4. Общее уравнение прямой.
- •7.2.6. Векторное уравнение прямой.
- •7.2.7. Уравнение прямой с данным вектором нормали.
- •7.2.8. Нормальное уравнение прямой.
- •7.3. Угол между прямыми. Расстояние от точки до прямой
- •7.3.1 Угол между прямыми. Условия параллельности и ортогональности.
- •7.3.2. Расстояние от точки до прямой.
- •7.3.3. Точка пересечения двух прямых.
- •7.4. Геометрический смысл линейных неравенств и систем линейных неравенств на плоскости
- •8. Прямая и плоскость в пространстве.
- •8.1. Уравнения плоскости в пространстве.
- •8.1.1. Уравнение плоскости, проходящей через данную точку ортогонально данному вектору.
- •8.1.2. Уравнение плоскости, проходящей через три точки.
- •8.1.3. Общее уравнение плоскости.
- •8.1.4. Нормальное уравнение плоскости.
- •8.1.5. Расстояние от точки до плоскости.
- •8.1.6. Взаимное расположение двух плоскостей.
- •8.2. Уравнение прямой в пространстве.
- •8.2.1. Векторное уравнение прямой.
- •8.2.2. Параметрические уравнения прямой.
- •8.2.3. Канонические уравнения прямой.
- •8.2.4. Уравнение прямой, проходящей через две точки.
- •8.2.5. Общее уравнение прямой в пространстве.
- •9. Кривые второго порядка на плоскости.
- •9.1. Окружность.
- •9.2. Эллипс
- •Уравнение эллипса со смещенным центром
- •9.3. Гипербола
- •9.4. Парабола.
- •10. Матрицы
- •10.1. Основные понятия
- •10.2. Действия над матрицами.
- •10.2.1. Сложение матриц.
- •10.2.2. Умножение матрицы на число.
- •10.2.3. Умножение матриц.
- •10.3. Квадратные матрицы. Обратная матрица.
- •10.4. Ранг матрицы.
- •11. Система линейных алгебраических уравнений.
- •11.1. Основные понятия.
- •11.2. Методы решения невырожденных слау.
- •11.3. Метод Гаусса решения слау.
- •11.4 Исследование слау: Терема Кронекера-Капелли.
- •11.5. Исследование структуры решения слау.
- •11.5.1. Структура решения однородной системы.
- •11.5.2. Структура решения неоднородной системы.
- •12. Элементы матричного анализа.
- •12.1. Собственные числа и собственные векторы матрицы.
- •12.2. Квадратичные формы в Rn.
- •Раздел 2. Математический анализ функций одной переменной.
- •13. Множества. Действительные числа.
- •13.1 Логическая символика.
- •13.2. Множества. Действия над множествами.
- •13.3. Действительные числа.
- •13.4. Ограниченные и неограниченные числовые множества.
- •13.5. Числовые промежутки. Окрестность точки.
- •13.6. Индуктивные множества. Натуральные числа. Метод математической индукции.
- •14. Предел последовательности.
- •14.1. Понятие числовой последовательности.
- •14.2. Геометрическая прогрессия
- •14.3. Ограниченные и неограниченные последовательности.
- •14.4. Определение предела последовательности.
- •14.5. Бесконечно малые и бесконечно большие последовательности и их свойства.
- •14.6. Арифметические свойства пределов последовательностей
- •14.7. Предельный переход в неравенствах
- •14.8. Монотонные последовательности.
- •14.9. Число e.
- •15. Функции
- •15.1. Понятия функции.
- •15.2. Основные характеристики поведения функции.
- •15.3. Понятие сложной и обратной функции.
- •15.3.1. Понятие сложной функции.
- •15.3.2. Понятие обратной функции.
- •З аметим, что монотонные функции взаимно однозначны (см. Рис. 15.11):
- •15.4. Основные элементарные функции.
- •15.5. Некоторые важнейшие функциональные зависимости.
- •15.5.6. Тригонометрические и обратные тригонометрические функции.
- •15.6. Преобразование графиков функций.
- •16. Предел функции.
- •16.1. Определение предела функции в точке.
- •16.2. Основные теоремы о пределах функций.
- •Четвертый замечательный предел
- •Основные свойства б.М. Функций.
- •16.5 Сравнение б. М. И б. Б. Функций.
- •16.6. Односторонние пределы.
- •17. Непрерывность функции.
- •17.1. Непрерывность функции в точке.
- •17.2. Локальные свойства непрерывных функций.
- •17.3. Непрерывность обратной функции.
- •17.4. Непрерывность основных элементарных функций.
- •17.5. Точки разрыва функции и их классификация.
- •17.6. Свойства функций, непрерывных на отрезке.
- •18. Производная.
- •18.1. Понятие производной.
- •18.2. Дифференцируемость.
- •18.3. Правила вычисления производных, связанные с арифметическими действиями над функциями.
- •18.4. Производная сложной и обратной функции.
- •18.4.1. Производная сложной функции
- •18.4.2. Производная обратной функции.
- •18.5. Таблица производных
- •18.6. Логарифмическая производная
- •18.7. Геометрический смысл производной. Уравнение касательной и нормали к кривой.
- •18.8. Односторонние и бесконечные производные.
- •18.9 Дифференциал.
- •18.10. Производные и дифференциалы высших порядков.
- •18.11. Параметрическое задание функции и ее дифференцирование.
- •18.12. Неявное задание функции и ее дифференцирование.
- •18.13. Основные теоремы дифференциального исчисления.
- •18.14. Правило Лопиталя раскрытия неопределенностей.
- •18.15. Формула Тейлора
- •18.15.1. Формула Тейлора для многочлена.
- •18.15.2. Формула Тейлора для произвольной функции.
- •18.15.3. Формула Маклорена некоторых элементарных функций.
- •18.15.4. Некоторые приложения формулы Маклорена.
- •19. Применение производных к исследованию функций и построению графиков.
- •19.1. Монотонность: убывание и возрастание.
- •19.2. Экстремумы: максимумы и минимумы.
- •19.3. Наибольшее и наименьшее значения функции на отрезке.
- •19.4. Выпуклость вогнутость. Точки перегиба.
- •19.5. Асимптоты графика функции.
- •19.6. План полного исследования функции и построения ее графика.
18.15.4. Некоторые приложения формулы Маклорена.
-
Вычисление числа е.
Запишем формулу Маклорена функции у = ех с остаточным членом в форме Лагранжа
ех = 1+.
Положив х =1, получим
ех = 1+ 1+,
где с (0;1), а погрешность | Rn(x)| = ||•| Rn(x)| ≤ < .
Если требуется вычислить значение с с точностью = 0,001, то число п определяется из неравенства < 0,001, или (п+1)! > 3000, т. е. п = 6.
Таким образом,
ех = 1+2,718.
-
Происхождение эквивалентности б. м.
Первый замечательный предел: sin x x получается из формулы (18.50) отбрасыванием б. м. более высокого порядка, чем х0:
sin x = x + x .
Далее, из формулы (18.51) получаем
1- cos x = .
Аналогично получаем
ех – 1 = x + x ,
ln (1+х) = x + x ,
(1+x)α-1=x + x.
Приложения формулы Тейлора (Маклорена) покажем на примерах позже.
19. Применение производных к исследованию функций и построению графиков.
19.1. Монотонность: убывание и возрастание.
Напомним данное в пункте 15.2 определение монотонности функции :
|
|
Рис. 19.1. Рис. 19.2.
Теорема 19.1. (Достаточные условия монотонности)
Пусть функция дифференцируема в интервале .
-
Если в каждой точке интервала , то функция возрастает в интервале .
-
Если в каждой точке интервала , то функция убывает в интервале .
Доказательство: Пусть две точки и . Тогда по теореме Лагранжа (см. теорему 18.5) существует точка такая, что
.
Так как , то разность имеет тот же знак, что и . Если в интервале , в частности , то и функция возрастает в интервале . Если в интервале , в частности , то и убывает в интервале .
Теорема доказана.
Вывод: участки возрастания функции находятся из решения неравенства , а участки убывания – из неравенства .
Установленная связь между знаком производной и направлением изменения функции геометрически ясна, если вспомнить, что производная функции в данной точке есть угловой коэффициент касательной к графику функции в этой точке. Знак этого углового коэффициента показывает, наклонена ли касательная вверх или вниз, а с нею идет ли верх (возрастает) или вниз (убывает) и сама кривая (рис. 19.1 и 19.2).
19.2. Экстремумы: максимумы и минимумы.
Особый интерес представляют точки, в которых меняется характер монотонности. Это точки максимума и минимума функции. Дадим необходимые определения.
Точка называется точкой максимума функции , если существует такая - окрестность точки , что для всех из этой окрестности выполняется неравенство (см. рис. 19.3).
Рис. 19.3. Рис. 19.4.
Т очка называется точкой минимума функции , если существует такая - окрестность точки , что для всех из этой окрестности выполняется неравенство (см. рис. 19.4).
Замечание функции в точке максимума (минимума) называется максимумом (минимумом) функции. Максимумы и минимумы функции называются экстремумами функции.
Понятие экстремума связано с определенной окрестностью данной точки, т.е. носит локальный характер. Функция может иметь экстремум лишь во внутренней точке области определения.
Из определения следует, что точка - точка максимума (минимума) функции тогда и только тогда, когда для всех из некоторой окрестности точки .
Теорема 19.2. (необходимое условие экстремума). Если функция имеет в точке экстремум и дифференцируема в этой точке, то .
Доказательство: Так как в точке функция имеет экстремум, то существует такая окрестность , в которой значение функции является наибольшим или наименьшим в указанной окрестности. По теореме Ферма (теорема 18.3) тогда .
Теорема доказана.
Точки, в которых , называются стационарными точками функции, в них приращается изменение функции, а касательная к графику в стационарной точке горизонтальна (параллельна оси ) (см. рис. 19.5 и 19.6).
Р ис. 19.5. Рис. 19.6.
Точки, в которых производная не существует или равна нулю (стационарные точки), называются критическими точками функции.
Итак, точки возможного экстремума непрерывной функции следует искать среди ее критических точек.
Как показывает пример функции , точка является ее стационарной точкой, т.к. и , но экстремума в точке функция не имеет (см. рис. 19.6).
Теорема 19.3. (первое достаточное условие экстремума). Если непрерывная функция дифференцируема в некоторой окрестности критической точки и при переходе через нее (слева направо) производная меняет знак с плюса на минус, то - точка максимума; с минуса на плюс, то - точка минимума.
Доказательство: Рассмотрим - окрестность точки . Если для всех и для всех . Тогда функция возрастает слева от точки и убывает справа от точки и убывает справа от точки . Поэтому значение в точке является наибольшим в интервале , т.е. для всех . Это и означает, что - точка максимума функции.
Р ис. 19.7.
Аналогично доказывается и второй случай.
Графическая интерпретация доказательства теоремы 19.3 представлена на рисунке 19.7, а полученный результат изобразим в виде схемы: - точка возможного условного экстремума, тогда
Схема исследования функции на экстремум:
-
найти критические точки функции ;
-
Выбросить из них лишь тепломассообменных, которые являются внутренними точками области определения функции;
-
исследовать знак производной слева и справа от каждой из выбранных критических точек;
-
выбрать точки экстремума и вычислить значения функции в этих точках.
Теорема 19.4. (второе достаточное условие экстремума).
Пусть функция имеет первую производную в окрестности стационарной точки и вторую производную в самой точке , при этом . Тогда
-
если , то - точка минимума функции;
-
если , то - точка максимума функции;
Доказательство: Запишем формулу Тейлора функции в точке . Согласно теореме 18.9. имеем:
.
Учитывая, что - стационарная точка, т.е. , для приращения аргумента в окрестности точки получим
или, отбрасывая б.м. более высокого порядка, чем ,
.
Это означает, что имеет тот же знак, что и , в окрестности точки . Поэтому,
если , то и - точка минимума,
если , то и - точка максимума.