Лекции по Матанализу ч2

которое достаточно близко к значению х, и значение функции от этого числа легко вычисляется.

Для примера вычислим значение sin 20 .

Предварительно переведем угол 20 в радианы: 20 9 .

Применим разложение в ряд Тейлора, ограничившись тремя первыми членами разложения:

	0						1				3	1				5
sin 20		sin														0,348889 0,007078 0,000043 0,341854
			9		9		3!		9			5!		9

В четырехзначных таблицах Брадиса для синуса этого угла указано значение 0,3420.

		1		2			3	4	5
0. 344
0. 346
0. 348

На графике показано изменение значений разложения в ряд Тейлора в зависимости от количества членов разложения. Как видно, если ограничиться тремя членами разложения, то достигается точность до 0,0002.

Выше говорилось, что при x 0 функция y sin x является бесконечно малой и

может при вычислении быть заменена на эквивалентную ей бесконечно малую функцию y x . Теперь видно, что при x , близких к нулю, можно практически без потери в точности

ограничиться первым членом разложения, т.е. sin x x .

Пример: Вычислить sin 28 13 15 .

Для того, чтобы представить заданный угол в радианах, воспользуемся

соотношениями:
															1				;							28			28	;
																	180										180
													1												13			13
																				;											;
																	60 180											60 180
													1												15				15
																					;											;
															60 60 180												60 60 180
0				28								13						15							28 60 60 60 13 15
																																		0,492544 рад
28 13 15
				180							60		180			60 60 180							180						60 60
Если при разложении по формуле Тейлора ограничиться тремя первыми членами,
получим:
sinx = sin x x					x3						x5		o x5 sin 28 13 15 0,492544 0,019915 0,000242 0,472871 .
				6					120

Сравнивая полученный результат с точным значением синуса этого угла, sin 28 13 15 0,472869017612759812 ,

видим, что даже при ограничении всего тремя членами разложения, точность составила 0,000002, что более чем достаточно для большинства практических технических задач.

	Функция f x ln 1 x .
Получаем:	f x ln 1 x ,	f 0 0 ;

f x

1

, f 0 1;

1 x

f (x)

1

f (0) 1;

;

(1 x)2

f (x)

1 ( 2)

;

f (0) 2;

(1 x)3

………………………………………

f (n) (x) ( 1)n 1

(n 1)!

;

f (n) (x) ( 1)n 1 (n 1)!;

(1 x)n

Итого: ln(1 x) x

1

x2

1 2

x3 ...

( 1)n 1 (n 1)!

xn R

(x);

2

3!

n!

n 1

x

2

x3

( 1)n 1

ln(1 x) x

...

xn R

(x)

2

3

n

n 1

Rn 1 (x)

( 1)n n!

x n 1

;

(n

1)!

1

Полученная формула позволяет находить значения любых логарифмов (не только натуральных) с любой степенью точности. Ниже представлен пример вычисления натурального логарифма ln1,5 . Сначала получено точное значение, затем – расчет по

полученной выше формуле, ограничившись пятью членами разложения. Точность достигает

0,0003.

ln1,5 0,405465108108164381l

	ln1,5 ln(1 0,5) 0,5	0,52		0,53		0,54		0,55		0,56		0,57	0,4058035
		2		3		4		5		6		7

Разложение различных функций по формулам Тейлора и Маклорена приводится в специальных таблицах, однако, формула Тейлора настолько удобна, что для подавляющего большинства функций разложение может быть легко найдено непосредственно.

Ниже будут рассмотрены различные применения формулы Тейлора не только к приближенным представлениям функций, но и к решению дифференциальных уравнений и к вычислению интегралов.

Раскрытие неопределенностей. Правило Лопиталя.

(Лопиталь (1661-1704) – французский математик)

К разряду неопределенностей принято относить следующие соотношения: 00 ; ; 0; 0 ; 1 ;

Теорема (правило Лопиталя). Если функции f x и g x дифференцируемы в вблизи точки а, непрерывны в точке a , g x отлична от нуля вблизи a и f a g a 0 , то предел отношения функций при x a равен пределу отношения их производных, если этот предел (конечный или бесконечный) существует.

lim		f (x)	lim			f (x)
		g(x)				g (x)
	x a		x a
Доказательство. Применив формулу Коши, получим:
	f (x) f (a)					f ( )
	g(x) g(a)					g ( )			f a g a 0 :
где - точка, находящаяся между a и x . Учитывая, что

f (x)

f ( )

g(x) g ( )

Пусть при

x a отношение

f (x)

стремится к некоторому пределу. Т.к.

точка

g (x)

лежит между точками a и x , то

при x a получим a ,

а следовательно и отношение

f ( )

стремится к тому же пределу. Таким образом, можно записать:

g ( )

lim

f (x)

lim

f (x)

.

Теорема доказана.

x a

g(x)

x a

g (x)

Пример: Найти предел lim

x2 1 ln x

.

e x e

x 1

Как видно, при попытке непосредственного вычисления предела получается

неопределенность

вида

0

.

Функции,

входящие в

числитель и знаменатель

дроби

0

удовлетворяют требованиям теоремы Лопиталя.

1

f x 2x

1

g x ex ;

f (x)

2x

2 1

3

;

lim

x

;

g (x)

e x

x

x 1

e

e

Пример: Найти предел lim		2arctgx
x				3
		e x			1
f (x)					2	;
			1 x2
		2x			2
lim

x	3
	(1 x 2 )e x ( 3)

.

			3		3
	g (x) e x							;
					x2
		2							2	.
		1) 1 ( 3)
(0									3

Если при решении примера после применения правила Лопиталя попытка вычислить предел опять приводит к неопределенности, то правило Лопиталя может быть применено второй раз, третий и т.д. пока не будет получен результат. Естественно, это возможно только в том случае, если вновь полученные функции в свою очередь удовлетворяют требованиям теоремы Лопиталя.

x

Пример: Найти предел

lim

xe 2

.

x x e x

x

1

f (x) e

2 (1

x) ;

g (x) 1 ex ;

2

1

e

x

1

e

x

x

e

x

1

e

x

f (x)

2

2

2

2

(4 x) ;

g (x) ex ;

2

2

4

4

1

e

x

1

2

(4 x)

(4 x)

lim

4

lim

4

e x

x

x

x

e 2

1

1

e

x

;

lim

1

f (x)

;

g (x)

2

0;

4

2

x

x

2e 2

Следует отметить, что правило Лопиталя – всего лишь один из способов вычисления пределов. Часто в конкретном примере наряду с правилом Лопиталя может быть использован и какой-либо другой метод (замена переменных, домножение и др.).

Пример. Найти предел lim

e x e x 2x

.

x

sin x

x 0

f (x) ex e x

2 ;

g (x) 1 cos x ;

lim

e x

e x 2

1 1 2

0

1

cos x

1

1

0

x 0

Применим правило Лопиталя еще раз.

f (x) ex

e x ;

g (x) sin x ;

lim

e x e x

1 1

0

sin x

0

0

x 0

Применяем правило Лопиталя еще раз.

f (x) ex e x ;

g (x) cos x ;

e x e x

2

lim

2 ;

cos x

1

x 0

Неопределенности вида 00 ;

1 ;

0 можно раскрыть с помощью логарифмирования.

Такие неопределенности встречаются при нахождении пределов функций вида y f (x) g ( x) ,

f x 0 вблизи точки a при

x a .

Для нахождения предела такой функции достаточно

найти предел функции ln y g x ln f x .

Пример: Найти предел lim x x .

x 0

x 0

Здесь y xx ,

ln y x ln x .

ln x

правило

1/ x

Тогда

lim ln y lim x ln x lim

lim

lim x 0; .

1

1/ x2

x 0

x 0

x 0

Лопиталя

x 0

x 0

x 0

x 0

x 0

x 0

x 0

x

Следовательно lim ln y ln lim y 0;
x 0	x 0
x 0	x 0

Пример: Найти предел lim		x 2	.
	x e2 x
f (x) 2x;	g (x) 2e2 x ;		lim	x
			x e2 x

Применяем правило Лопиталя еще раз.

	lim y lim x x 1
	x 0	x 0
	x 0	x 0

; - получили неопределенность.

f (x) 2;	g (x) 4e2 x ;	lim	1		1	0 ;
		x 2e2 x

Исследование функций с помощью производной.

Возрастание и убывание функций. Точки экстремума.

Теорема. 1) Если функция f x имеет производную на отрезке a,b и возрастает на

этом отрезке, то ее производная на этом отрезке неотрицательна, т.е. f x 0 .
2) Если функция	f x	непрерывна на отрезке a,b и дифференцируема		на
промежутке a,b , причем	f x 0 для a x b , то эта функция возрастает на отрезке
a,b .
Доказательство.
1) Если функция f x возрастает, то f x x f x			при x 0 и f x x f x	при

x 0 ,

тогда:

	f (x x) f (x)		0,	lim	f (x x) f (x)	0.
	x
				x 0	x		a,b , причем x1 x2 .
2) Пусть f x 0 для любых точек x1			и x2 , принадлежащих отрезку
Тогда по теореме Лагранжа: f x2 f x1 f x2 x1 ,						x1 x2
По условию f 0 , следовательно,				f x2 f x1 0 , т.е. функция				f x возрастает.
Теорема доказана.
Аналогично можно сделать вывод о том, что если функция f x убывает на отрезке
a,b , то f x 0 на этом отрезке. Если f x 0					в промежутке a,b , то			f x убывает на
отрезке a,b .
Конечно, данное утверждение			справедливо, если функция				f x	непрерывна на

отрезке a,b и дифференцируема на интервале a,b .

Доказанную выше теорему можно проиллюстрировать геометрически:

Определение. Функция f x имеет в точке x1 локальный максимум, если ее значение

в этой точке больше значений во всех точках некоторого интервала, содержащего точку x1 ,
т.е	f x2 x f x2 . Функция	f x имеет в точке x2 локальный минимум, если
f x2	x f x2 при любом x	( x может быть и отрицательным).
	Очевидно, что функция, определенная на отрезке может иметь локальный максимум и

минимум только в точках, находящихся внутри этого отрезка. Нельзя также путать локальный максимум и минимум функции с ее наибольшим и наименьшим значением на отрезке – это понятия принципиально различные.

Определение. Точки локального максимума и минимума функции называются

точками экстремума.						экстремума) Если функция f x
Теорема. (необходимое условие существования
дифференцируема в точке x x1 и точка x1				является точкой экстремума, то производная
функции обращается в нуль в этой точке.					f x
Доказательство. Предположим, что функция						имеет в точке x x1 максимум.
Тогда при достаточно малых положительных x 0 верно неравенство:
		f (x1 x) f (x1 ) , т.е.
		f (x1 x) f (x1 ) 0
Тогда
	f (x1 x) f (x1 )			0	при	х 0
		x
	f (x1 x) f (x1 )			0	при	х 0
		x
По определению:
	lim	f (x1 x) f (x1 )			f (x )
	x 0	x				1

Т.е. если x 0 , но x 0 , то f x 0 , а если x 0 , но x 0 , то f x 0 . А возможно это только в том случае, если при x 0 f x 0 .

Для случая, если функция f x имеет в точке x2 минимум теорема доказывается

аналогично. Теорема доказана.

Следствие. Обратное утверждение неверно. Если производная функции в некоторой точке равна нулю, то это еще не значит, что в этой точке функция имеет экстремум.

Красноречивый пример этого – функция y x3 , производная которой в точке x 0 равна

нулю, однако в этой точке функция имеет только перегиб, а не максимум или минимум. Определение. Критическими точками функции называются точки, в которых

производная функции не существует или равна нулю.

Рассмотренная выше теорема дает нам необходимые условия существования

экстремума, но этого недостаточно.
Пример: f x x	Пример: f x 3 х

В точке x 0 функция имеет минимум, но	В точке x 0 функция не имеет ни
не имеет производной.	максимума, ни минимума, ни произ-
	водной.
Вообще говоря, функция f x может иметь экстремум в точках, где производная не

существует или равна нулю.

Теорема. (Достаточные условия существования экстремума)
Пусть функция f x	непрерывна в интервале	a,b , который содержит

критическую точку x1 , и дифференцируема во всех точках этого интервала (кроме, может быть, самой точки x1 ).

Если при переходе через точку				x1 слева направо производная функции f x меняет
знак с “+” на “-“, то в точке x x1				функция f x имеет максимум, а если производная
меняет знак с “-“ на “+” то функция имеет минимум.
Доказательство.
f		при	x x1
	(x) 0
Пусть	(x) 0		x x1
f		при
По теореме Лагранжа:			f x f x1 f x x1 ,			x1 x .
Тогда: 1) Если x x1 , то x1 ;				f 0 ;	f x x1 0 , следовательно
			f x f x1 0 или		f x f x1 .
2) Если x x1 , то x1				f 0 ;	f x x1	0 , следовательно
			f x f x1 0 или		f x f x1 .

Т. к. ответы совпадают, то можно сказать, что f x f x1 в любых точках вблизи x1 ,

т.е. x1 – точка максимума.

Доказательство теоремы для точки минимума производится аналогично. Теорема

доказана.

На основе вышесказанного можно выработать единый порядок действий при нахождении наибольшего и наименьшего значения функции на отрезке:

1)Найти критические точки функции.

2)Найти значения функции в критических точках.

3)Найти значения функции на концах отрезка.

4)Выбрать среди полученных значений наибольшее и наименьшее.

Исследование функции на экстремум с помощью производных высших порядков.

Пусть в точке

x x1

f x1 0 и

f x1

существует и непрерывна в некоторой

окрестности точки x1 .

f x1 0 ,

f x в точке

Теорема.

Если

то функция

x x1 имеет максимум, если

f x1 0 и минимум, если f x1 0 .

Доказательство. Пусть

f x1 0

и f x1 0 . Т.к.

функция f x непрерывна, то

f (x1) будет отрицательной и в некоторой малой окрестности точки x1 .

Т.к.

0 ,

то

f x убывает

на отрезке, содержащем точку

x1 ,

но

f x f x

f x1 0 ,

т.е.

f x1 0

при

x x1 и

f x1 0

при

x x1 . Это и

означает,

что

при

переходе через точку

x x1

производная

f x меняет знак с “+” на “-“, т.е. в этой точке

функция f x имеет максимум.

Для случая минимума функции теорема доказывается аналогично.

Если

f x1 0 ,

то

для

выяснения

характера

особенности

точки требуется

дальнейшее исследование.

Выпуклость и вогнутость кривой. Точки перегиба.

Определение. Кривая обращена выпуклостью вверх на интервале a,b , если все ее

точки лежат ниже любой ее касательной на этом интервале. Кривая, обращенная выпуклостью вверх, называется выпуклой, а кривая, обращенная выпуклостью вниз – называется вогнутой.

На рисунке показана иллюстрация приведенного выше определения.

Теорема 1. Если во всех точках интервала a,b вторая производная функции f x отрицательна, то кривая y f x обращена выпуклостью вверх (выпукла).

Доказательство. Пусть x0 a,b . Проведем касательную к кривой в этой точке. Уравнение кривой: y f x ;

Уравнение касательной: y f (x0 ) f (x0 )(x x0 ). Следует доказать, что y y f (x) f (x0 ) f (x0 )(x x0 ) .

По теореме Лагранжа для f (x) f (x0 ) :

y y f (c)(x x0 ) f (x0 )(x x0 ),

x0 c x .

y y (x x0 )[ f (c) f (x0 )]

По теореме Лагранжа для f (c) f (x0 ) :

y y f (c1 )(c x0 )(x x0 ),

x0 c1 c

Пусть

x x0

тогда

x0 c1 c x .

Т.к.

x x0

0

и

c x0 0 ,

и кроме

того по

условию

f (c1 ) 0 , следовательно,

y y 0 .

Пусть

x x0

тогда

x c c1 x1

и

x x0

0 ,

c x0

0 ,

т.к.

по

условию

f (c1 ) 0, то y y 0 .

Аналогично доказывается, что если f (c1) 0 на интервале a,b , то кривая

y f x

вогнута на интервале a,b . Теорема доказана.

Определение. Точка, отделяющая выпуклую часть кривой от вогнутой, называется

точкой перегиба.

Очевидно, что в точке перегиба касательная пересекает кривую.

Теорема 2. Пусть кривая определяется уравнением

y f x . Если

вторая

производная

f (a) 0 или

f (a)

не существует и при переходе через точку

x a

f (x)

меняет знак, то точка кривой с абсциссой x a является точкой перегиба.

Доказательство. 1) Пусть

f (x) 0 при x a и

f (x)

0 при x a . Тогда при

x a кривая выпукла, а при x a

кривая вогнута, т.е. точка x a – точка перегиба.

2) Пусть f (x) 0

при x b

и

f (x) 0

при

x b . Тогда

при

x b

кривая обращена

выпуклостью вниз, а при

x b – выпуклостью вверх. Тогда

x b

– точка перегиба.

Теорема доказана.

Схема исследования функций

Процесс исследования функции состоит из нескольких этапов. Для наиболее полного представления о поведении функции и характере ее графика необходимо отыскать:

1) Область существования функции.

Это понятие включает в себя и область значений и область определения функции.

2)Точки разрыва. (Если они имеются).

3)Интервалы возрастания и убывания.

4)Точки максимума и минимума.

5)Максимальное и минимальное значение функции на ее области определения.

6)Области выпуклости и вогнутости.

7)Точки перегиба. (Если они имеются).

8)Асимптоты. (Если они имеются).

9)Построение графика.

Применение этой схемы рассмотрим на примере.

Пример. Исследовать функцию y	x3		и построить ее график.
	x2 1

Находим область существования функции. Очевидно, что областью определения функции является область (- ; -1) (-1; 1) (1; ).

В свою очередь, видно, что прямые х = 1, х = -1 являются вертикальными асимптотами кривой.

Областью значений данной функции является интервал (- ; ). Точками разрыва функции являются точки х = 1, х = -1.

Находим критические точки.

Найдем производную функции

y

3x2 (x2 1) 2x x3

3x4 3x2 2x4

x4

3x2

(x2 1)2

(x2 1)2

(x2

1)2

Критические точки: x = 0; x = -

3 ; x =

3 ;

x = -1; x = 1.

Найдем вторую производную функции

y

(4x3 6x)(x2 1)2

(x4 3x2 )4x(x2 1)

(x

2 1)4

(4x3 6x)(x4

2x2 1) (x4 3x2 )(4x3

4x)

(x2

1)4

4x7 8x5

4x3 6x5

12x3

6x 4x7 4x5 12x

5 12x3

(x2

1)4

2x5 4x3

6x

2x(x4

2x2 3)

2x(x2 3)(x2

1)

2x(x2

3)

.

(x2 1)4

(x

2 1)4

(x2 1)4

(x

2

1)3

Определим выпуклость и вогнутость кривой на промежутках.

- < x < - 3 ,

y < 0,

кривая выпуклая

y < 0,

-

3 < x < -1,

кривая выпуклая

-1 < x < 0,

y > 0, кривая вогнутая

0 < x < 1,

y < 0, кривая выпуклая

y > 0, кривая вогнутая

1 < x <

3 ,

3 < x < ,

y > 0, кривая вогнутая

Находим промежутки возрастания и убывания функции. Для этого определяем знаки

производной функции на промежутках.

- < x < -

y > 0, функция возрастает

3 ,

y < 0,

-

3 < x < -1,

функция убывает

-1 < x < 0,

y < 0, функция убывает

0 < x < 1,

y < 0, функция убывает

y < 0, функция убывает

1 < x <

3 ,

3 < x < ,

y > 0,

функция возрастает

Видно, что точка х = -

3 является точкой максимума, а точка х =

3 является точкой

минимума. Значения функции в этих точках равны соответственно 3

3 /2 и -3 3 /2.

Про вертикальные асимптоты было уже сказано выше. Теперь найдем наклонные

асимптоты.

k lim

x2

lim

1

1;

1

x x 2

1

x

1

x2

1

x3

x3

x3 x

x

x

b lim

x lim

lim

lim

0

2

2

2

1

x

1

x x

1

x

1

x x

x

1

x2

Итого, уравнение наклонной асимптоты –

y = x.

Построим график функции:

		4
		3
		2
		1
- 2	- 1	1	2
		- 1
		- 2
		- 3
		- 4

Ниже рассмотрим несколько примеров исследования методами дифференциального исчисления различных типов функций.

Пример: Методами дифференциального исчисления исследовать функцию y 3 1 x3

ипостроить ее график.

1.Областью определения данной функции являются все действительные числа (-;

).

2.Функция является функцией общего вида в смысле четности и нечетности.

3.Точки пересечения с координатными осями: c осью Оу: x = 0; y = 1;

сосью Ох: y = 0; x = 1;

4.Точки разрыва и асимптоты: Вертикальных асимптот нет.

Наклонные асимптоты: общее уравнение y = kx + b;

y 13

f (x)

3

1 x3

1 x3

1

k lim

lim

lim

3

lim 3

1 1;

x

x

x3

x3

x

x

x

x

(1 x3

x3 )

b lim( f (x) kx) lim(3

1 x3

x) lim

0;

2

x

x

x

1

x

1 x

x

3

x

3

3

2

3

Итого: у = -х – наклонная асимптота.

5. Возрастание и убывание функции, точки экстремума.

(1 x3 )2 / 3 3x2 .

Видно, что у 0 при любом х 0, следовательно, функция убывает на всей области определения и не имеет экстремумов. В точке х = 0 первая производная функции равна нулю, однако в этой точке убывание не сменяется на возрастание, следовательно, в точке х = 0 функция скорее всего имеет перегиб. Для нахождения точек перегиба, находим вторую производную функции.

	y		2x		y = 0 при х =0 и y = при х = 1.
			(1 x3 )5
	3

Точки (0,1) и (1,0) являются точками перегиба, т.к. y (1-h) < 0; y (1+h) >0; y (-h) > 0; y (h) < 0 для любого h > 0.

6. Построим график функции.