Применение дифференциала в приближенных вычислениях. Приложение дифференциала к приближенным вычислениям Дифференциал и его применение к приближенным вычислениям

Приближенное значение приращения функции

При достаточно малых приращение функции приближенно равно ее дифференциалу, т.е. Dy » dy и, следовательно,

Пример 2. Найти приближенное значение приращения функции y= при изменении аргумента x от значения x 0 =3 до x 1 =3,01.

Решение . Воспользуемся формулой (2.3). Для этого вычислим

X 1 - x 0 = 3,01 - 3 = 0,01, тогда

Dу » .

Приближенное значение функции в точке

В соответствии с определением приращения функции y = f(x) в точке x 0 при приращении аргумента Dx (Dx®0) Dy = f(x 0 + Dx) - f(x 0) и формулой (3.3) можно записать

f(x 0 + Dx) » f(x 0) + . (3.4)

Частными случаями формулы (3.4) являются выражения:

(1 + Dx) n » 1 + nDx (3.4a)

ln(1 + Dx) » Dx (3.4б)

sinDx » Dx (3.4в)

tgDx » Dx (3.4г)

Здесь, как и ранее предполагается, что Dx®0.

Пример 3. Найти приближенное значение функции f(x) = (3x -5) 5 в точке x 1 =2,02.

Решение . Для вычислений воспользуемся формулой (3.4). Представим x 1 в виде x 1 = x 0 + Dx. Тогда x 0 = 2, Dx = 0,02.

f(2,02)=f(2 + 0,02) » f(2) +

f(2) = (3 × 2 - 5) 5 = 1

15 × (3 × 2 - 5) 4 = 15

f(2,02) = (3 × 2,02 - 5) 5 » 1 + 15 × 0,02 = 1,3

Пример 4. Вычислить (1,01) 5 , , ln(1,02), ln .

Решение

1. Воспользуемся формулой (3.4а). Для этого представим (1,01) 5 в виде (1+0,01) 5 .

Тогда, полагая Dх = 0,01, n = 5, получим

(1,01) 5 = (1 + 0,01) 5 » 1 + 5 × 0,01 = 1,05.

2. Представив в виде (1 - 0,006) 1/6 , согласно (3.4а), получим

(1 - 0,006) 1/6 » 1 + .

3. Учитывая, что ln(1,02) = ln(1 + 0,02) и полагая Dx=0,02, по формуле (3.4б) получим

ln(1,02) = ln(1 + 0,02) » 0,02.

4. Аналогично

ln = ln(1 - 0,05) 1/5 = .

Найти приближенные значения приращения функций

155. y = 2x 3 + 5 при изменении аргумента x от значения x 0 = 2 до x 1 = 2,001

156. у = 3x 2 + 5x + 1 при x 0 = 3 и Dx = 0,001

157. y = x 3 + x - 1 при x 0 = 2 и Dx = 0,01

158. y = ln x при x 0 = 10 и Dx = 0,01

159. y = x 2 - 2x при x 0 = 3 и Dx = 0,01

Найти приближенные значения функций

160. у = 2x 2 - x + 1 в точке x 1 = 2,01

161. y = x 2 + 3x + 1 в точке x 1 = 3,02

162. y = в точке x 1 = 1,1

163. y= в точке x 1 = 3,032

164. y = в точке x 1 = 3,97

165. y = sin 2x в точке x 1 = 0,015

Вычислить приближенно

166. (1,025) 10 167. (9,06) 2 168.(1,012) 3

169. (9,95) 3 170. (1,005) 10 171. (0,975) 4

172. 173. 174.

175. 176. 177.

178. ln(1,003×e) 179. ln(1,05) 5 180. ln

181. ln0,98 182. ln 183. ln(e 2 ×0,97)

Исследование функций и построение графиков

Признаки монотонности функции

Теорема 1 (необходимое условие возрастания (убывания) функции) . Если дифференцируемая функция y = f(x), xÎ(a; b) возрастает (убывает) на интервале (a; b), то для любого x 0 Î(a; b).

Теорема 2 (достаточное условие возрастания (убывания) функции) . Если функция y = f(x), xÎ(a; b) имеет положительную (отрицательную) производную в каждой точке интервала (a; b), то эта функция возрастает (убывает) на этом интервале.

Экстремумы функции

Определение 1. Точка x 0 называется точкой максимума (минимума) функции у = f(x), если для всех x из некоторой d-окрестности точки x 0 выполняется неравенство f(x) < f(x 0) (f(x) > f(x 0)) при x ¹ x 0 .

Теорема 3 (Ферма) (необходимое условие существования экстремума) . Если точка x 0 является точкой экстремума функции y = f(x) и в этой точке существует производная , то

Теорема 4 (первое достаточное условие существования экстремума) . Пусть функция y = f(x) дифференцируема в некоторой d-окрестности точки x 0 . Тогда:

1) если производная при переходе через точку x 0 меняет знак с (+) на (-), то x 0 является точкой максимума;

2) если производная при переходе через точку x 0 меняет знак с (-) на (+), то x 0 является точкой минимума;

3) если производная при переходе через точку x 0 не меняет знак, то в точке x 0 функция не имеет экстремума.

Определение 2. Точки, в которых производная функции обращается в нуль или не существует, называются критическими точками первого рода.

с помощью первой производной

1. Найти область определения D(f) функции у = f(x).

3. Найти критические точки первого рода.

4. Расставить критические точки в области определения D(f) функции y = f(x) и определить знак производной в промежутках, на которые критические точки делят область определения функции.

5. Выделить точки максимума и минимума функции и вычислить в этих точках значения функции.

Пример 1. Исследовать на экстремум функцию у = x 3 - 3x 2 .

Решение . В соответствии с алгоритмом нахождения экстремума функции с помощью первой производной имеем:

1. D(f): xÎ(-¥; ¥).

2. .

3. 3x 2 - 6x = 0 Þ x = 0, x = 2 - критические точки первого рода.

Производная при переходе чрез точку x = 0

меняет знак с (+) на (-), следовательно это точка

Максимума. При переходе через точку х = 2 меняет знак с (-) на (+), следовательно это точка минимума.

5. y max = f(0) = 0 3 × 3 × 0 2 = 0.

Координаты максимума (0; 0).

y min = f(2) = 2 3 - 3 × 2 2 = -4.

Координаты минимума (2; -4).

Теорема 5 (второе достаточное условие существования экстремума) . Если функция у = f(x) определена и дважды дифференцируема в некоторой окрестности точки x 0 , причем , то в точке x 0 функция f(x) имеет максимум, если и минимум, если .

Алгоритм нахождения экстремума функции

с помощью второй производной

1. Найти область определения D(f) функции y = f(x).

2. Вычислить первую производную

Понятие дифференциала

Пусть функция y = f (x ) дифференцируема при некотором значении переменной x . Следовательно, в точке x существует конечная производная

Тогда по определению предела функции разность

является бесконечно малой величиной при . Выразив из равенства (1) приращение функции, получим

(2)

(величина не зависит от , т. е. остаётся постоянной при ).

Если , то в правой части равенства (2) первое слагаемое линейно относительно . Поэтому при

оно является бесконечно малой того же порядка малости, что и . Второе слагаемое - бесконечно малая более высокого порядка малости, чем первое, так как их отношение стремится к нулю при

Поэтому говорят, что первое слагаемое формулы (2) является главной, линейной относительно частью приращения функции; чем меньше , тем большую долю приращения составляет эта часть. Поэтому при малых значениях (и при ) приращение функции можно приближенно заменить его главной частью , т.е.

Эту главную часть приращения функции называют дифференциалом данной функции в точке x и обозначают

Следовательно,

(5)

Итак, дифференциал функции y = f (x ) равен произведению её производной на приращение независимой переменной.

Замечание. Нужно помнить, что если x – исходное значение аргумента,

Наращенное значение, то производная в выражении дифференциала берётся в исходной точке x ; в формуле (5) это видно из записи, в формуле (4) – нет.

Дифференциал функции можно записать в другой форме:

Геометрический смысл дифференциала. Дифференциал функции y = f (x ) равен приращению ординаты касательной, проведённой к графику этой функции в точке (x ; y ), при изменении x на величину .

Свойства дифференциала. Инвариантность формы дифференциала

В этом и следующем параграфах каждую из функций будем считать дифференцируемой при всех рассматриваемых значениях её аргументов.

Дифференциал обладает свойствами, аналогичными свойствам производной:

(С – постоянная величина) (8)

(9)

(10)

(12)

Формулы (8) – (12) получаются из соответствующих формул для производной умножением обеих частей каждого равенства на .

Рассмотрим дифференциал сложной функции. Пусть - сложная функция :

Дифференциал

этой функции, используя формулу для производной сложной функции, можно записать в виде

Но есть дифференциал функции , поэтому

(13)

Здесь дифференциал записан в том же виде, как и в формуле (7), хотя аргумент является не независимой переменной, а функцией . Следовательно, выражение дифференциала функции в виде произведения производной этой функции на дифференциал её аргумента справедливо независимо от того, является ли аргумент независимой переменной или функцией другой переменной. Это свойство называютинвариантностью (неизменностью) формы дифференциала.

Подчеркнём, что в формуле (13) нельзя заменить на , так как

для любой функции , кроме линейной.

Пример 2. Записать дифференциал функции

двумя способами, выражая его: через дифференциал промежуточной переменной и через дифференциал переменной x . Проверить совпадение полученных выражений.

Решение. Положим

а дифференциал запишется в виде

Подставляя в это равенство

Получаем

Применение дифференциала в приближенных вычислениях

Установленное в первом параграфе приближенное равенство

позволяет использовать дифференциал для приближенных вычислений значений функции.

Запишем приближенное равенство более подробно. Так как

Пример 3. Пользуясь понятием дифференциала, вычислить приближенно ln 1,01.

Решение. Число ln 1,01 является одним из значений функции y = ln x . Формула (15) в данном случае примет вид

Следовательно,

что является очень хорошим приближением: табличное значение ln 1,01 = 0,0100.

Пример 4. Пользуясь понятием дифференциала, вычислить приближенно

Решение. Число
является одним из значений функции

Так как производная этой функции

то формула (15) примет вид

получаем

(табличное значение

).

Пользуясь приближенным значением числа, нужно иметь возможность судить о степени его точности. С этой целью вычисляют его абсолютную и относительную погрешности.

Абсолютная погрешность приближенного числа равна абсолютной величине разности между точным числом и его приближенным значением:

Относительной погрешностью приближенного числа называется отношение абсолютной погрешности этого числа к абсолютной величине соответствующего точного числа:

Умножая на 4/3, находим

Принимая табличное значение корня

за точное число, оценим по формулам (16) и (17) абсолютную и относительную погрешности приближенного значения:

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.

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

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%)