Дифференциал функции применение дифференциала к приближенным вычислениям. Применение дифференциала в приближенных вычислениях. Приближенные вычисленияс помощью полного дифференциала функции двух переменных

23. Понятие дифференциала функции. Свойства. Применение дифференциала в приближенн ых вычислениях .

Понятие дифференциала функции

Пусть функция у=ƒ(х) имеет в точке х отличную от нуля производную.

Тогда, по теореме о связи функции, ее предела и бесконечно малой функции, можно записать  у/х=ƒ"(х)+α, где α→0 при ∆х→0, или ∆у=ƒ"(х) ∆х+α ∆х.

Таким образом, приращение функции ∆у представляет собой сумму двух слагаемых ƒ"(х) ∆х и а ∆х, являющихся бесконечно малыми при ∆x→0. При этом первое слагаемое есть бесконечно малая функция одного порядка с ∆х, так кака второе слагаемое есть бесконечно малая функция более высокого порядка, чем ∆х:

Поэтому первое слагаемое ƒ"(х) ∆х называют главной частью приращения функции ∆у.

Дифференциалом функции у=ƒ(х) в точке х называется главная часть ее приращения, равная произведению производной функции на приращение аргумента, и обозначается dу (или dƒ(х)):

dy=ƒ"(х) ∆х. (1)

Дифференциал dу называют также дифференциалом первого порядка. Найдем дифференциал независимой переменной х, т. е. дифференциал функции у=х.

Так как у"=х"=1, то, согласно формуле (1), имеем dy=dx=∆x, т. е. дифференциал независимой переменной равен приращению этой переменной: dх=∆х.

Поэтому формулу (1) можно записать так:

dy=ƒ"(х)dх, (2)

иными словами, дифференциал функции равен произведению производной этой функции на дифференциал независимой переменной.

Из формулы (2) следует равенство dy/dx=ƒ"(х). Теперь обозначение

производной dy/dx можно рассматривать как отношение дифференциалов dy и dх.

Дифференциал обладает следующими основными свойствами.

1. d(с )=0.

2. d(u+w-v)= du+dw-dv.

3. d(uv)=du·v+u·dv.

d(с u)= с d(u).

4. .

5. y = f (z ), , ,

Форма дифференциала инвариантна (неизменна): он всегда равен произведению производной функции на дифференциал аргумента, независимо от того, простым или сложным является аргумент.

Применение дифференциала к приближенным вычислениям

Как уже известно, приращение ∆у функции у=ƒ(х) в точке х можно представить в виде ∆у=ƒ"(х) ∆х+α ∆х, где α→0 при ∆х→0, или ∆у=dy+α ∆х. Отбрасывая бесконечно малую α ∆х более высокого порядка, чем ∆х, получаем приближенное равенство

∆у≈dy, (3)

причем это равенство тем точнее, чем меньше ∆х.

Это равенство позволяет с большой точностью вычислить приближенно приращение любой дифференцируемой функции.

Дифференциал обычно находится значительно проще, чем приращение функции, поэтому формула (3) широко применяется в вычислительной практике.

24. Первообразная функция и неопределенн ый интеграл .

ПОНЯТИЕ ПЕРВООБРАЗНОЙ ФУНКЦИИ И НЕОПРЕДЕЛЕННОГО ИНТЕГРАЛА

Функция F (х ) называется первообразной функцией для данной функции f (х ) (или, короче, первообразной данной функции f (х )) на данном промежутке, если на этом промежутке . Пример . Функция является первообразной функции на всей числовой оси, так как при любом х . Отметим, что вместе с функцией первообразной для является любая функция вида , где С - произвольное постоянное число (это следует из того, что производная постоянной равна нулю). Это свойство имеет место и в общем случае.

Теорема 1 . Если и - две первообразные для функции f (х ) в некотором промежутке, то разность между ними в этом промежутке равна постоянному числу. Из этой теоремы следует, что если известна какая-нибудь первообразная F (х ) данной функции f (х ), то все множество первообразных для f (х ) исчерпывается функциями F (х ) + С . Выражение F (х ) + С , где F (х ) - первообразная функции f (х ) и С - произвольная постоянная, называется неопределенным интегралом от функции f (х ) и обозначается символом , причем f (х ) называется подынтегральной функцией ; - подынтегральным выражением , х - переменной интегрирования ; ∫ - знак неопределенного интеграла . Таким образом, по определению если . Возникает вопрос: для всякой ли функции f (х ) существует первообразная, а значит, и неопределенный интеграл? Теорема 2 . Если функция f (х ) непрерывна на [a ; b ], то на этом отрезке для функции f (х ) существует первообразная . Ниже мы будем говорить о первообразных лишь для непрерывных функций. Поэтому рассматриваемые нами далее в этом параграфе интегралы существуют.

25. Свойства неопределенного и нтеграла. Интеграл ы от основных элементарных функций .

Свойства неопределенного интеграла

В приведенных ниже формулах f и g - функции переменной x , F - первообразная функции f , а, k, C - постоянные величины.







Интегралы элементарных функций

Список интегралов от рациональных функций

(первообразная от нуля есть константа, в любых пределах интегрирования интеграл от нуля равен нулю)

Список интегралов от логарифмических функций

Список интегралов от экспоненциальных функций

Список интегралов от иррациональных функций

(«длинный логарифм»)

список интегралов от тригонометрических функций , список интегралов от обратных тригонометрических функций

26. Метод замен ы переменной , метод интегрирования по частям в неопределенном интеграле .

Метод замены переменной (метод подстановки)

Метод интегрирования подстановкой заключается во введении новой переменной интегрирования (то есть подстановки). При этом заданный интеграл приводится к новому интегралу, который является табличным или к нему сводящимся. Общих методов подбора подстановок не существует. Умение правильно определить подстановку приобретается практикой.

Пусть требуется вычислить интеграл Сделаем подстановку где - функция, имеющая непрерывную производную.

Тогда и на основании свойства инвариантности формулы интегрирования неопределенного интеграла получаем формулу интегрирования подстановкой:

Интегрирование по частям

Интегрирование по частям - применение следующей формулы для интегрирования:

В частности, с помощью n -кратного применения этой формулы находится интеграл

где - многочлен -й степени.

30. Свойства определенного интеграла. Формула Ньютона – Лейбница.

Основные свойства определенного інтеграла

Свойства определенного интеграла

Формула Ньютона – Лейбница.

Пусть функция f (x ) непрерывна на замкнутом интервале [a, b ]. Если F (x ) - первообразная функции f (x ) на[a, b ], то

Рассмотрим широко распространенную задачу о приближенном вычислении значения функции с помощью дифференциала .

Здесь и далее речь пойдёт о дифференциалах первого порядка, для краткости часто будем говорить просто «дифференциал». Задача о приближенных вычислениях с помощью дифференциала обладает жёстким алгоритмом решения, и, следовательно, особых трудностей возникнуть не должно. Единственное, есть небольшие подводные камни, которые тоже будут подчищены. Так что смело ныряйте головой вниз.

Кроме того, в разделе присутствуют формулы нахождения абсолютной и относительной погрешностей вычислений. Материал очень полезный, поскольку погрешности приходится рассчитывать и в других задачах.

Для успешного освоения примеров необходимо уметь находить производные функций хотя бы на среднем уровне, поэтому если с дифференцированием совсем нелады, пожалуйста, начните с нахождения производной в точке и с нахождения дифференциала в точке . Из технических средств потребуется микрокалькулятор с различными математическими функциями. Можно использовать возможности MS Excel, но в данном случае он менее удобен.

Урок состоит из двух частей:

– Приближенные вычисления с помощью дифференциала значения функции одной переменной в точке.

– Приближенные вычисления с помощью полного дифференциала значения функции двух переменных в точке.

Рассматриваемое задание тесно связано с понятием дифференциала, но, поскольку урока о смысле производной и дифференциала у нас пока нет, ограничимся формальным рассмотрением примеров, чего вполне достаточно, чтобы научиться их решать.

Приближенные вычисления с помощью дифференциала функции одной переменной

В первом параграфе рулит функция одной переменной. Как все знают, она обозначается через y или через f (x ). Для данной задачи намного удобнее использовать второе обозначение. Сразу перейдем к популярному примеру, который часто встречается на практике:

Пример 1

Решение: Пожалуйста, перепишите в тетрадь рабочую формулу для приближенного вычисления с помощью дифференциала:

Начинаем разбираться, здесь всё просто!

На первом этапе необходимо составить функцию . По условию предложено вычислить кубический корень из числа: , поэтому соответствующая функция имеет вид: .

Нам нужно с помощью формулы найти приближенное значение .

Смотрим на левую часть формулы , и в голову приходит мысль, что число 67 необходимо представить в виде . Как проще всего это сделать? Рекомендую следующий алгоритм: вычислим данное значение на калькуляторе:

– получилось 4 с хвостиком, это важный ориентир для решения.

В качестве x 0 подбираем «хорошее» значение, чтобы корень извлекался нацело . Естественно, это значение x 0 должно быть как можно ближе к 67.

В данном случае x 0 = 64. Действительно, .

Примечание: Когда с подбором x 0 всё равно возникает затруднение, просто посмотрите на скалькулированное значение (в данном случае ), возьмите ближайшую целую часть (в данном случае 4) и возведите её нужную в степень (в данном случае ). В результате и будет выполнен нужный подбор x 0 = 64.

Если x 0 = 64, то приращение аргумента: .

Итак, число 67 представлено в виде суммы

Сначала вычислим значение функции в точке x 0 = 64. Собственно, это уже сделано ранее:

Дифференциал в точке находится по формуле:

– эту формулу тоже можете переписать к себе в тетрадь.

Из формулы следует, что нужно взять первую производную:

И найти её значение в точке x 0:

.

Таким образом:

Всё готово! Согласно формуле :

Найденное приближенное значение достаточно близко к значению 4,06154810045, вычисленному с помощью микрокалькулятора.

Ответ:

Пример 2

Вычислить приближенно , заменяя приращения функции ее дифференциалом.

Это пример для самостоятельного решения. Примерный образец чистового оформления и ответ в конце урока. Начинающим сначала рекомендую вычислить точное значение на микрокалькуляторе, чтобы выяснить, какое число принять за x 0 , а какое – за Δx . Следует отметить, что Δx в данном примере будет отрицательным.

У некоторых, возможно, возник вопрос, зачем нужна эта задача, если можно всё спокойно и более точно подсчитать на калькуляторе? Согласен, задача глупая и наивная. Но попытаюсь немного её оправдать. Во-первых, задание иллюстрирует смысл дифференциала функции. Во-вторых, в древние времена калькулятор был чем-то вроде личного вертолета в наше время. Сам видел, как из одного из институтов году где-то в 1985-86 выбросили компьютер размером с комнату (со всего города сбежались радиолюбители с отвертками, и через пару часов от агрегата остался только корпус). Антиквариат водился и у нас на физфаке, правда, размером поменьше – где-то с парту. Вот так вот и мучились наши предки с методами приближенных вычислений. Конная повозка – тоже транспорт.

Так или иначе, задача осталась в стандартном курсе высшей математики, и решать её придётся. Это основной ответ на ваш вопрос =).

Пример 3

Вычислить приближенно с помощью дифференциала значение функции в точке x = 1,97. Вычислить более точное значение функции в точке x = 1,97 с помощью микрокалькулятора, оценить абсолютную и относительную погрешность вычислений.

Фактически, это задание запросто можно переформулировать так: «Вычислить приближенное значение с помощью дифференциала»

Решение: Используем знакомую формулу:

В данном случае уже дана готовая функция: . Ещё раз обращаю внимание, что для обозначения функции вместо «игрека» удобнее использовать f (x ).

Значение x = 1,97 необходимо представить в виде x 0 = Δx . Ну, тут легче, мы видим, что число 1,97 очень близко к «двойке», поэтому напрашивается x 0 = 2. И, следовательно: .

Вычислим значение функции в точке x 0 = 2:

Используя формулу , вычислим дифференциал в этой же точке.

Находим первую производную:

И её значение в точке x 0 = 2:

Таким образом, дифференциал в точке:

В результате, по формуле :

Вторая часть задания состоит в том, чтобы найти абсолютную и относительную погрешность вычислений.

Абсолютная погрешность

Определение

Величина абсолютной разности между точным и приближенным u0 значением величины называется абсолютной погрешностью приближенной величины u0. Абсолютную погрешность обозначают $\Delta $u:

$\Delta u = |u - u0| $

Чаще всего точное значение u, а следовательно, и абсолютная погрешность $\Delta $u неизвестны. Поэтому вводят понятие границы абсолютной погрешности.

Граница погрешности приближенной величины

Определение

Любое положительное число больше либо равное абсолютной погрешности является границей погрешности приближенной величины:

\[|u-u_{0} |=\Delta _{u} \le \overline{\Delta _{u} }\]

Значит, точное значение величины содержится между $u_{0} -\overline{\Delta _{u} }$ и $u_{0} +\overline{\Delta _{u} }$

Если граница абсолютной погрешности при нахождении некоторой величины u равна $\overline{\Delta _{u} }$, то говорят, что величина u найдена с точностью $\overline{\Delta _{u} }$.

Относительная погрешность и ее граница

Определение

Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности $\Delta $u к модулю приближенного значения u0 измеряемой величины.

Обозначая относительную погрешность символом $\delta $u, получим

\[\delta _{u} =\frac{\Delta _{u} }{\left|u_{0} \right|} \]

Определение

Границей относительной погрешности называется отношение границы абсолютной погрешности, к модулю приближенного значения измеряемой величины:

\[\overline{\delta _{u} }=\frac{\overline{\Delta _{u} }}{\left|u_{0} \right|} \]

$\delta _{u} $ и $\overline{\delta _{u} }$ часто выражают в процентах.

Дифференциал функции

Дифференциал функции обозначается dy и имеет запись вида:

dy = f "(x) $\Delta $х

В ряде случаев, вычисление приращения функции заменяется вычислением дифференциала функции с некоторым приближением. Дифференциал функции вычисляется проще, т.к. требует нахождения лишь ее производной для расчета произведения с независимой переменной:

\[\Delta y\approx dy\]

Поскольку

\[\Delta y=f(x+\Delta x)-f(x)\] \

Наращенное значение функции имеет вид:

С помощью этой приближенной формулы можно находить приближенное значение функции в точке $x + \Delta х$, близкой к х по известному значению функции.

Для приближенных вычислений используется формула:

\[(1+\Delta x)^{n} \approx 1+n\Delta x\]

Например:

1. Приближенно вычислить $(1,02)^3$

Где $\Delta $х = 0,03, n = 5

\[(1,02)^{3} \approx 1+0,02\cdot 3\]

Где $\Delta $х = 0,03, n = 5

\[(1,02)^{3} \approx 1,06\]

2. Приближенно вычислить $\sqrt{1,005} $

Где $\Delta $х = 0,005, n =0,5

\[\sqrt{1,005} \approx 1+0,5\cdot 0,005\] \[\sqrt{1,005} \approx 1,0025\]

Пример 1

Приближенно рассчитать увеличение объема цилиндра с высотой H = 40см. и радиусом основания R = 30см при увеличении радиуса основания на 0,5 см.

Решение. Объем цилиндра V при постоянной высоте H и переменном радиусе основания R это функция вида:

Запишем приращение функции:

\ \[\Delta V\approx 2\pi HR\cdot \Delta R\]

Заменим известные величины

\[\Delta V\approx 2\pi \cdot 40\cdot 30\cdot 0,5=1200\pi \approx 3770 см^{3} \]

Пример 2

Прямым измерением найдено, что диаметр круга равен 5,2 см, причем максимальная погрешность измерения составляет 0,01. Найти приближенную относительную и процентную погрешности в вычисленной площади этого круга.

Относительная погрешность вычисления площади находится по формуле:

\[\delta _{s} =\frac{\Delta s}{s} \]

Приближенное значение получается в следствие замены $\Delta $s на ds. Поэтому приближенный расчет будет производиться по формуле:

\[\delta _{s} =\frac{ds}{s} \]

Поскольку площадь круга с радиусом х равна:

\ \

Таким образом,

\[\delta _{s} =\frac{\frac{1}{2} \pi xdx}{\frac{1}{4} \pi x^{2} } =2\frac{dx}{x} \]

Заменим х и dx числовыми значениями

\[\delta _{s} =2\frac{0,01}{5,2} \approx 0,004\]

(что составляет погрешность 4%)

НоΔ y = Δ f (х 0) – приращение функции, а f  (х 0) Δx = d f (х 0) – дифференциал функции.

Поэтому окончательно получаем

Теорема 1. Пусть функция у = f (х ) в точке х 0 имеет конечную производную f  (х 0)≠0. Тогда для достаточно малых значений Δxимеет место приближенное равенство (1), которое становится сколь угодно точным при Δx → 0.

Таким образом, дифференциал функции в точке х 0 приближенно равен приращению функции в этой точке.

Т.к. то из равенства (1) получаем

при Δx → 0 (2)

при x → х 0 (2  )

Поскольку уравнение касательной к графику функции y = f (x ) в точке х 0 имеет вид

То приближенные равенства (1)-(2) геометрически означают, что вблизи точки x=x 0 график функции у=f (х ) приближенно заменяется касательной к кривой у = f (х ).

При достаточно малых значениях полное приращение функции и дифференциал отличаются незначительно, т.е. . Это обстоятельство используется для приближенных вычислений.

Пример 1. Вычислить приближенно .

Решение. Рассмотрим функцию и положим х 0 = 4, х = 3,98. Тогда Δx = x – x 0 = – 0,02, f (x 0)= 2. Поскольку , то f  (х 0)=1/4=0,25. Поэтому по формуле (2) окончательно получаем: .

Пример 2. С помощью дифференциала функции установить, на сколько приближенно изменится значение функции y =f (х )=(3x 3 +5)∙tg4x при уменьшении значения ее аргумента х 0 = 0 на 0,01.

Решение. В силу (1) изменение функции у = f (х ) в точке х 0 приближенно равно дифференциалу функции в этой точке при достаточно малых значениях Dx :

Вычислим дифференциал функции df (0). Имеем Dx = –0,01. Так как f  (х )= 9x 2 ∙tg4x + ((3x 3 +5)/ cos 2 4x )∙4, то f  (0)=5∙4=20 и df (0)=f  (0)∙Δx = 20·(–0,01) = –0,2.

Поэтому Δf (0) ≈ –0,2, т.е. при уменьшении значения х 0 = 0 аргумента функции на 0,01 само значение функции y =f (х ) приближенно уменьшится на 0,2.

Пример 3. Пусть функция спроса на товар имеет вид . Требуется найти объем спроса на товар при цене p 0 =3 ден.ед. и установить, на сколько приближенно увеличится спрос при уменьшении цены товара на 0,2 ден.ед.

Решение. При цене p 0 =3 ден.ед. объем спроса Q 0 =D (p 0)=270/9=30 ед. товара. Изменение цены Δp = –0,2 ден. ед. В силу (1) ΔQ (p 0) ≈ dQ (p 0). Вычислим дифференциал объема спроса на товар.

Поскольку, то D  (3) = –20 и

дифференциал объема спроса dQ (3) = D  (3)∙Δp = –20·(–0,2) = 4. Следовательно, ΔQ (3) ≈ 4, т.е. при уменьшении цены товара p 0 =3 на 0,2 ден.ед. объем спроса на товар увеличится приближенно на 4 ед.товара и станет равным приближенно 30+4=34 ед.товара.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется дифференциалом функции?

2. Каков геометрический смысл дифференциала функции?

3. Перечислите основные свойства дифференциала функции.

3. Напишите формулы, позволяющие находить приближенное значение функции при помощи её дифференциала.

По аналогии с линеаризацией функции одной переменной можно при приближенном вычислении значений функции нескольких переменных, дифференцируемой в некоторой точке, заменять ее приращение дифференциалом. Таким образом, можно находить приближенное значение функции нескольких (например, двух) переменных по формуле:

Пример.

Вычислить приближенное значение
.

Рассмотрим функцию
и выберемх 0 = 1, у 0 = 2. Тогда Δх = 1,02 – 1 = 0,02; Δу = 1,97 – 2 = -0,03. Найдем
,

Следовательно, учитывая, что f (1, 2) = 3, получим:

Дифференцирование сложных функций.

Пусть аргументы функции z = f (x , y ) u и v : x = x (u , v ), y = y (u , v ). Тогда функция f тоже есть функция от u и v . Выясним, как найти ее частные производные по аргументам u и v , не делая непосредственной подстановки

z = f (x(u, v), y(u, v)). При этом будем предполагать, что все рассматриваемые функции имеют частные производные по всем своим аргументам.

Зададим аргументу u приращение Δ u , не изменяя аргумент v . Тогда

Если же задать приращение только аргументу v , получим: . (2.8)

Разделим обе части равенства (2.7) на Δu , а равенства (2.8) – на Δv и перейдем к пределу соответственно при Δu → 0 и Δv → 0. Учтем при этом, что в силу непрерывности функций х и у . Следовательно,

Рассмотрим некоторые частные случаи.

Пусть x = x (t ), y = y (t ). Тогда функция f (x , y ) является фактически функцией одной переменной t , и можно, используя формулы (2.9) и заменяя в них частные производные х и у по u и v на обычные производные по t (разумеется, при условии дифференцируемости функций x (t ) и y (t ) ) , получить выражение для :

(2.10)

Предположим теперь, что в качестве t выступает переменная х , то есть х и у связаны соотношением у = у (х). При этом, как и в предыдущем случае, функция f является функцией одной переменной х. Используя формулу (2.10) при t = x и учитывая, что
, получим, что

. (2.11)

Обратим внимание на то, что в этой формуле присутствуют две производные функции f по аргументу х : слева стоит так называемая полная производная , в отличие от частной, стоящей справа.

Примеры.

Тогда из формулы (2.9) получим:

(В окончательный результат подставляем выражения для х и у как функций u и v ).

Найдем полную производную функции z = sin (x + y ²), где y = cos x .

Инвариантность формы дифференциала.

Воспользовавшись формулами (2.5) и (2.9), выразим полный дифференциал функции z = f (x , y ) , где x = x (u , v ), y = y (u , v ), через дифференциалы переменных u и v :

(2.12)

Следовательно, форма записи дифференциала сохраняется для аргументов u и v такой же, как и для функций этих аргументов х и у , то есть является инвариантной (неизменной).

Неявные функции, условия их существования. Дифференцирование неявных функций. Частные производные и дифференциалы высших порядков, их свойства.

Определение 3.1. Функция у от х , определяемая уравнением

F (x, y) = 0 , (3.1)

называется неявной функцией .

Конечно, далеко не каждое уравнение вида (3.1) определяет у как однозначную (и, тем более, непрерывную) функцию от х . Например, уравнение эллипса

задает у как двузначную функцию от х :
для

Условия существования однозначной и непрерывной неявной функции определяются следующей теоремой:

Теорема 3.1 (без доказательства). Пусть:

а) в некоторой окрестности точки (х 0 , у 0 ) уравнение (3.1) определяет у как однозначную функцию от х : y = f (x ) ;

б) при х = х 0 эта функция принимает значение у 0 : f (x 0 ) = y 0 ;

в) функция f (x ) непрерывна.

Найдем при выполнении указанных условий производную функции y = f (x ) по х .

Теорема 3.2. Пусть функция у от х задается неявно уравнением (3.1), где функция F (x , y ) удовлетворяет условиям теоремы 3.1. Пусть, кроме того,
- непрерывные функции в некоторой областиD , содержащей точку (х,у), координаты которой удовлетворяют уравнению (3.1), причем в этой точке
. Тогда функцияу от х имеет производную

(3.2)

Пример. Найдем , если
. Найдем
,
.

Тогда из формулы (3.2) получаем:
.

Производные и дифференциалы высших порядков.

Частные производные функции z = f (x , y ) являются, в свою очередь, функциями переменных х и у . Следовательно, можно найти их частные производные по этим переменным. Обозначим их так:

Таким образом, получены четыре частные производные 2-го порядка. Каждую из них можно вновь продифференцировать по х и по у и получить восемь частных производных 3-го порядка и т.д. Определим производные высших порядков так:

Определение 3.2. Частной производной n -го порядка функции нескольких переменных называется первая производная от производной (n – 1)-го порядка.

Частные производные обладают важным свойством: результат дифференцирования не зависит от порядка дифференцирования (например,
). Докажем это утверждение.

Теорема 3.3. Если функция z = f (x , y ) и ее частные производные
определены и непрерывны в точкеМ (х, у) и в некоторой ее окрестности, то в этой точке

(3.3)

Следствие . Указанное свойство справедливо для производных любого порядка и для функций от любого числа переменных.