Что значит "дифференциальное исчисление". Дифференциальное исчисление функции

Дифференциальное исчисление функции одной переменной.

Производная функции, ее геометрический и физический смысл.

Определение. Производной функцииf(x) в точкеx =x 0 называется предел отношения приращения функции в этой точке к приращению аргумента, если он существует.

где α - угол наклона касательной к графику функции f(x) в точке(x 0 , f(x 0 )).

Угол между кривыми может быть определен как угол между касательными, проведенными к этим кривым в какойлибо точке.

Фактически производная функции показывает скорость изменения функции, как изменяется функция при изменении переменной.

Физический смысл производной функции f(t) , гдеt - время, аf(t) - закон движения (изменения координат) – мгновенная скорость движения.

Соответственно, вторая производная функциискорость изменения скорости, т.е. ускорение.

Основные правила дифференцирования.

Обозначим f(x) = u, g(x) = v - функции, дифференцируемые в точке х.

1) (u ± v)¢ = u¢ ± v¢

2) (u × v)¢ = u× v¢ + u¢× v

Эти правила могут быть легко доказаны на основе теорем о пределах.

Производные основных элементарных функций.

1) С ¢ = 0;

2) (x n )¢ = nxn-1 ;

Производная сложной функции.

Теорема. Пусть y = f(u); u = g(x), причем область значений функцииu входит в область определения функции f.

Тогда y ′= f ′(u )× u ′

Логарифмическое дифференцирование.

Отношение f ′(x ) называетсялогарифмической производной функции f(x).

f (x)

Способ логарифмического дифференцированиясостоит в том, что сначала находят логарифмическую производную функции, а затем производную самой функции по формуле

f ¢ (x )= (lnf (x ))¢ × f (x )

Способ логарифмического дифференцирования удобно применять для нахождения производных сложных, особенно показательных и показательностепенных функций, для которых непосредственное вычисление производной с использованием правил дифференцирования представляется трудоемким.

Производная показательностепенной функции.

Функция называется показательной, если независимая переменная входит в показатель степени, и степенной, если переменная является основанием. Если же и основание и показатель степени зависят от переменной, то такая функция будет показательно – степенной.

Пусть u = f(x) иv = g(x) – функции, имеющие производные в точкех ,f(x)>0.

Найдем производную функции y = u v . Логарифмируя, получим:

f ¢ (x )= x cosx × (x 2 + 3x )x cos x −1 × (2x + 3)+ (x 2 + 3x )x cos x (cosx - x sinx )ln(x 2 + 3x )

Производная обратных функций.

Пусть требуется найти производную функции у = f(x) при условии, что обратная ей функцияx = g(y) имеет производную, отличную от нуля в соответствующей точке.

Для решения этой задачи дифференцируем функцию x = g(y) пох :

dy = 1 dx dx

т.е. производная обратной функции обратна по величине производной данной функции.

Пример. Найти формулу для производной функцииy=arctgx .

Функция arctgx является функцией, обратной функцииtgx , т.е. ее производная может быть найдена следующим образом:

Таким же образом получены все формулы для производных арксинуса, арккосинуса и других обратных функций, приведенных в таблице производных.

Дифференциал функции.

Пусть функция y = f(x) имеет производную в точкех :

Определение. Дифференциалом функцииf(x) в точкех называется главная линейная часть приращения функции.

Обозначается dy илиdf(x).

Из определения следует, что dy = f ¢ (x) D x илиdy = f ′ (x)dx

Можно также записать: f ′(x ) =dy dx

Геометрический смысл дифференциала.

Из треугольника MKL: KL = dy = tg a×D x = y ¢×D x

Таким образом, дифференциал функции f(x) в точкех равен приращению ординаты касательной к графику этой функции в рассматриваемой точке.

Свойства дифференциала.

Если u = f(x) иv = g(x) ‒ функции, дифференцируемые в точке х, то непосредственно из определения дифференциала следуют следующие свойства:

1) d(u ± v) = (u± v)¢ dx = u¢ dx± v¢ dx = du± dv

2) d(uv) = (uv) ¢ dx = (u¢ v + v¢ u)dx = vdu + udv

3) d(Cu) = Cdu

Производные и дифференциалы высших порядков.

Пусть функция f(x) ‒ дифференцируема на некотором интервале. Тогда, дифференцируя ее, получаем первую производную

y ¢ =f ¢(x ) =df (x ) dx

Если найти производную функции f ′(x) , получимвторую производную функцииf(x).

y ¢¢ =f ¢¢(x ) =d 2 f (x ) dx 2

Общие правила нахождения высших производных.

Если функции u = f(x) иv = g(x) дифференцируемы, то

1) (Сu) (n) = Cu(n) ;

2) (u ± v) (n)= u (n)± v (n);

3) (u × v ) (n )= vu (n )+ nu (n −1)v ¢ + n (n − 1) u (n −2)v ¢¢ + ... + n (n − 1)...[ n − (k − 1)] u (n −k )v (k )+ ...

2! k !

Uv (n ) .

Это выражение называется формулой Лейбница.

Также по формуле d n y = f (n) (x)dx n может быть найден дифференциал n- го порядка.

Раскрытие неопределенностей.

Правило Лопиталя.

(Лопиталь (1661-1704) – французский математик)

К разряду неопределенностей принято относить следующие

соотношения:

0 ;∞ ;¥ × 0;¥ 0 ; 1∞ ;¥ - ¥ 0¥

Теорема (правило Лопиталя). Если функции f(x) и g(x)

дифференцируемы вблизи точки а, непрерывны в точке а, g′ (x) отлична от нуля вблизи а и f(a) = g(a) = 0, то предел отношения функций при х→ а равен пределу отношения их производных, если этот предел (конечный или бесконечный) существует.

Как видно, при попытке непосредственного вычисления предела

получается неопределенность вида 0 . Функции, входящие в числитель

и знаменатель дроби удовлетворяют требованиям теоремы Лопиталя.

Дифференциальное исчисление является разделом математического анализа, который изучает производную, дифференциалы и их использование при исследовании функции.

История появления

Дифференциальное исчисление выделилось в самостоятельную дисциплину во второй половине 17 века, благодаря трудам Ньютона и Лейбница, которые сформулировали основные положения в исчислении дифференциалов и заметили связи между интегрированием и дифференцированием. С того момента дисциплина развивалась вместе с исчислением интегралов, составляя тем самым основу математического анализа. Появление данных исчислений открыло новый современный период в математическом мире и вызвало возникновение новых дисциплин в науке. Также расширило возможность применения математической науки в естествознании и технике.

Основные понятия

Дифференциальное исчисление базируется на фундаментальных понятиях математики. Ими являются: непрерывности, функция и предел. Спустя время они приняли современный вид, благодаря интегральным и дифференциальным исчислениям.

Процесс создания

Формирование дифференциального исчисления в виде прикладного, а затем и научного метода произошло перед возникновением философской теории, которую создал Николай Кузанский. Его работы считаются эволюционным развитием из суждений античной науки. Несмотря на то что сам философ математиком не был, его вклад в развитие математической науки неоспорим. Кузанский один из первых ушел от рассмотрения арифметики как максимально точной области науки, поставив математику того времени под сомнения.

У античных математиков универсальным критерием была единица, в то время как философ предложить в качестве новой меры бесконечность взамен точного числа. В связи с этим инвертируется представление точности в математической науке. Научное знание, по его представлению, делится на рассудочное и интеллектуальное. Второе является более точным, по мнению ученого, поскольку первое дает лишь приблизительный результат.

Идея

Основная идея и понятие в дифференциальном исчислении связаны с функцией в малых окрестностях определенных точек. Для этого необходимо создать математический аппарат для исследований функции, поведение которой в малой окрестности установленных точек близко к поведению многочлена или линейной функции. Основано это на определении производной и дифференциала.

Появление было вызвано большим число задач из естественных наук и математики, которые приводили к нахождению значений пределов одного типа.

Одной из основных задач, которые даются как пример, начиная со старших классов школы, является определение скорости движения точки по прямой линии и построение касательной линии к этой кривой. Дифференциал связан с этим, поскольку есть возможность приблизить функцию в малой окрестности рассматриваемой точки линейной функции.

По сравнению с понятием производной функции действительной переменной, определение дифференциалов просто переходит на функцию общей природы, в частности на изображение одного евклидова пространства на другое.

Производная

Пусть точка движется по направлению оси Оу, за время возьмем х, которое отсчитывается от некоего начала момента. Описать такое перемещение можно по функции у=f(x), которая ставится в соответствие каждому временному моменту х координаты перемещаемой точки. Данную функцию в механике принять звать законом движения. Основной характеристикой движения, в особенности неравномерного, является Когда точка перемещается по оси Оу согласно закону механики, то в случайный временной момент х она приобретает координату f(x). Во временной момент х + Δх, где Δх обозначает приращение времени, ее кордината будет f(х + Δх). Так формируется формула Δy = f(х + Δх) - f(х), которую называют приращением функции. Она представляет собой пройденный точкой путь за время от х до х + Δх.

В связи с возникновением этой скорости в момент времени вводится производная. В произвольной функции производную в фиксированной точке называют пределом (при условии его существования). Обозначаться она может определенными символами:

f’(х), y’, ý, df/dx, dy/dx, Df(x).

Процесс вычисления производной именуют дифференцированием.

Дифференциальное исчисление функции нескольких переменных

Данный метод исчисления применятся при исследовании функции с несколькими переменными. При наличии двух переменных х и у, частная производная по х в точке А зовется производной этой функции по х с фиксированным у.

Может обозначаться следующими символами:

f’(x)(x,y), u’(x), ∂u/∂x или ∂f(x,y)’/∂x.

Необходимые навыки

Чтобы успешно изучить и уметь решать диффуры, требуются навыки в интегрировании и дифференцировании. Чтобы было легче разобраться в дифференциальных уравнениях, следует хорошо понимать тему производной и Также не помешает научиться искать производную от неявно заданной функции. Связано это с тем, что в процессе изучения придется часто использовать интегралы и дифференцирование.

Типы дифференциальных уравнений

Практически во всех контрольных работах, связанных с существует 3 вида уравнений: однородные, с разделяющимися переменными, линейные неоднородные.

Имеются и более редкие разновидности уравнений: с полными дифференциалами, уравнения Бернулли и прочие.

Основы решения

Для начала следует вспомнить алгебраичные уравнения из школьного курса. В них содержатся переменные и числа. Для решения обычного уравнения следует найти множество чисел, удовлетворяющих заданному условию. Как правило, такие уравнения имели одни корень, и для проверки правильности следовало лишь подставить это значение на место неизвестной.

Дифференциальное уравнение схоже с этим. В общем случае такое уравнение первого порядка включает:

• Независимую переменную.
• Производную первой функции.
• Функцию или зависимую переменную.

В отдельных случаях может отсутствовать одна из неизвестных, х или у, однако это не столь важно, так как необходимо наличие первой производной, без производных высших порядков, чтобы решение и дифференциальное исчисление были верны.

Решить дифференциальное уравнение - это значит отыскать множество всех функций, подходящих заданному выражению. Подобное множеств функций часто называется общим решением ДУ.

Интегральное исчисление

Интегральное исчисление является одним из разделов математического анализа, который изучает понятие интеграла, свойства и методы его вычисления.

Зачастую вычисление интеграла встречается при вычислении площади криволинейной фигуры. Под этой площадью подразумевается предел, к которому стремится площадь вписанного в заданную фигуру многоугольника с постепенным возрастанием его стороны, при этом данные стороны могут быть выполнены менее всякого ранее указанного произвольного малого значения.

Главная идея в вычислении площади произвольной геометрической фигуры состоит в подсчёте площади прямоугольника, то есть доказательстве, что его площадь равняется произведению длины на ширину. Когда речь идет о геометрии, то все построения производятся при помощи линейки и циркуля, и тогда отношение длины к ширине является рациональным значением. При подсчете площади прямоугольного треугольника можно определить, что если отложить такой же треугольник рядом, то образуется прямоугольник. В параллелограмме площадь подсчитывается подобным, но чуть более усложненным методом, через прямоугольник и треугольник. В многоугольниках площадь считают через входящие в него треугольники.

При определении пощади произвольной кривой данный метод не подойдет. Если разбить её на единичные квадраты, то останутся незаполненные места. В этом случае пытаются использовать два покрытия, с прямоугольниками сверху и снизу, в результате те включают график функции и не включают. Важным здесь остается способ разбивания на эти прямоугольники. Также если брать разбивания все более уменьшающиеся, то площадь сверху и снизу должна сойтись на определенном значении.

Следует вернуться к способу разделения на прямоугольники. Имеется два популярных метода.

Риманом было формализовано определение интеграла, созданное Лейбницем и Ньютоном, как площади подграфика. В этом случае были рассмотрены фигуры, состоящие из некоторого числа вертикальных прямоугольников и полученные при разделении отрезка. Когда при уменьшении разбивания имеется предел, к которому сводится площадь подобной фигуры, этот предел называют интегралом Римана функции на заданном отрезке.

Вторым методом является построение интеграла Лебега, состоящее в том, что за место разделения определяемой области на части подынтегральной функции и составления затем интегральной суммы из полученных значений в этих частях, на интервалы делится её область значений, а после суммируется с соответствующими мерами прообразов этих интегралов.

Современные пособия

Одно из основных пособий по изучению дифференциального и интегрального исчисления написал Фихтенгольц - "Курс дифференциального и интегрального исчисления". Его учебник является фундаментальным пособием по изучению математического анализа, который выдержал много изданий и переводов на другие языки. Создан для студентов вузов и долгое время применяется во множестве учебных заведений как одно из основных пособий по изучению. Дает теоретические данные и практические умения. Впервые издан в 1948 году.

Алгоритм исследования функции

Чтобы исследовать методами дифференциального исчисления функцию, необходимо следовать уже заданному алгоритму:

1. Найти область определения функции.
2. Найти корни заданного уравнения.
3. Подсчитать экстремумы. Для этого следует вычислить производную и точки, где она равняется нулю.
4. Подставляем полученное значение в уравнение.

Разновидности дифференциальных уравнений

ДУ первого порядка (иначе, дифференциальное исчисление одной переменной) и их виды:

• Уравнение с разделяющимися переменными: f(y)dy=g(x)dx.
• Простейшие уравнения, или дифференциальное исчисление функции одной переменной, имеющие формулу: y"=f(x).
• Линейное неоднородное ДУ первого порядка: y"+P(x)y=Q(x).
• Дифференциальное уравнение Бернулли: y"+P(x)y=Q(x)y a .
• Уравнение с полными дифференциалами: P(x,y)dx+Q(x,y)dy=0.

Дифференциальные уравнения второго порядка и их виды:

• Линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными значениями коэффициента: y n +py"+qy=0 p, q принадлежит R.
• Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянным значением коэффициентов: y n +py"+qy=f(x).
• Линейное однородное дифференциальное уравнение: y n +p(x)y"+q(x)y=0, и неоднородное уравнение второго порядка: y n +p(x)y"+q(x)y=f(x).

Дифференциальные уравнения высших порядков и их виды:

• Дифференциальное уравнение, допускающие понижение порядка: F(x,y (k) ,y (k+1) ,..,y (n) =0.
• Линейное уравнение высшего порядка однородное: y (n) +f (n-1) y (n-1) +...+f 1 y"+f 0 y=0 , и неоднородное: y (n) +f (n-1) y (n-1) +...+f 1 y"+f 0 y=f(x) .

Этапы решения задачи с дифференциальным уравнением

С помощью ДУ решаются не только математические или физические вопросы, но и различные проблемы из биологии, экономики, социологии и прочего. Несмотря на большое разнообразие тем, следует придерживаться единой логической последовательности при решении подобных проблем:

1. Составление ДУ. Один из наиболее сложных этапов, который требует максимальный точности, поскольку любая ошибка приведет к полностью неверным итогам. Следует учитывать все факторы, влияющие на процесс, и определить начальные условия. Также следует основываться на фактах и логических выводах.
2. Решение составленного уравнения. Этот процесс проще первого пункта, поскольку требует лишь строгого выполнения математических подсчетов.
3. Анализ и оценка полученных итогов. Выведенное решение следует оценить для установки практической и теоретической ценности результата.

Пример использования дифференциальных уравнений в медицине

Использование ДУ в области медицины встречается при построении эпидемиологической математической модели. При этом не стоит забывать, что данные уравнения также встречаются в биологии и химии, которые близки к медицине, потому что в ней немаловажную роль играет исследование разных биологических популяций и химических процессов в теле человека.

В приведённом примере с эпидемией можно рассматривать распространение инфекции в изолированном обществе. Обитатели подразделяются на три вида:

• Инфицированные, численность x(t), состоявшие из особей, носителей инфекции, каждый из которых заразен (инкубационный период короткий).
• Второй вид включает восприимчивых особей y(t), способных заразиться при контактировании с инфицированными.
• Третий вид включает в себя невосприимчивых особей z(t), которые имеют иммунитет или погибли из-за болезни.

Количество особей постоянно, учет рождения, естественных смертей и миграции не учитывается. В основе будет иметься две гипотезы.

Процент заболеваемости в определённый временной момент равняется x(t)y(t) (основывается предположение на теории, что число заболевших пропорционально количеству пересечений между больными и восприимчивыми представителями, которое в первом приближении будет пропорционально x(t)y(t)), в связи с этим количество заболевших возрастает, а число восприимчивых уменьшается со скоростью, которая вычисляется по формуле ax(t)y(t) (a > 0).

Число невосприимчивых особей, которые приобрели иммунитет или погибли, возрастает со скоростью, которая пропорциональна количеству заболевших, bx(t) (b > 0).

В итоге можно составить систему уравнений с учетом всех трех показателей и на её основе сделать выводы.

Пример использования в экономике

Дифференциальное исчисление часто применяется при экономическом анализе. Основной задачей в экономическом анализе считается изучение величин из экономики, которые записаны в форму функции. Это используется при решении задач вроде изменения дохода сразу после увеличения налогов, ввода пошлин, изменения выручки компании при изменении стоимости продукции, в какой пропорции можно заменить выбывших работников новым оборудованием. Чтобы решить такие вопросы, требуется построить функцию связи из входящих переменных, которые после изучаются с помощью дифференциального исчисления.

В экономической сфере часто необходимо отыскать наиболее оптимальные показатели: максимальную производительность труда, наивысший доход, наименьшие издержки и прочее. Каждый такой показатель является функцией из одного или нескольких аргументов. К примеру, производство можно рассмотреть как функцию из затраты труда и капитала. В связи с этим нахождение подходящего значения можно свести к отысканию максимума или минимума функции из одной или нескольких переменных.

Такого рода задачи создают класс экстремальных задач в экономической области, для решения которых необходимо дифференциальное исчисление. Когда экономический показатель требуется минимизировать или максимизировать как функцию от другого показателя, то в точке максимума отношение приращения функции к аргументам будет стремиться к нулю, если приращение аргумента стремится к нулевому значению. Иначе же, когда подобное отношение стремится к некому положительному или отрицательному значению, указанная точка не является подходящей, потому что при увеличении или уменьшении аргумента можно поменять зависимую величину в необходимом направлении. В терминологии дифференциального исчисления это будет значить, что требуемым условием для максимума функции является нулевое значение её производной.

В экономике нередко встречаются задачи на нахождение экстремума функции с несколькими переменными, потому что экономические показатели складываются из многих факторов. Подобные вопросы хорошо изучены в теории функций нескольких переменных, применяющей методы дифференциального вычисления. Подобные задачи включают в себя не только максимизируемые и минимизируемые функции, но и ограничения. Подобные вопросы относятся к математическому программированию, и решаются они с помощью специально разработанных методов, также опирающихся на этот раздел науки.

Среди методов дифференциального исчисления, используемых в экономике, важным разделом является предельный анализ. В экономической сфере этот термин обозначает совокупность приемов исследования изменяемых показателей и результатов при смене объемов создания, потребления, основываясь на анализе их предельных показателей. Предельным показателем считается производная или частные производные при нескольких переменных.

Дифференциальное исчисление нескольких переменных - немаловажная тема из области математического анализа. Для подробного изучения можно использовать различные учебные пособия для высших учебных заведений. Одно из наиболее известных создал Фихтенгольц - "Курс дифференциального и интегрального исчисления". Как заметно из названия, для решения дифференциальных уравнений немалое значение имеют навыки в работе с интегралами. Когда имеет место дифференциальное исчисление функции одной переменной, решение становится проще. Хотя, надо заметить, оно подчиняется тем же основным правилам. Чтобы на практике исследовать функцию дифференциальным исчислением, достаточно следовать уже имеющемуся алгоритму, который дается в старших классах школы и лишь немногим осложняется при вводе новых переменных.

Материал из Юнциклопедии

Дифференциальное исчисление - это раздел анализа математического, связанный главным образом с понятиями производной и дифференциала функции. В дифференциальном исчислении изучаются правила вычисления производных (законы дифференцирования) и применения производных к исследованию свойств функций.

Центральные понятия дифференциального исчисления - производная и дифференциал - возникли при рассмотрении большого числа задач естествознания и математики, приводивших к вычислению пределов одного и того же типа. Важнейшие среди них - физическая задача определения скорости неравномерного движения и геометрическая задача построения касательной к кривой. Рассмотрим подробно каждую из них.

Будем вслед за итальянским ученым Г. Галилеем изучать закон свободного падения тел. Поднимем камешек и затем из состояния покоя отпустим его. Пусть t - время, отсчитываемое от начала падения, a s(t) - пройденное к моменту t расстояние. Галилей экспериментально нашел, что зависимость s(t) имеет следующий простой вид:

s(t) = (1/2)gt 2 ,

где t - время в секундах, а g - физическая постоянная, равная примерно 9,8 м/с 2 .

Движение свободно падающего тела явно неравномерное. Скорость v падения постепенно возрастает. Но как именно выглядит зависимость v(t)? Ясно, что, зная зависимость s(t), т. е. закон движения падающего тела, мы в принципе должны иметь возможность получить отсюда и выражение для скорости v(t) как функции времени.

Попробуем найти зависимость v от t. Будем рассуждать следующим образом: фиксируем момент t, в который мы хотим знать значение скорости v(t). Пусть h - небольшой промежуток времени, прошедший от момента t. За это время падающее тело пройдет путь, равный s(t + h) - s(t). Если промежуток времени h очень маленький, то скорость тела за время h не успевает заметно измениться, поэтому можно считать, что если h мало, то приближенно

s(t + h)-s(t) ≈ v(t) h, (1)

(s(t + h)-s(t))/h ≈ u(t) (2)

причем последнее приближенное равенство тем точнее, чем меньше h (чем ближе величина h к нулю). Значит, величину v(t) скорости в момент t можно рассматривать как предел, к которому стремится стоящее в левой части приближенного равенства (2) отношение, выражающее среднюю скорость на интервале времени от момента t до момента t + h, когда величина h стремится к нулю. Сказанное записывают в виде

v(t) = lim h→∞ (s(t + h) - s(t))/h. (2)

Проведем указанные в соотношении (3) вычисления, исходя из найденной Галилеем зависимости

s(t) = (1/2)gt 2 .

Сделаем сначала элементарные вычисления:

s(t + h) - s(t) = (1/2)g(t + h) 2 - (1/2)gt 2 = (1/2)g(t 2 + 2th + ht 2) - (1/2)gt 2 = gth + (1/2)gh 2 .;

а теперь, разделив на h, получаем

(s(t + h) - s(t))/h = gt + (1/2)gh.

Когда h стремится к нулю, второе слагаемое записанной справа суммы тоже стремится к нулю, а первое остается постоянным, точнее, не зависящим от величины h, поэтому в нашем случае

v(t) = lim h→∞ ((1/2)g(t + h) 2 - (1/2)gt 2)/h = gt,

и мы нашли закон

изменения скорости свободно падающего тела. Обратите внимание, формула (3) одновременно дает и определение, и правило вычисления значений v(t) мгновенной скорости изменения функции s(t).

Поскольку скорость v(t) сама есть функция времени, то можно было бы поставить вопрос о скорости ее изменения. В физике скорость изменения скорости называется ускорением. Таким образом, если v(t) - скорость как функЦия времени, то, рассуждая как и при выводе формулы (3), для мгновенного ускорения а (г) в момент времени t получаем выражение

a(t) = lim h→0 (v(t + h) - v(t))/4. (4)

Посмотрим, что дает эта формула для случая свободного падения, в котором, как мы вычислили, v(t) = gt:

v(t + h) - v(t) = g(t + h)-gt = gh,

(v(t + h) - v(t))/h = g,

и, поскольку g - постоянная, то из (4) получается, что a (f) = д, т. е. ускорение свободно падающего тела постоянно и величина д есть та самая физическая постоянная, которая выражает ускорение свободного падения у поверхности Земли.

Нетрудно заметить полное сходство выражений (3), (4) и понять, что мы нашли общее математическое выражение для мгновенной скорости изменения переменной величины. Конечно, результат вычислений по формулам (3), (4), как мы убедились, зависит от конкретного вида функций s(t) или v(t), но сами операции над этими функциями, которые предписываются правыми частями формул (3), (4), одни и те же.

Обобщая сделанные наблюдения, в математическом анализе уже для любой функции у=f(х) рассматривают важную величину:

f"(x) = lim h→0 (f(x + h)-f(x))/h, (5)

которую называют производной функции f.

Производная, таким образом, играет роль скорости изменения зависимой переменной у по отношению к изменению независимой переменной х; последняя теперь уже не обязана иметь физический смысл времени.

Значение производной f"(х) зависит от значения аргумента х, поэтому, как и в случае скорости, производная f"(x) некоторой функции f(х) сама является функцией переменной x.

Например, если f(x) = x 3 , то

(f(x + h) - f(x))/h = ((x + h) 3 - x 3)/h = 3x 2 + (3xh + h 2);

далее, при h, стремящемся к нулю, величина, стоящая в последних скобках, стремится к нулю, а вся правая часть при этом стремится к значению 3x 2 . Мы нашли таким образом, что если f(x) = x 3 , то f"(x) = 3x 2 .

В формуле (5) величину h разности (x + h) - х называют приращением аргумента функции и часто обозначают символом ∆x (читается: дельта икс), а разность f(x + h) - f(x) обозначают обычно через ∆f (или, более полно через ∆f(x, ∆x)) и называют приращением функции, соответствующим данному приращению аргумента. В этих обозначениях выражение (5) приобретает вид:

f"(x) = lim ∆x→0 (f(x, ∆x) - f (x))/∆x,

f"(x) = lim ∆x→0 ∆a/∆x.

Таким образом, значение f"(x) производной функции f(x) в точке x - это предел отношения приращения функции ∆f(x, ∆x), соответствующего смещению ∆x от точки x, к приращению ∆x аргумента x, когда ∆x стремится к нулю.

Операция нахождения производной функции называется дифференцированием. С физической точки зрения, как мы теперь понимаем, дифференцирование - это определение скорости изменения переменной величины.

В дифференциальном исчислении выводятся производные основных элементарных функций. Укажем, например, что производными функций x α , sin x, cos x являются соответственно функции αx α-1 , cos x и -sin x.

В дифференциальном исчислении выводятся также следующие общие правила дифференцирования:

(cf)" = cf" (вынесение постоянного множителя);

(f 1 ± f 2)" = f" 1 ± f" 2 (дифференцирование суммы и разности функций);

(f 1 f 2)" = f" 1 f 2 + f 1 f" 2 (дифференцирование произведения функций);

(f 1 /f 2)" = (f" 1 f 2 - f 1 f" 2)/f 2 2 (дифференцирование частного функций).

Наконец, справедливо также следующее важное правило дифференцирования сложной функции: если y = f(u), а u = φ(x), то производная функции f(φ(x)) равна f"(u) φ"(x), или (f(φ (x)))" =f"(φ(x)) φ"(x).

Общие законы дифференцирования существенно облегчают отыскание производных, а для любых комбинаций элементарных функций делают дифференцирование столь же доступной операцией, как и арифметические действия для человека, знающего таблицу умножения.

Например, если f(x) = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + ...+ a n x n - многочлен, то f"(x) = (a 0 x 0 + a 1 x 1 + a 2 x 2 + ... + a n x n = (a 2 x 0)" + (a 1 x 1)" + (a 2 x 2)" + ... + (a n x n) = a 0 (x 0)" + a 1 (x 1)" + a 2 (x 2)" + a n (x n)" = a 0 (0 x 0-1)" + a 1 (1 x 1-1)" + a 2 (2 x 2-1)" + a n (n x n-1)" = a 1 + 2a 2 x + ... + na n x n-1 .

Или если ψ(x) = sin x 2 , то, полагая f(u) = = sin u, u = φ(x) = x 2 , получаем, что φ(x) = f(φ(x)) и, значит, ψ"(x) = f"(u) φ"(x) = cos u 2x = 2x cos x 2 .

Мы уже отмечали, что к вычислению пределов вида (3), (4), (5), т. е., как теперь можно говорить, к вычислению производной, приводили многие задачи.

Рассмотрим теперь другой классический пример уже чисто геометрического вопроса, который решается в терминах производной,- построение касательной к кривой (см. Касательная).

Требуется построить прямую T(рис. 1), касательную в точке A к кривой - графику функции y = f(x).

Как и в случае определения мгновенной скорости, построение касательной будет сопровождаться уточнением самого понятия касательной.

Пусть (x 0 , y 0) - координаты точки A. Как известно, любая не вертикальная прямая, проходящая через точку А, задается уравнением y = y 0 + k (x - x 0), где k = (y - y 0)/(x - x 0)

так называемый угловой коэффициент прямой, характеризующий ее наклон к горизонтальной оси. В нашем случае y 0 = f(x 0), поэтому уравнение прямой, проходящей через точку A, имеет вид y = f(x 0) + k (x - x 0), и мы хотим выбрать значение коэффициента k так, чтобы прямая была как можно лучше «подогнана» к кривой y = f(x), т. е. лучше всего приближала нашу кривую в окрестности точки A. Значит, мы хотим выбрать k так, чтобы приближенное равенство f(x) ≈ f(x 0) + k (x - x 0), или, что то же самое, приближенное равенство

(f(x) - f(x 0))/(x - x 0) ≈ k,

было возможно более точным при значениях х, близких к x 0 .

Но это знакомая ситуация и, с точностью до переобозначений x - x 0 = h, x = x 0 + h, это знакомое нам отношение из формулы (5), следовательно,

k = lim x→x 0 (f(x) - f(x 0))/(x - x 0) = lim h→0 (f(x 0 + h) - f(x 0)/h (6)

Итак, найдено уравнение

y = f(x 0) + f"(x 0) (x - x 0) (7)

той прямой, которая наилучшим образом приближает кривую y =f(x) в окрестности точки (x 0 ,f(0)). Эту прямую естественно считать искомой касательной к данной кривой в рассматриваемой точке.

Например, если взять параболу y = x 2 , т. е. f(x) = x 2 , то касательная к ней в точке (1; 1) в силу (7) будет задаваться уравнением y = 1 + 2(x - 1), которое можно преобразовать к более компактному виду y = 2x - 1.

Выше мы дали физическую интерпретацию производной как мгновенной скорости, а теперь на основании уравнения касательной (7) можно дать геометрическую трактовку производной. А именно, значение f"(x 0) производной f"(x) функции f(x) в фиксированной точке х = х 0 есть угловой коэффициент касательной к графику функции y = f(x) в точке (x 0 ,f(x 0)).

Это, в частности, означает, что на участках изменения переменной x, на которых f"(x) > 0, функция f(x) возрастает; там, где f"(x) < 0, функция f(x) убывает, а в точках местных максимумов или минимумов функции ее производная должна обращаться в нуль, ибо касательная в этих точках горизонтальна. Ясно также, что если в некоторой точке x = a производная обратилась в нуль, то нельзя спешить с выводом, что это точка максимума или минимума (см. точку a 4), ибо знак производной может не измениться при переходе через эту точку, и функция будет продолжать возрастать или убывать. Но если производная меняет свой знак при переходе через эту точку (см. точки a 1 , a 2 , a 3), то ясно, что при x = a функция будет иметь или местный максимум, если идет смена знака с «+» на «-» (как в точках a 1 , a 3), или местный минимум, если знаки меняются с «-» на «+» (как в точке a 2).

Сделанные наблюдения о связи знака или нулей производной с характером монотонности (возрастанием, убыванием) функции или с ее экстремумами (максимумами, минимумами) имеют многочисленные применения.

Попробуем, например, проволокой данной длины огородить такой прямоугольный участок луга, чтобы получить возможно более просторный загон для скота, т.е. среди прямоугольников с заданным периметром 2p (т. е. среди изопериметрических прямоугольников) надо найти тот, который имеет наибольшую площадь.

Если x - длина одной из сторон прямоугольника, то при указанном условии длина другой стороны равна p - x, а площадь прямоугольника равна x (p - x). Надо найти максимальное значение функции f(x) = x(p - x) на отрезке 0 ≤ x ≤ p. Поскольку при x = 0 или x = p функция, очевидно, обращается в нуль (прямоугольник вырождается в отрезок), то максимум достигается при каком-то значении x, лежащем между 0 и p. Как найти это значение?

В соответствии со сделанным выше наблюдением максимум значений функции f(x) может быть лишь при том значении x 0 , при котором скорость изменения функции равна нулю, т. е. f"(x 0) = 0.

Найдем, используя уже проведенные ранее вычисления, производную нашей функции. Поскольку f(x) = px - x 2 , то f"(x) = p - 2x и f"(x) = p - 2x 0 = 0 при x 0 = (1/2) p. По самому смыслу задачи при найденном значении аргумента x функция должна иметь именно максимум. Это можно проверить и формально:

f"(x) > 0 при x < (1/2) p и f"(x) < 0 при x > (1/2) p.

Таким образом, мы нашли, что искомым прямоугольником с наибольшей площадью является квадрат, длина стороны которого равна (1/2) p.

Решение единым методом различных задач на отыскание максимальных и минимальных значений функций, или, как их принято называть в математике, задач на отыскание экстремумов, является одним из ранних и вместе с тем наиболее популярных и впечатляющих достижений математического анализа (см. Геометрические задачи на экстремум).

До сих пор, следуя И. Ньютону, в качестве главного понятия дифференциального исчисления мы выделяли производную. Г. В. Лейбниц, другой родоначальник математического анализа, в качестве исходного выбрал понятие дифференциала, которое, как мы увидим, логически равноценно понятию производной, но не совпадает с ним. Лейбниц нашел правила вычисления дифференциалов, равноценные правилам отыскания производных, и назвал развитое им исчисление дифференциальным. Это название и сохранилось. Рассмотренные выше примеры помогут нам достаточно быстро разобраться в следующих, на первый взгляд формальных, но очень важных определениях всего дифференциального исчисления.

Функция y = f(x) называется дифференцируемой при некотором значении х ее аргумента, если приращение ∆f = f(x + h) - f(x) этой функции, отвечающее приращению h = (x + h) - x = ∆x ее аргумента x, можно представить в виде

f(x + h) - f(x) = k(x) h + α h, (8)

где k(x) - коэффициент, зависящий только от x, а α - величина, стремящаяся к нулю при h, стремящемся к нулю.

Таким образом,

f(x + h) - f(x) ≈ k(x) h, (9)

т.е. с точностью до погрешности α h, малой в сравнении с величиной h приращения аргумента, приращение f(x + h) - f(x) дифференцируемой в точке x функции можно заменить величиной k(x) h, линейной относительно приращения h аргумента x.

Эта приближающая линейная по h функция k(x) h называется дифференциалом исходной функции f в точке x и обозначается символом df или, более полно, df(x).

В каждой точке х приближающая линейная функция k(x) h, вообще говоря, своя, что отмечено зависимостью коэффициента k(x) от x.

Поделив обе части равенства (8) на h и учитывая, что величина α стремится к нулю, когда h стремится к нулю, получаем соотношение:

lim h→0 (f(x + h) - f(x))/h, (10)

позволяющее вычислять дифференциальный коэффициент k(x) и показывающее, что он просто-напросто совпадает со значением производной f"(x) функции f(x) в точке x.

Таким образом, если функция дифференцируема в точке x, то в этой точке существует указанный в (10) предел, т.е. в ней существует производная f"(x) и k(x) = f"(x).

Обратно, если у функции f(x) в точке x есть определенная равенством (5) производная, то (f(x + h) - f(x))/h = f(x) + α,

где поправка а стремится к нулю, когда h стремится к нулю. Умножая это равенство на h, получаем

f(x + h) - f(x) - f"(x) = f"(x) h + α h, (11)

и значит, функция дифференцируема в точке x.

Итак, мы убедились, что функция имеет дифференциал df = k(x) h в том, и только в том, случае, когда она имеет производную f"(x), причем df=f"(x) h. Но дифференциал как линейная по h функция k(x) h вполне определяется коэффициентом k(x) = f"(x), поэтому отыскание дифференциала функции вполне равносильно отысканию ее производной. Вот почему обе эти операции часто называют одним термином - «дифференцирование», а исчисление называют дифференциальным.

Если вместо h писать ∆x, то вместо df= f"(x) h можно записать df=f"(x) ∆х. Если взять f(x) = x, то f"(x) = 1 и dx = 1 ∆x, поэтому вместо приращения ∆x независимой переменной часто пишут дифференциал dx. В этих обозначениях получается красивая запись df=f"(x) dx дифференциала функции, от которой Лейбниц и пришел к обозначению df/dx для производной f"(x), рассматривая последнюю как отношение дифференциалов функции и ее аргумента. Заметим, что обозначение f"(x) для производной было введено лишь в 1770 г. французским математиком Ж. Л. Лагранжем, а исходным было обозначение

df/dx или df(x)/dx

Г. Лейбница, которое во многих отношениях настолько удачно, что широко используется и по сей день.

Прежде чем показать, как дифференциал можно использовать в приближенных вычислениях, проследим его геометрическую и физическую интерпретацию.

Если в равенстве (8) вместо x написать x 0 , то можно считать, что на рис. 1 левой части равенства (8) отвечает отрезок BD (это приращение ∆f функции или приращение ординаты кривой y = f(x)), дифференциалу df=f"(x) ∆x отвечает отрезок CD (это приращение ординаты касательной, приближающей нашу кривую в окрестности точки A), а остатку α h соответствует отрезок BC, который тем меньше в сравнении с отрезком CD, чем меньше приращение ∆x аргумента. Именно это обстоятельство отражают соотношение (11) и приближенное равенство (9), означающее, что ∆f ≈ df.

На физическом языке, когда f"(x) интерпретируется как скорость в момент x, a f(x + h) - f(x) - как путь, пройденный за промежуток времени h, протекший от момента x, приближенное равенство f(x + h) - f(x) ≈ f"(x) h означает, что за малое время h скорость мало меняется, поэтому пройденный путь приближенно можно найти, как и в (1), по формуле f(x) h, выражающей равномерное прямолинейное движение с постоянной скоростью f"(x).

Равенство (11) и вытекающее из него путем переобозначений соотношение

f(x) ≈ f(x 0) + f(x 0) (x - x 0) (12)

позволяют приближенно находить значения функции f(x) в точках x, близких к некоторой точке x 0 , в которой уже известны значение f(0) самой функции и значение f"(x 0) ее производной.

Например, пусть f(x) = x α и x 0 = 1. Тогда f(1)= 1 α = 1, f"(x) = αx α-1 , f"(1) = α1 α-1 = α, поэтому, полагая x = 1 + ∆, из (12) находим следующую формулу (1 + ∆) α ≈ 1 + α ∆ для приближенных вычислений, справедливую для любых (не только целых) значений α, при условии малости величины ∆. По этой формуле

7 √1,07 = (1 + 0,07) 1/7 ≈ 1 + (1/7) 0,07 = 1,01;

√0,96 = (1 + (-0,04)) 1/2 ≈ 1 + (1/2) (-0,04) = 0,98;

(1,05) 7 = (1 + 0,05) 7 ≈ 1 + 7 0,05 = 1,35.

Важную формулу (12) можно уточнить, если привлечь производные более высоких порядков, которые мы сейчас определим.

Поскольку производная f"(x) функции f(x) сама оказывается функцией аргумента x, то можно поставить вопрос о нахождении производной функции f"(x), т.е. функции (f")"(x), которая обозначается символом f"(x) и называется второй производной исходной функции f(x). Например, если s(t) - закон движения, v(t) = s"(t) - ero скорость, a a(t)=v"(t) - ускорение, то a(t) = s"(t) есть вторая производная функции s(t). Вообще можно определить производные любого порядка: n-я производная функции есть производная от ее (n - 1)-й производной.

Для обозначения производных порядка n обычно используют символы f n (x) или d n f(x)/dx

в отличие от символов f"(x), f"(x), f""(x) употребляемых только для производных малых порядков (1, 2, 3).

Зная производные функции x α , sin x, cos x, легко проверить по индукции, что производные n-го порядка от этих функций соответственно равны

α(α - 1) ... (α - n + 1)х α-n ,

sin(x + nπ/2) , cos(x + nπ/2).

Теперь вернемся к формуле (12), в которой функция f(x) приближенно заменяется стоящим в правой части многочленом 1-й степени относительно x - x 0 . Оказывается, соотношение (12) является частным случаем общего равенства

f(x) = f(x 0) + f"(x 0)/1! (x - x 0) + ... + f (n) (x 0)/n! (x - x 0) n + r n+1 (13)

называемого формулой Тейлора, в котором о величине r n+1 , называемой остаточным членом формулы Тейлора, говорится, например, что ее можно представить в виде:

r n+1 = f n+1 (ξ)/(n+1)! (x - x 0) n+1 (14)

похожем на вид предыдущих членов формулы, но только здесь f n+1 (x) вычисляется не в точке x 0 , а в некоторой точке лежащей между x 0 и x.

Но этой информации бывает достаточно для вычислительных целей. Так, если f(x) = sin x, а x 0 = 0, то вспомнив, что

sin n (x) = sin (x + nπ/2), получаем

|r n+1 | = |sin (ξ + (n+1)π/2))/(n+1)! x n+1 | ≤ |x| n+1 /(n+1)!.

Значит, если, например, |x| ≤ 1, а n = 6, то |r 7 | < 10 -3 и потому, подставив в (13) f (k) (0) = sin(/kπ/2), находим формулу:

sinx x ≈ x - x 3 /3! + x 5 /5!, (15)

позволяющую при любом x из отрезка [-1; 1] вычислить значение sin x с точностью, не худшей, чем 10 -3 .

Можно проверить, что в рассматриваемом случае r n+1 → 0 при неограниченном увеличении n, поэтому можно предложить такую запись:

sin x = x - x 3 /3! +x 5 /5 + x 7 /7 +...+ (-1) k x 2k+1 /(2k+1)! + ... . (16)

Справа в этом равенстве стоит бесконечно много слагаемых, т.е., как говорят, имеется ряд. Равенство (16) понимается, как и вообще сумма ряда, в том смысле, что при любом значении х разность между sin x и суммой конечного числа взятых по порядку слагаемых ряда стремится к нулю, если количество слагаемых неограниченно увеличивается.

Ценность формул вида (15), (16) состоит в том, что они позволяют заменить вычисление значений сложной функции вычислением значений приближающего ее многочлена. Вычисление же значений многочлена сводится к одним арифметическим операциям, которые, например, можно выполнить на электронной вычислительной машине.

Ряд (16) является частным случаем ряда

f(x 0) + f"(x 0)/1! (x - x 0) + ... + f (n) (x 0)/n! (x - x 0) n + ... (17)

который можно написать для любой бесконечно дифференцируемой функции f(x). Он называется рядом Тейлора этой функции (Б. Тейлор (1685-1731) - английский математик). Ряд Тейлора (17) не всегда имеет своей суммой породившую его функцию f(x), поэтому вопрос о сумме ряда Тейлора каждый раз требует определенного исследования, например такого, какое мы сделали выше, оценивая величину остатка r n+1 . Такими рассуждениями можно показать, что

cos x = 1 - x 2 /2! + x 4 /4 - ... + (-1) k x 2k /(2k)! + ...

при любом значении x, а равенство

(1 + x) α = 1 + α/1! x + α(α-1)/2! x 2 + ... + (α(α-1)...(α-n+1))/n! x n + ...

имеет место при |x| < 1, если α не целое, и при любом x, если α = n - целое положительное число. Но если α = n, то α(α - 1)...(α - m) = n(n - 1)...(n - m) = 0 при m > n. Значит, при целых положительных n, в частности, получается соотношение:

(1 + x) n = 1 + n/1! x + n(n - 1)/2! x 2 + ... + (n(n - 1)...(n - n + 1))/n! x n известное в математике как бином Ньютона (см. Ньютона бином).

дифференциальное исчисление

раздел математики, в котором изучаются производные, дифференциалы и их применения к исследованию свойств функций. Производной функции y = f(х) называется предел отношения приращения?y = y1 - y0 функции к приращению?x = x1 - x0 аргумента при?x, стремящемся к нулю (если этот предел существует). Производная обозначается f?(x) или y?; таким образом, Дифференциалом функции y = f(x) называется выражение dy = y?dx, где dx = ?x - приращение аргумента x. Очевидно, что y? = dy/dx. Отношение dy/dx часто употребляют как знак производной. Вычисление производных и дифференциалов называют дифференцированием. Если производная f?(x) имеет, в свою очередь, производную, то ее называют 2-й производной функции f(x) и обозначают f??(x), и т.д. Основные понятия дифференциального исчисления могут быть распространены на случай функций нескольких переменных. Если z = f(x,y) функция двух переменных x и y, то, зафиксировав для y какое-либо значение, можно дифференцировать z по x; полученная производная dz/dx = f?x называется частной производной z по x. Аналогично определяются частная производная dz/dy = f?y, частные производные высших порядков, частные и полные дифференциалы. Для приложений дифференциального исчисления к геометрии важно, что т.н. угловой коэффициент касательной, т.е. тангенс угла? (см. рис .) между осью Ox и касательной к кривой y = f(x) в точке M(x0, y0), равен значению производной при x = x0, т.е. f?(x0). В механике скорость прямолинейно движущейся точки можно истолковать как производную пути по времени. Дифференциальное исчисление (как и интегральное исчисление) имеет многочисленные применения.

Дифференциальное исчисление

раздел математики, в котором изучаются производные и дифференциалы функций и их применения к исследованию функций. Оформление Д. и. в самостоятельную математическую дисциплину связано с именами И. Ньютона и Г. Лейбница (вторая половина 17 в.). Они сформулировали основные положения Д. и. и чётко указали на взаимно обратный характер операций дифференцирования и интегрирования. С этого времени Д. и. развивается в тесной связи с интегральным исчислением, вместе с которым оно составляет основную часть математического анализа (или анализа бесконечно малых). Создание дифференциального и интегрального исчислений открыло новую эпоху в развитии математики. Оно повлекло за собой появление ряда математических дисциплин: теории рядов, теории дифференциальных уравнений, дифференциальной геометрии и вариационного исчисления. Методы математического анализа нашли применение во всех разделах математики. Неизмеримо расширилась область приложений математики к вопросам естествознания и техники. «Лишь дифференциальное исчисление дает естествознанию возможность изображать математически не только состояния, но и процессы: движение» (Энгельс Ф., см. Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 20, с. 587). Д. и. зиждется на следующих важнейших понятиях математики, определение и исследование которых составляют предмет введения в математический анализ: действительные числа (числовая прямая), функция , предел , непрерывность . Все эти понятия выкристаллизовались и получили современное содержание в ходе развития и обоснования дифференциального и интегрального исчислений. Основная идея Д. и. состоит в изучении функций в малом. Точнее: Д. и. даёт аппарат для исследования функций, поведение которых в достаточно малой окрестности каждой точки близко к поведению линейной функции или многочлена. Таким аппаратом служат центральные понятия Д. и.: производная и дифференциал. Понятие производной возникло из большого числа задач естествознания и математики, приводящихся к вычислению пределов одного и того же типа. Важнейшие из них ≈ определение скорости прямолинейного движения точки и построение касательной к кривой. Понятие дифференциала является математическим выражением близости функции к линейной в малой окрестности исследуемой точки. В отличие от производной, оно легко переносится на отображения одного евклидова пространства в другое и на отображения произвольных линейных нормированных пространств и является одним из основных понятий современного нелинейного функционального анализа. Производная. Пусть требуется определить скорость прямолинейно движущейся материальной точки. Если движение равномерно, то пройденный точкой путь пропорционален времени движения; скорость такого движения можно определить как путь, пройденный за единицу времени, или как отношение пути, пройденного за некоторый промежуток времени, к длительности этого промежутка. Если же движение неравномерно, то пути, пройденные точкой в одинаковые по длительности промежутки времени, будут, вообще говоря, различными. Пример неравномерного движения даёт тело, свободно падающее в пустоте. Закон движения такого тела выражается формулой s = gt2/2, где s ≈ пройденный путь с начала падения (в метрах), t ≈ время падения (в секундах), g ≈ постоянная величина, ускорение свободного падения, g » 9,81 м/сек2. За первую секунду падения тело пройдёт около 4,9 м, за вторую ≈ около 14,7 м, а за десятую ≈ около 93,2 м, т. е. падение происходит неравномерно. Поэтому приведённое выше определение скорости здесь неприемлемо. В этом случае рассматривается средняя скорость движения за некоторый промежуток времени после (или до) фиксированного момента t; она определяется как отношение длины пути, пройденного за этот промежуток времени, к его длительности. Эта средняя скорость зависит не только от момента t, но и от выбора промежутка времени. В нашем примере средняя скорость падения за промежуток времени от t до t + Dt равна Это выражение при неограниченном уменьшении промежутка времени Dt приближается к величине gt, которую называют скоростью движения в момент времени t. Таким образом, скорость движения в какой-либо момент времени определяется как предел средней скорости, когда промежуток времени неограниченно уменьшается. В общем случае эти вычисления надо проводить для любого момента времени t, промежутка времени от t до t + Dt и закона движения, выражаемого формулой s = f (t). Тогда средняя скорость движения за промежуток времени от t до t + Dt даётся формулой Ds/Dt, где Ds = f (t + Dt) ≈ f (t), а скорость движения в момент времени t равна Основное преимущество скорости в данный момент времени, или мгновенной скорости, перед средней скоростью состоит в том, что она, как и закон движения, является функцией времени t, а не функцией интервала (t, t + Dt). С другой стороны, мгновенная скорость представляет собой некоторую абстракцию, поскольку непосредственному измерению поддаётся средняя, а не мгновенная скорость. К выражению типа (*) приводит и задача (см. рис. ) построения касательной к плоской кривой в некоторой её точке М. Пусть кривая Г есть график функции у = f (x). Положение касательной будет определено, если будет найден её угловой коэффициент, т. е. тангенс угла a, образованного касательной с осью Ox. Обозначим через x0 абсциссу точки М, а через x1 = x0 + Dх ≈ абсциссу точки M

Угловой коэффициент секущей MM1 равен

где Dy = M1N = f (x0 + Dx) ≈ f (x0) ≈ приращение функции на отрезке . Определяя касательную в точке М как предельное положение секущей MM1, когда x1 стремится к x0, получаем

Отвлекаясь от механического или геометрического содержания приведённых задач и выделяя общий для них приём решения, приходят к понятию производной. Производной функции у = f (x) в точке х называется предел (если он существует) отношения приращения функции к приращению аргумента, когда последнее стремится к нулю, так что

С помощью производной определяется, кроме уже рассмотренных, ряд важных понятий естествознания. Например, сила тока определяется как предел

где Dq ≈ положительный электрический заряд, переносимый через сечение цепи за время Dt; скорость химической реакции определяется как предел

где DQ ≈ изменение количества вещества за время Dt; вообще, производная по времени есть мера скорости процесса, применимая к самым разнообразным физическим величинам.

Производную функции y = f (x) обозначают f" (x), у", dy/dx, df/dx или Df (х). Если функция y = f (x) имеет в точке х0 производную, то она определена как в самой точке x0, так и в некоторой окрестности этой точки и непрерывна в точке x0. Обратное заключение было бы, однако, неверным. Например, непрерывная в каждой точке функция

графиком которой служат биссектрисы первого и второго координатных углов, при х = 0 не имеет производной, т.к. отношение Dу/Dх не имеет предела при Dx ╝ 0: если Dх > 0, это отношение равно +1, а если Dx < 0, то оно равно -1. Более того, существуют непрерывные функции, не имеющие производной ни в одной точке (см. Непрерывная функция).

Операцию нахождения производной называют дифференцированием. На классе функций, имеющих производную, эта операция линейна.

Таблица формул и правил дифференцирования

(C)` = 0; (xn)` = nxn-1;

(aх)` = ax ln a и (ex)` = ex;

(logax)` = 1/x ln a и (ln x)` = 1/x;

(sin x)` = cos x; (cos x)` = √ sin x;

(tg x)` = 1/cos2x; (ctg x)` = √ 1/sin2x;

(arc tg x)` = 1/(1 + x2).

` = f `(x) ╠ g`(x);

` = Cf `(x);

` = f``(x) g (x) + f (x) g `(x);

если y = f (u) и u = j(x), т. е. y = f , то dy/dx = (dy/du)×(du/dx) = f¢ (u)j¢(x).

Здесь С, n и a ≈ постоянные, a > 0. Эта таблица, в частности, показывает, что производная от всякой элементарной функции есть снова элементарная функция.

Если производная f" (x), в свою очередь, имеет производную, то её называют второй производной функции у = f (x) и обозначают

у", f" (x), d2y/dx2, d2f/dx2 или D2f (x).

Для прямолинейно движущейся точки вторая производная характеризует её ускорение.

Аналогично определяются и производные более высокого (целого) порядка. Производная порядка n обозначается

yn, fn (x), dny/dxn, dnf/dxn или Dnf (x).

Дифференциал. Функция у = f (x), область определения которой содержит некоторую окрестность точки х0, называется дифференцируемой в точке x0, если её приращение

Dy = f (x0 + Dx) - f (x0)

можно записать в форме

Dу = АDх + aDх,

где А = А (x0), a = a(х, x0) ╝ 0 при х ╝ x0. В этом и только в этом случае выражение ADx называется дифференциалом функции f (x) в точке x0 и обозначается dy или df (x0). Геометрически дифференциал (при фиксированном значении x0 и меняющемся приращении Dx) изображает приращение ординаты касательной, т. е. отрезок NT (см. рис. ). Дифференциал dy представляет собой функцию как от точки х0, так и от приращения Dх. Говорят, что дифференциал есть главная линейная часть приращения функции, понимая под этим, что, при фиксированном х0, dy есть линейная функция от Dх и разность Dy - dy есть бесконечно малая относительно Dx. Для функции f (x) º х имеем dx = Dх, т. е. дифференциал независимого переменного совпадает с его приращением. Поэтому обычно пишут dy = Adx. Имеется тесная связь между дифференциалом функции и её производной. Для того чтобы функция от одного переменного y = f (x) имела в точке x0 дифференциал, необходимо и достаточно, чтобы она имела в этой точке (конечную) производную f" (x0), и справедливо равенство dy = f" (x0) dx. Наглядный смысл этого предложения состоит в том, что касательная к кривой y = f (x) в точке с абсциссой x0 как предельное положение секущей является также такой прямой, которая в бесконечно малой окрестности точки x0 примыкает к кривой более тесно, чем любая другая прямая. Таким образом, всегда А (х0) = f" (x0); запись dy/dx можно понимать не только как обозначение для производной f" (x0), но и как отношение дифференциалов зависимого и независимого переменных. В силу равенства dy = f" (x0) dx правила нахождения дифференциалов непосредственно вытекают из соответствующих правил нахождения производных.

Рассматриваются также дифференциалы высших порядков. На практике с помощью дифференциалов часто производят приближённые вычисления значений функции, а также оценивают погрешности вычислений. Пусть, например, надо вычислить значение функции f (x) в точке х, если известны f (x0) и f" (x0). Заменяя приращение функции её дифференциалом, получают приближённое равенство

f (x1) » f (x0) + df (x0) = f (x0) + f" (x0) (x1 - x0).

Погрешность этого равенства приближённо равна половине второго дифференциала функции, т. е.

1/2 d2f = 1/2 f" (x0)(x1 √ x0)

Приложения. В Д. и. устанавливаются связи между свойствами функции и её производных (или дифференциалов), выражаемые основными теоремами Д. и. К их числу относятся Ролля теорема, формула Лагранжа f (a) ≈ f (b) = f" (c)(b ≈ а), где a < с < b (подробнее см. Конечных приращений формула), и Тейлора формула.

Эти предложения позволяют методами Д. и. провести подробное исследование поведения функций, обладающих достаточной гладкостью (т. е. имеющих производные достаточно высокого порядка). Таким путём удаётся исследовать степень гладкости, выпуклость и вогнутость , возрастание и убывание функций, их экстремумы, найти их асимптоты, точки перегиба (см. Перегиба точка), вычислить кривизну кривой, выяснить характер её особых точек и т.д. Например, условие f" (x) > 0 влечёт за собой (строгое) возрастание функции у = f (x), а условие f" (x) > 0 ≈ её (строгую) выпуклость. Все точки экстремума дифференцируемой функции, принадлежащие внутренности её области определения, находятся среди корней уравнения f" (x) = 0.

Исследование функций при помощи производных составляет основное приложение Д. и. Кроме того, Д. и. позволяет вычислять различного рода пределы функций, в частности пределы вида 0/0 и ¥/¥ (см. Неопределённое выражение, Лопиталя правило). Д. и. особенно удобно для исследования элементарных функций, т.к. в этом случае их производные выписываются в явной форме.

Д. и. функций многих переменных. Методы Д. и. применяются для изучения функций нескольких переменных. Для функции двух независимых переменных z = f (х, у) частной производной по х называется производная этой функции по х при постоянном у. Эта частная производная обозначается z"x, f"x (x, y), ╤z/╤х или ╤f (x, y)/╤x, так что

Аналогично определяется и обозначается частная производная z по у. Величина

Dz = f (x + Dx, y + Dy) - f (x, y)

называется полным приращением функции z = f (x, y). Если его можно представить в виде

Dz = ADx + ВDу + a,

где a ≈ бесконечно малая более высокого порядка, чем расстояние между точками (х, у) и (х + Dх, у + Dу), то говорят, что функция z = f (x, y) дифференцируема. Слагаемые АDх + ВDу образуют полный дифференциал dz функции z = f (x, y), причём А = z"x, B = z"y. Вместо Dx и Dy обычно пишут dx и dy, так что

Геометрически дифференцируемость функции двух переменных означает существование у её графика касательной плоскости, а дифференциал представляет собой приращение аппликаты касательной плоскости, когда независимые переменные получают приращения dx и dy. Для функции двух переменных понятие дифференциала является значительно более важным и естественным, чем понятие частных производных. В отличие от функций одного переменного, для функций двух переменных существование обеих частных производных первого порядка ещё не гарантирует дифференцируемости функции. Однако, если частные производные кроме того ещё непрерывны, то функция дифференцируема.

Аналогично определяются частные производные высших порядков. Частные производные ╤2f/╤х2 и ╤2f/╤у2, в которых дифференцирование ведётся по одному переменному, называют чистыми, а частные производные ╤2f/╤x╤y и ╤2f/╤у╤х≈ смешанными. Если смешанные частные производные непрерывны, то они между собой равны. Все эти определения и обозначения переносятся на случай большего числа переменных.

Историческая справка. Отдельные задачи об определении касательных к кривым и о нахождении максимальных и минимальных значений переменных величин были решены ещё математиками Древней Греции. Например, были найдены способы построения касательных к коническим сечениям и некоторым другим кривым. Однако разработанные античными математиками методы были применимы лишь в весьма частных случаях и далеки от идей Д. и.

Эпохой создания Д. и. как самостоятельного раздела математики следует считать то время, когда было понято, что указанные специальные задачи вместе с рядом других (в особенности с задачей определения мгновенной скорости) решаются при помощи одного и того же математического аппарата ≈ при помощи производных и дифференциалов. Это понимание было достигнуто И. Ньютоном и Г. Лейбницем.

Около 1666 И. Ньютон разработал метод флюксий (см. Флюксий исчисление). Основные задачи Ньютон формулировал в терминах механики: 1) определение скорости движения по известной зависимости пути от времени; 2) определение пройденного за данное время пути по известной скорости. Непрерывную переменную Ньютон называл флюентой (текущей), её скорость ≈ флюксией. Т. о., у Ньютона главными понятиями были производная (флюксия) и неопределённый интеграл как первообразная (флюента). Он стремился обосновать метод флюксий с помощью теории пределов, хотя последняя была им лишь намечена.

В середине 70-х гг. 17 в. Г. Лейбниц разработал очень удобный алгоритм Д. и. Основными понятиями у Лейбница явились дифференциал как бесконечно малое приращение переменного и определённый интеграл как сумма бесконечно большого числа дифференциалов. Лейбницу принадлежат обозначения дифференциала dx и интеграла òydx, ряд правил дифференцирования, удобная и гибкая символика и, наконец, сам термин «дифференциальное исчисление». Дальнейшее развитие Д. и. шло сначала по пути, намеченному Лейбницем; большую роль на этом этапе сыграли работы братьев Я. и И. Бернулли, Б. Тейлора и др.

Следующим этапом в развитии Д. и. были работы Л. Эйлера и Ж. Лагранжа (18 в.). Эйлер впервые стал излагать его как аналитическую дисциплину, независимо от геометрии и механики. Он вновь выдвинул к качестве основного понятия Д. и. производную. Лагранж пытался строить Д. и. алгебраически, пользуясь разложением функций в степенные ряды; ему, в частности, принадлежит введение термина «производная» и обозначения у" или f" (x). В начале 19 в. была удовлетворительно решена задача обоснования Д. и. на основе теории пределов. Это было выполнено главным образом благодаря работам О. Коши, Б. Больцано и К. Гаусса. Более глубокий анализ исходных понятий Д. и. был связан с развитием теории множеств и теории функций действительного переменного в конце 19 ≈ начале 20 вв.

Лит.: История. Вилейтнер Г., История математики от Декарта до середины 19 столетия, пер. с нем., 2 изд., М., 1966; Стройк Д. Я., Краткий очерк истории математики, пер. с нем., 2 изд., М., 1969; Cantor М., Vorlesungen über Geschichte der Mathematik, 2 Aufl., Bd 3≈4, Lpz. ≈ В., 1901≈24.

Работы основоположников и классиков Д. и. Ньютон И., Математические работы, пер. с латин., М. ≈ Л., 1937; Лейбниц Г., Избранные отрывки из математических сочинений, пер. с латин., «Успехи математических наук», 1948, т. 3, в. 1; Л"Опиталь Г. Ф. де, Анализ бесконечно малых, пер. с франц., М. ≈ Л., 1935; Эйлер Л., Введение в анализ бесконечных, пер. с латин., 2 изд., т. 1, М., 1961; его же, Дифференциальное исчисление, пер. с латин., М. ≈ Л., 1949; Коши О. Л., Краткое изложение уроков о дифференциальном и интегральном исчислении, пер. с франц., СПБ, 1831; его же, Алгебраический анализ, пер. с франц., Лейпциг, 1864.

Учебники и учебные пособия по Д. и. Хинчин А. Я., Краткий курс математического анализа, 3 изд., М., 1957; его же, Восемь лекций по математическому анализу, 3 изд., М. ≈ Л., 1948; Смирнов В. И., Курс высшей математики, 22 изд., т. 1, М., 1967; Фихтенгольц Г. М., Курс дифференциального и интегрального исчисления, 7 изд., т. 1, М., 1969; Ла Валле-Пуссен Ш. Ж. де, Курс анализа бесконечно малых, пер. с франц., т. 1, Л. ≈ М., 1933; Курант Р., Курс дифференциального и интегрального исчисления, пер. с нем. и англ., 4 изд., т. 1, М., 1967; Банах С., Дифференциальное и интегральное исчисление, пер. с польск., 2 изд., М., 1966; Рудин У., Основы математического анализа, пер. с англ., М., 1966.

Под редакцией С. Б. Стечкина.

Википедия

Дифференциальное исчисление

Дифференциальное исчисление - раздел математического анализа, в котором изучаются понятия производной и дифференциала и способы их применения к исследованию функций.

дифференциальное исчисление