close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1415.Математика-1

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Казанский институт (филиал) ГОУ ВПО
Российский государственный торгово-экономический университет
_______________________________________________________
Кафедра информатики и высшей математики
ТАЛЫЗИН В.А.
МАТЕМАТИКА-1
Учебное пособие
КАЗАНЬ-2008г.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение
Учебное пособие подготовлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по экономическим специальностям и предназначено для студентов заочного отделения.
Цель пособия – помочь студентам в усвоении фундаментальных математических понятий, овладении навыками их применения на практике при
выполнении контрольной работы по соответствующим темам высшей математики.
В пособии рассмотрены такие разделы высшей математики как предел
и производная функции, неопределенный и определенный интеграл, дифференциальные уравнения, а также применение математического аппарата производной и дифференциала функции в приближенных вычислениях, для исследования функций и построения их графиков.
По каждой теме приводятся необходимые теоретические сведения, решаются типовые задачи, подобраны задания для самостоятельной работы и
вопросы для самопроверки.
1. Предел функции
Число А называется пределом функции f ( x ) при x , стремящимся к x 0 ,
если для любого положительного числа  (  >0) найдется такое положительное число  >0 (зависящее в общем случае от  ), что для всех x , не равных
x 0 и удовлетворяющих условию
x  x0 <  ,
выполняется неравенство f ( x)  A <  .
Для предела функции вводится обозначение lim f ( x ) =А.
x  x0
Пределы функций обладают следующими основными свойствами:
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Функция не может иметь более одного предела.
2. Если f ( x ) = С (постоянная), то lim f ( x )  С.
x  x0
3. Если существует lim f ( x )  А, то для любого числа С верно равенx  x0
ство: xlim
Cf ( x)  C  xlim
f ( x)  CА.
x
x
0
0
4. Если существуют lim f ( x)  А и lim g( x)  В, то lim  f ( x ) g ( x ) =
x x
x x
x x
0
0
0
lim f ( x )  lim g( x )  АВ, lim  f ( x )  g( x )  lim f ( x )  lim g( x )  A  B,
x  x0
x  x0
xx0
xx0
xx0
lim f ( x )
f ( x ) x  x0
А
а если В  0 , то lim

 .
x  x0 g ( x )
lim g ( x ) B
x  x0
5. Операция предельного перехода перестановочна с операцией вычисления
непрерывной функции, т. е. справедлива формула


lim f  g ( x )  f  lim g ( x ) .
x

x
 0

Если функция f ( x ) непрерывна в точке x 0 , то искомый предел равен
x  x0
значению функции в этой точке, т.е. он находится непосредственной подстановкой предельного значения переменной вместо аргумента x :
lim f ( x)  f ( x0 ).
x  x0
Функция  ( x ) называется бесконечно малой величиной при x  x0 , если ее предел в точке x 0 равен нулю: lim  ( x)  0. Функция f ( x ) называется
x  x0
бесконечно большой величиной при x  x0 , если lim f ( x)  .
x x
0
2x  3 2  3  3
Пример 1.1. lim


x 3 x  2
3 2
2x  3 2  2  3
Пример 1.2. lim


x 2 x  2
22
9
 9.
1
7
 .
0
В рассмотренных примерах предел находился сразу в виде числа или
символа  (бесконечность). Но чаще при вычислении пределов мы встречаемся с неопределенностями, когда результат нахождения предела не ясен.
Например, в случае отношения двух бесконечно малых функций ( условное
 
0
обозначение   ) или отношения двух бесконечно больших функций (   ).
0
 
Кроме двух названных случаев встречаются неопределенности вида
   , 0  ,1 , 0 , 00 .
Для раскрытия неопределенностей используются специальные математические приемы и два следующих предела, которые играют особую роль в
математике и поэтому называются замечательными:
- первый замечательный предел lim
x 0
sin x
 1;
x
n
1
 1
1    lim1  n n  e (число Эйлера).
-второй замечательный предел nlim

no
n
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2 x 2  5x  3
.
2
x  3 3x  4 x  15
Пример 1.3. lim
Решение. Непосредственной подстановкой убеждаемся, что имеем дело
0
с неопределенностью вида   :
0
2 x 2  5x  3
2  32  5  3  3
18  15  3  0 
lim 2



.
2
x  3 3x  4 x  15
3  3  4  3  15 27  12  15  0 
Для раскрытия неопределенности разложим числитель и знаменатель
на множители. Найдем корни многочлена, стоящего в числителе. Для этого
составим уравнение второй степени 2 x 2  5x  3  0 и найдем его решение:
5  5 2  4  2  ( 3)
5  52  4  2  ( 3)
1
x1 
 3, x 2 
 .
22
22
2
ли
Тогда для квадратного трехчлена справедливо разложение на множите1
2 x 2  5x  3  2( x  x1 )( x  x2 )  2( x  3)( x  ) .
2
Аналогичные действия выполним для многочлена, стоящего в знаменателе.
Уравнение 3x 2  4 x  15  0 имеет решения
4  4 2  4  3  ( 15)
4  4 2  4  3  ( 15)
5
x1 
 3, x2 

3 2
3 2
3
5
и знаменатель представляется в виде: 3x 2  4 x  15  3( x  3)( x  ).
3
Сократим дробь на множитель ( x  3) и вычислим ее при x  3
1
1
1
2( x  3)( x  )
2( x  ) 2 ( 3  ) 1
2
2
2
lim
 lim

 .
5
5
5
x 3
x 3
2
3( x  3)( x  )
3( x  ) 3(3  )
3
3
3
x2
.
Пример 1.4. lim
x 2
x3 7x
Решение. Непосредственной подстановкой убеждаемся, что возникает
0
неопределенность вида   . Для раскрытия неопределенности умножим чис0
литель и знаменатель на выражение x  3  7  x , являющееся сопряженным
к знаменателю
( x  2)( x  3  7  x )
( x  2)( x  3  7  x )
 lim

x 2 ( x  3  7  x )( x  3  7  x )
x 2
x  3  (7  x )
lim
( x  2)( x  3  7  x )
x3 7 x
5 5
 lim

 5.
x 2
2( x  2)
2
2
5x 2  3
lim
Пример 1.5. x 2
.
3x  2 x  1
= lim
x 2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
 
Решение. Имеем неопределенность вида   . Разделим числитель и
 
2
знаменатель на x (в более общем случае, когда числитель и знаменатель
представляют многочлены разных степеней, делят на x с наибольшим показателем степени числителя и знаменателя). Используя свойства пределов, получим:
5x  3
 lim
2
x  3x  2 x  1
x 
2
5
lim
Пример 1.6. lim
x 0
3
3
x2
2 1

x x2

5 0
5
 .
3 0 0 3
tg 2 x
.
sin 5x
0
Решение. При x  0 имеем неопределенность вида   . Представим
0
sin 2 x
, в котором числитель разделим и умножим на число 2, знаменаcos 2 x
тель - на число 5, а числитель и знаменатель разделим на переменную x , тоsin 2 x
2

tg 2 x
2x
гда предел преобразуется к виду: lim
.
 lim
sin 5x
x 0 sin 5x
x 0
5  cos 2 x 
5x
tg 2 x 
Пользуясь свойствами пределов и первым замечательным пределом,
далее имеем:
sin 2 x
sin 2 x
lim
2
2
2 1
2
x 0
2x
2x
lim( 
) 
 
 .
sin 5x
sin 5x 5 1  1 5
x 0 5
5
cos 2 x 
limcos 2 x  lim
x 0
x  0 5x
5x
5n 1
 4n  1


Пример 1.7. nlim
.
 4n  3
1
4n  1
n
Решение. Имеем неопределенность вида [ 1 ], так как lim
 lim
 1, а
3
n 4n  3
n
4
n
lim(5n  1)   . Выделим у дроби целую часть
4
n
4n  1 ( 4n  3 )  3  1
4
.

1
4n  3
4n  3
4n  3
4
и выразим отсюда n через  :
4n  3
1 3
1 3
5 11
n   . Тогда 5n  1  5(  )  1   . Заметим, что при n   перемен 4
 4
 4
ная   0 . Теперь, переходя к новой переменной  и используя второй за-
Введем новую переменную  
мечательный предел, получим:
 4n  1
lim

n 4n  3
5n 1
4 

 lim1 

n
4n  3
5n 1
5 11

4
 lim1    
 0

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5
5
 



= lim
1       lim1    4   lim1       1  e 5  1  e 5 .
  0
  0

 0
Неопределенности вида  0 ,    путем алгебраических пре1
11
1
0  
образований приводятся к виду  ,   . Неопределенности вида 1 , 0  ,
0  
0
 0  можно раскрыть, предварительно прологарифмировав соответствующую
0  
функцию. Неопределенности вида  ,   можно исключить, используя
0  
правило Лопиталя, которое изложено в конце темы 2.
Пример 1.8. Первоначальный вклад в банк составил  0 денежных единиц. Банк выплачивает ежегодно p % годовых. Необходимо найти размер
вклада  t через t лет при непрерывном начислении процентов. Решить задачу при  0 =10, p =5%, t =20 лет.
Решение. При p % годовых размер вклада ежегодно будет увеличиваться в
p 

1 

 100 
t
раз, т.е.
p 

 t   0 1 
 .
 100
Если начислять проценты по вкладам не один раз в год, а n раз, то
размер вклада за t лет при nt начислениях составит
nt
p 

 t   0 1 
 .
 100n 
Тогда размер вклада за t лет при непрерывном начислении процентов
( n   ) сводится к нахождению предела
pt
100 n 100


pt
 
p
p  
p



   e 100 .
 t  lim  0  1 
    0 lim  1 

0
n
n 

100n 
  100n  


nt
Здесь при решении использовался второй замечательный предел.
Подставляя исходные числовые данные задачи, получаем
520
 20  10  e 100  10  e  27,182
(ден. единиц).
Вопросы для самопроверки
Дайте определение предела функции в точке.
Назовите основные свойства пределов функций.
Какие виды неопределенностей встречаются при нахождении преде-
1.
2.
3.
лов?
4.
Какие пределы называются замечательными?
5.
Какие функции называют бесконечно малыми?
Задачи для самостоятельной работы
Найти пределы следующих функций:
Таблица 1.1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Номер варианта
1
А)
lim
x 4
x 1  7  x
;
x4
x2
;
x2  6 x
x 1  9  x
;
x 5
x2
;
x3 7 x
x  7  3 x
x2
x 1
x 5  3 x
2
lim
3
lim
x 5
4
lim
5
lim
x 2
6
lim
7
lim
x 2
8
lim
9
lim
x 3
x 4  8 x
x2
x4
x2  6 x
x  2  4 x
x3
10
lim
x 6
x3 9 x
x6
x 2
x 2
x 1
x 4
Б)
lim
x 0
sin 3x
x
ex
lim 3
x   x
x 1
lim ln x
x 1
ln x
lim x
x 
ln x
lim1  x 3
x 1
ex 1
lim
x 0 sin 2 x
x2
lim
x
x  e
e x  ex
lim
sin x
x 0
x3 1
lim
x 1 ln x
1  cos x
x2
x 0
lim
2. Производная функции
Приращением функции y  f ( x) в точке x , соответствующим приращению аргумента x , называется число y  f ( x  x)  f ( x) .
Производной функции y  f ( x) в точке x 0 называется предел отношения приращения функции y к приращению аргумента x при x  0 , если
этот предел существует и конечен и обозначается:
f ( x0  x)  f ( x0 )
y
.
 lim
x 0 x
x 0
x
y x  dy / dx  f ( x0 )  lim
Нахождение производной функции называется дифференцированием
этой функции. Если функция f ( x ) имеет в точке x 0 конечную производную,
то функция называется дифференцируемой в этой точке.
Важнейшими правилами дифференцирования являются следующие.
1.
Производная постоянной величины C ( y  C ) равна нулю: (C )  0 .
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.
3.
Постоянный множитель выносится за знак производной
Сu( x)  С  u ( x) .
Производная суммы (разности) функций равна сумме (разности) про
изводных этих функций u( x)  v( x )  u ( x )  v ( x) .
4.
Производная произведения двух дифференцируемых функций равна
произведению производной первого сомножителя на второй плюс произведение первого сомножителя на производную второго:
 u( x )  v ( x )    u  ( x )  v ( x )  u( x )  v  ( x ) .
5.
Производная частного двух дифференцируемых функций находится
по формуле:

u  ( x )  v ( x )  u( x )  v  ( x )
 u( x ) 
.

 
 v( x) 
v 2 ( x)
Если переменная y есть функция от переменной u (например,
y  f (u) ), а переменная u , в свою очередь, есть функция независимой переменной x ( u   ( x) ), то говорят, что задана сложная функция y  f  ( x) =
= F (x) .
Пусть y  f (u) и u   ( x) - дифференцируемые функции по своим аргументам, тогда производная сложной функции существует и равна произведению производных данных функций по соответствующим переменным:
y x  f u ( u )  x ( x ).
Для вычисления производных функций применяются правила дифференцирования и таблица производных элементарных функций, приводимая
ниже.
Таблица 2.1
№
1
2
3
4
5
6
функция
a
производная
a1
x
log a x
ax
(log a e) / x
ln x
1/ x
a
x
x
a ln a
sin x
cos x
cos x
- sin x
№
7
8
9
10
11
12
функция
tgx
ctgx
arcsin x
arccos x
arctgx
arcctgx
производная
1/ cos2 x
-1/ sin 2 x
1/( 1  x 2 )
-1/( 1  x 2 )
1/(1+ x 2 )
-1/(1+ x 2 )
В экономике используется понятие эластичности как мера реагирования одной переменной величины на изменение другой. Коэффициент эластичности функции определяется следующим соотношением:
E x ( y) 
x
 y x .
y
Коэффициент эластичности функции приближенно показывает, на
сколько процентов изменится переменная y в результате увеличения переменной x на 1%.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пример 2.1. Найти производную функции y  (0,25x 8  88 x 3  1) 3 .
Решение. Представим ее как сложную функцию. Пусть
y x  f u  ux . Найдем производную
u  0,25x 8  88 x 3  1, тогда y  f (u)  u 3 и
по аргументу u как степенной функции
 
f u  u 3
 3  u 2  3(0,25x 8  88 x 3  1) 2 .
u
В свою очередь, аргумент u представляется в виде алгебраической
суммы двух степенных функций и постоянной. Поэтому, используя правила
дифференцирования 1-3, получим:
u x  (0,25x 8  88 x 3  1)x  (0,25x 8 )x  (88 x 3 )x  (1)x 
3
3
3
8
1
= 0,25 ( x 8 )x  8( x 8 )x  0  0,25  8  x 7  8   x 8  2 x 7  3 / 8 x 5 .
Отсюда производная искомой функции
y x  3  (0,25x 8  88 x 3  1) 2  (2 x 7  3 / 8 x 5 ) .
Пример 2.2. Найти производную функции y  ln 4
1  8x
.
x8  1
1
1  8x
1  8x
4
4
u

v

v
,
.
Тогда
и
y  ln u,
v 8
x8  1
x 1
искомая производная находится по формуле: y x  yu  uv  v x .
Производную y u находим из таблицы производных элементарных
Решение. Обозначим u  4
функций
y u   ln u

u
 1/ u  1/ 4 v  1/ 4
1  8x
.
x8  1
Второй сомножитель u представляет производную от степенной
функции
 1
u    4 
 

3

1 41 1 1  43
 1  8 x  

4
 
   1 / 4   8
 .
 x  1 
4
4


Наконец, последняя производная  x находится по правилам дифференцирования частного
 1  8x 
 x   8 
 x  1
=

x

1  8 x  x   x 8  1  1  8 x    x 8  1
 x 8  1
 8( x 8  1)  (1  8 x )  8 x 7
 x 8  1 2
=
2
8(7 x 8  x 7  1)
 x 8  1 2

x

.
В итоге получаем искомую производную
1  8x
y x  1 / 8
 1 / (44
x 1
4
3
8(7 x 8  x 7  1) 2(7 x 8  x 7  1)
 1  8x 

 8  )
.
 x 
(1  8 x )( x 8  1)
 x 8  1 2
2
Пример 2.3. Найти производную функции y  arctg x  1  x sin x .
Решение. Производная суммы двух функций есть сумма их производных
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
   x 

y x  arctg x  1
sin2 x

.
Для нахождения производной первого слагаемого y1  arctg x  1 обозначим u  x  1 , v  x 1.
x
x
1
Тогда y1  arctg (u ), u  v 2 ,

 12 

arctg x  1 x  y1u  u v  vx  arctg (u )  u   v  v  x  1 x 
 
1
1
1 2
1
1
1
1
 v 1 


.
=
2 
2 
2 x  1 2x x  1
1 u 2
1 x 1






Производную второго слагаемого y2  x sin x найдем по правилу дифференцирования степенно-показательной функции. Прологарифмируем функцию y 2 : ln( y 2 )  sin 2 x  ln x. Дифференцируем левую и правую часть получен2

1

 y 2 x  sin 2 x x  ln x  sin 2 x  ln x  x .
y2
2


y 2 x  y 2   sin 2 x x  ln x  sin 2 x  ln x  x   x sin x ln x  sin 2 x  sin 2 x / x .



ного равенства
Отсюда





Наконец, находим производную искомой функции

1
sin 2 x 
sin 2 x
y 
x
 ln x  sin 2 x 
.
x 

2x x  1
Пример 2.4. На основе опытных данных построена математическая модель спроса S населения на некоторый товар в зависимости от цены x :
S
x 1
.
x2
Определить коэффициент эластичности спроса при x  1 (в условных
денежных един. ).
Решение. Коэффициент эластичности спроса E x ( S ) находится по формуле:
S x
 S x  x
E x ( S )  lim 
:   lim
  S .
x  0  S
x  S x  0  x S
Если E x ( S ) >1, то спрос называют эластичным, при E x ( S ) <1 – неэластичным, а при E x ( S )  1  нейтральным.

1
 x  1  1  ( x  2)  1  ( x  1)
S






Найдем производную
.
2
 x  2
( x  2)
( x  2) 2
Тогда
Ex S 
x
x  ( x  2)
1
x
 S 

.
2 
S
x 1
( x  1)( x  2)
( x  2)
Определим коэффициент эластичности спроса при цене x  1
1
6
: E x ( S )  . Таким образом, при такой цене имеем неэластичный спрос.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Правило Лопиталя. При нахождении пределов функций (тема 1) не0  
определенности вида  ,   можно исключить, применяя правило Лопита0  
ля: предел отношения двух бесконечно малых или бесконечно больших
функций равен пределу отношения их производных, если последний существует, т. е.
f ( x)
f ( x )
 lim
.
x  x0 g ( x )
x  x0 g  ( x )
 
(или   ), то правило Лопиталя можно исполь 
f ( x)
f ( x)
.
 lim
g ( x) x x0 g ( x)
lim
Если xlim
x
0
f ( x )  0 

g ( x )  0 
зовать вторично, т.е.
lim
x  x0
В общем случае правило Лопиталя можно применять неоднократно.
Пример 2.5. Найти
ля.
ex  ex  2
lim
.
x0
x2
Решение. Для раскрытия неопределенности применим правило Лопита-
 e x  e  x  2  x
e x  ex  2 0
e x  ex 0
lim
    lim
 lim
  .
x 0
x 0
2x
x2
2 
 0  x 0
0
x  x
0
Неопределенность вида   по-прежнему сохраняется. Применим пра0
вило Лопиталя еще раз:
e x  e  x  
e x  ex
e x  ex 2
lim
 lim
 lim
  1.
x 0
x 0
x 0
2x
2
2
 2 x 
1.
2.
3.
4.
5.
Вопросы для самопроверки
Дайте определение производной функции в точке.
Какая функция называется дифференцируемой в точке?
Назовите важнейшие правила дифференцирования.
Как находится производная сложной функции?
Сформулируйте правило Лопиталя.
Задачи для самостоятельной работы
Найти производные следующих функций:
Таблица 2.2
Номер варианта
А)
Б)
В)
1
y=(3x4-4x(-1/4)+2)5
y=2tgx+x sin(2x
2
3
y=(5x2+4x(5/4)+3)3
y=(0.25x8+8x(3/8)-1)3
y=arccos2x+(14x2)1/2
y=arctg(x2-1)1/2
y=arccos(1-x2)1/2
y=e3x-2x tg(3x)
y=3cosx-x sin(2x)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2
4
y=(0.2x5-3x(4/3)-4)4
y=arctg(x-1)1/2
5
y=(3x8+5x(2/5)-3)5
y=arctg(2/(x-3))
y 5
6
y=(5x4-2x(-3/2)+3)4
y=arccos(1-x)1/2
y 3
7
y=(4x3+3x(-4/3)-2)5
y  2x
8
y=(7x5-3x(5/3)-6)4
9
10
y=(3x4-4x(-1/4)-3)5
y=(8x3-9x(-7/3)+6)5
y=arcctg(x-1)1/2
y=arcsin3x-(19x2)1/2
y=arctg(1/(x-1))
y=arcsin((1-x)1/2)
y  2 x  xctg3x
x
x
2
 x 2 tg 2 x
1  sin x

1  sin x
1
 x sin 4 x
y=etgx-x1/2 cos(2x).
y=x tg3x+2x-2
y  3 sin x  3 xtg3x
3. Применение дифференциала функции в приближенных вычислениях
Дифференциалом функции y  f ( x ) в точке x0 называется главная,
линейная относительно приращения аргумента x часть приращения функции  y , равная произведению производной функции в точке x0 на приращение независимой переменной:
dy  f ( x0 )x .
Отсюда приращение функции  y отличается от ее дифференциала df
на бесконечно малую величину и при достаточно малых значениях можно
считать y  dy или
f ( x0  x)  f ( x0 )  f ( x0 )x .
Приведенная формула используется в приближенных вычислениях,
причем, чем меньше x , тем точнее формула.
Пример 3.1. Вычислить приближенно 5 33,2
Решение. Рассмотрим функцию y  f ( x )  5 x . Это степенная функ1
4
1
1
1 
1
ция и её производная f ( x )   x 5  x 5 
.
5 4
5
5
5 x
В качестве x0 требуется взять число, удовлетворяющее условиям:
- значение 5 x0 известно или достаточно просто вычисляется;
- число x0 должно быть как можно более близким к числу 33,2.
В нашем случае этим требованиям удовлетворяет число x0 = 32, для
которого 5 32 = 2, x = 33,2 -32 = 1,2.
Применяя формулу, находим искомое число:
1
1,2
1,2
5 32,2  5 32 +
.1,2  2 
 2
 2,015 .
4
5
4
80
5

2
5 32
Пример 3.2. Найти время удвоения вклада в банк, если ставка банковского процента за год составляет 5% годовых.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Решение. За год вклад увеличивается в 1  5 / 100  раз, а за t лет вклад
увеличится в 1  5 / 100 t раз. Теперь необходимо решить уравнение:
1  5 / 100 t =2. Логарифмируя, получаем t  ln(1  5 / 100)  ln 2 , откуда
ln 2
. Получим приближенную формулу для вычисления ln x . Полаln(1  5 / 100 )
гая f ( x)  ln x , найдем f ( x)  1 / x и в соответствии с приближенной формулой
ln( x  x)  ln x  x / x . В нашем случае x  1 и x  5 / 100  0,05 . Отсюда
t
ln(1  5 / 100)  0,05 . Так
t  0,7 / 0,05  14
как ln 2  0,7 , находим время удвоения вклада
лет.
Вопросы для самопроверки
1. Дайте определение дифференциала функции в точке.
2. Почему формула, используемая для вычислений, является приближенной?
3. Каким условиям должно удовлетворять число x0 , входящее в приведенную
формулу?
Задачи для самостоятельной работы
Вычислить приближённое значение n a , заменив в точке x  x0
приращение функции y  n x ее дифференциалом.
Таблица 3.1
Номер варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
n
3
4
5
6
7
3
4
5
6
7
a
502
267
234
685
142
349
605
255
773
156
x0
512
256
243
729
128
343
625
243
729
128
4. Исследование функций и построение их графиков
Если функция одной переменной задана в виде формулы
y  f ( x ) , то областью ее определения называют такое множество значений
аргумента x , на котором определены значения функции.
Пример 4.1. Значение функции y  x  4 определены только для неотрицательных значений подкоренного выражения: x  4  0 . Отсюда областью определения функции является полуинтервал [4;  ).
Пример 4.2. Функция y 
1
( x  3 )( x  4)( x  5)
не определена при таких
значениях аргумента x , когда либо знаменатель равен нулю
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
( x  3, x  4, x  5 ), либо подкоренное выражение отрицательно ( x <3). Тогда
областью определения служит множество, являющееся объединением интервалов (3;4)  (4;5)  (5;  ).
Пример 4.3. Функция y  arcsin x определена только на отрезке [-1;1],
так как значение тригонометрической функции sin y удовлетворяют неравенству: -1  sin y  1.
Функция y  f ( x ) называется четной, если для любых значений x из
области ее определения выполняется равенство
f ( x )  f ( x ) ,
и нечетной, если справедливо другое соотношение: f (  x )   f ( x ) . В других случаях функцию называют функцией общего вида.
Пример 4.4. Пусть y  f ( x )  x 2 . Проверим:
f (  x )  (  x )2  x 2  f ( x ) . Таким образом, эта функция является четной.
Для функции y  f ( x )  x 3 верно f (  x )  (  x )3   x 3   f ( x ) . Отсюда эта функция является нечетной.
Сумма предыдущих функций y  f ( x )  x 2  x 3 является функцией
общего вида, так как функция f (  x )  (  x )2  (  x )3  x 2  x 3 не равна
f ( x ) и  f ( x ).
Асимптотой графика функции y  f ( x ) называется прямая, обладающая тем свойством, что расстояние от точки ( x ; f ( x ) ) плоскости до этой
прямой стремится к нулю при неограниченном удалении точки графика от
начала координат. Различают вертикальные (рис. 4.1), горизонтальные (рис.
4.2) и наклонные (рис. 4.3) асимптоты.
y
y

2
2
x

Рис. 4.1. График y 
1
x2

2
Рис. 4.2. График y  arctgx
y
x
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.3. График y  3 x 3  3x 2
Вертикальные асимптоты функции следует искать либо в точках разрыва второго рода (хотя бы один из односторонних пределов функции в точке бесконечен или не существует), либо на концах ее области определения
a, b , если a, b – конечные числа.
Если функция y  f ( x ) определена на всей числовой оси и существует
конечный предел lim f ( x )  b , либо lim f ( x )  a , то прямая, задаваемая
x
x 
уравнением y  b , является правосторонней горизонтальной асимптотой, а
прямая y  a - левосторонней горизонтальной асимптотой.
Если существуют конечные пределы
f(x)
lim
 k и lim ( f ( x )  kx )  b ,
x 
x x
то прямая y  kx  b является наклонной асимптотой графика функции.
Наклонная асимптота также может быть правосторонней ( x   ) или левосторонней ( x   ).
Функция y  f ( x ) называется возрастающей на множестве X , если
для любых x1 , x 2  X , таких, что x 2 > x1 , выполняется неравенство: f ( x 2 )
> f ( x1 ) (убывающей, если при этом: f ( x 2 ) < f ( x1 ) ). Множество X в этом
случае называют интервалом монотонности функции.
Справедливо следующее достаточное условие монотонности функции: если
производная дифференцируемой функции внутри множества X положительна (отрицательна), то функция возрастает (убывает) на этом множестве.
Пример 4.5. Дана функция y  x 2  6 x  5 . Найти ее интервалы возрастания и убывания.
Решение. Найдем ее производную y   2 x  6 . Очевидно, что y  >0 при
x >3 и y  <0 при x <3. Отсюда функция убывает на интервале (   ;3 ) и
возрастает на (3;  ).
Точка x 0 называется точкой локального максимума (минимума) функции y  f ( x ) , если в некоторой окрестности точки x 0 выполняется неравенство f ( x )  f ( x0 ) ( f ( x )  f ( x0 ) ). Значение функции в точке x 0 называется
максимумом (минимумом). Максимум и минимум функции объединяются
общим названием экстремум функции.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для того чтобы функция y  f ( x ) имела экстремум в точке x 0 необходимо, чтобы ее производная в этой точке равнялась нулю ( f ( x0 )  0 ) или
не существовала.
Точки, в которых производная функции равна нулю, называются стационарными точками функции. В стационарной точке не обязательно должен
быть экстремум функции. Для нахождения экстремумов требуется дополнительно исследовать стационарные точки функции, например, путем использования достаточных условий экстремума.
Первое из них заключается в том, что если при переходе через стационарную точку x 0 слева направо производная дифференцируемой функции
меняет знак с плюса на минус, то в точке достигается локальный максимум.
Если знак изменяется с минуса на плюс, то это точка минимума функции.
Если же изменение знака производной при переходе через исследуемую точку не происходит, то в данной точке экстремума нет.
Второе достаточное условие экстремума функции в стационарной
точке использует вторую производную функции: если f ( x0 ) <0, то x 0 является точкой максимума, а если f ( x0 ) >0, то x 0 - точка минимума. При
f ( x0 ) =0 вопрос о типе экстремума остается открытым.
Функция y  f ( x ) называется выпуклой (вогнутой) на множестве
X , если для любых двух значений x1 , x 2  X выполняется неравенство:
f ( x1 )  f ( x2 )
x x
f ( x1 )  f ( x 2 )
x  x2
 f( 1 2 )
.
f( 1
)
2
2
2
2
y
 x  x2 
f 1

 2 
f ( x1 )  f ( x 2 )
2
y  f(x)
x1
x1  x 2
2
x
x2
Рис.4.4. График выпуклой функции
Если вторая производная дважды дифференцируемой функции
y  f ( x ) положительна (отрицательна) внутри множества X , то функция
вогнута (выпукла) на множестве X .
Точкой перегиба графика непрерывной функции y  f ( x ) называется
точка, разделяющие интервалы, в которых функция выпукла и вогнута.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вторая производная f ( x ) дважды дифференцируемой функции в точке перегиба x0 равна нулю, то есть f ( x0 ) = 0.
Если вторая производная при переходе через некоторую точку x0 меняет свой знак, то x0 является точка перегиба ее графика.
При исследовании функции и построении ее графика рекомендуется использовать следующую схему:
1. Найти область определения функции.
2. Исследовать функции на четность – нечетность (если функция четная
или нечетная, то график достаточно исследовать только для положительных значений x , а для x <0 график симметричен относительно оси
y в случае четности функции и симметричен относительно начала координат – для нечетной функции).
3. Найти вертикальные асимптоты.
4. Исследовать поведение функции в бесконечности, найти горизонтальные и наклонные асимптоты.
5. Найти интервалы возрастания и убывания функции и точки экстремума.
6. Найти интервалы выпуклости и вогнутости функции и точки перегиба.
7. Найти точки пересечения функции с осями координат.
1
Пример 4.6. Исследовать функцию y  f ( x )  ( 2 x 3  8x 2  10 x  4 )
5
и построить ее график.
Решение. 1.Функция представляет многочлен 3-й степени, поэтому она
определена и непрерывна для всех x  ( ;  ) .
2. Найдем значение функции при значении аргумента (- x ):
1 1
f (  x )  ( 2(  x )3  8(  x ) 2  10(  x )  4 )  ( 2 x 3  8x 2  10 x  4 )  f ( x ) ,
5 5
а также f (  x )   f ( x ) .
Таким образом, исследуемая функция является функцией общего вида
и ее требуется исследовать на всей числовой оси.
3. Функция непрерывна на всей числовой оси, точек разрыва второго рода
не имеет, следовательно, у нее вертикальные асимптоты отсутствуют.
4. Рассмотрим поведение функции в бесконечности.
Найдем пределы:
1
1
1
lim f ( x )  lim ( 2 x 3  8x 2  10 x  4 )  lim ( x 2 ( 2 x  8 )  10 x  4 )      ;
x
x 5
x 5
5
1
1
lim f ( x )  lim ( 2 x 3  8 x 2  10 x  4 )  lim ( x 2 ( 2 x  8 )  10 x  4 ) 
x  
x   5
x  5
1
  (  )  (  )  12  .
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Так как пределы не являются конечными, то горизонтальных асимптот у
функции нет.
Далее проверим наличие у функции наклонных асимптот. Вычислим
предел:
f(x)
1
4
1
4
 lim ( 2 x 2  8x  10  )  lim ( x( 2 x  8 )  10  )   .
x x
x 5
x 5
x
x
Поскольку предел не является конечными, то наклонные асимптоты
также отсутствуют. Если бы предел являлся конечным и равнялся k, то требовалось найти другой предел
lim ( f ( x )  kx ) .
lim
x 
В случае, когда он также конечен (равен числу b), устанавливается
наличие наклонной асимптоты, задаваемой уравнением y  kx  b .
Для определения интервалов монотонности функции найдем ее производную:
1
y   ( 6 x 2  16 x  10 ) .
5
Производная также определена и непрерывна на всей числовой оси.
Отсюда критическими точками могут быть только те, в которых производная
равна нулю.
Для нахождения стационарных точек функции приравниваем производную нулю:
1
( 6 x 2  16 x  10 )  0
5
и решаем квадратное уравнение:
D  16 2 4  6  10 = 256 240 = 4,
16  4
16  4 20 10 5
2
1
x2 

   1 , x1 
12
12
12 6 3
3
6
5

y    x  1 x   =0.
Теперь можно записать:
5
3

5
В итоге функция имеет две стационарные точки x1  1, x2  .
3
Используя метод интервалов, найдем интервалы знакопостоянства
производной функции.
1
_
Рис.4.5
5/3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При x <1 и x >5/3 производная f  x  >0, т.е. интервалы  ;1  и
5 
 ;   являются интервалами возрастания функции.
3 
 5
При 1< x <5/3 имеем f  x  <0 и интервалом убывания является 1;  .
 3
Поскольку при x <1 знак f  x  >0, а при x >1 f  x  <0, то стационарная точка x = 1 является точкой максимума функции.
5
В другой стационарной точке x = имеем f  x  <0 слева от нее и f  x  >0
3
5
справа. Следовательно, в точке x = функция имеет локальный минимум.
3
5. Для нахождения интервалов выпуклости вычислим вторую производную функции
1
y   12 x  16 .
5
Вторая производная также определена на всей числовой оси и точки,
где она не существует, отсутствуют.
Приравнивая вторую производную к нулю:
1
12 x  16 = 0,
5
16 4
находим точку x 3 =
 , которая может быть точкой перегиба.
12 3
4 
1

Если x <4/3, то y   12 x  16 <0 и на интервале   ;  функция во3 
5

4 
гнута. При x >4/3 y  >0 и интервал  ;   является интервалом выпуклости
3 
функции.
4
В итоге, поскольку при переходе точки x  производная меняет знак,
3
4
то x 
является точкой перегиба функции.
3
6. Определим точки пересечения функции с координатными осями. Полагая аргумент x =0, находим точку пересечения графика функции с осью
1
4
ординат y : f ( 0 ) 
 .
5( 4 )
5
1
Записывая уравнение y  ( 2 x 3  8x 2  10 x  4 )  0 ,
5
найдем точки пересечения графика с осью абсцисс. Методом перебора из
делителей свободного члена (равного 4) определяем, что x =2 является кор-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нем этого уравнения. Разделим многочлен левой части уравнения на линейный бином ( x  2 ):
2 x 3  8 x 2  10 x  4
x2
3
2
2x 2  4x  2
2x  4x
 4 x 2  10 x
 4x 2  8x
2x  4
2x  4
0
.
Отсюда уравнение можно записать в виде
1
( x  2 )( 2 x 2  4 x  2 )  0 .
5
Решением квадратного уравнения 2 x 2  4 x  2  0 является x =1
(кратный корень, поэтому график функции касается в точке x =1 координатной оси).
Для удобства построения графика функции полученные результаты
запишем в следующую таблицу.
Таблица 4.1
Интервал из- Значения Знак или значеменения или функции
ние
Фрагмент граВыводы
y
значение арфика функции
y
y 
гумента x
Функция воз(-  ;1)
+
растает и выпукла
x =1
4
)
3
4
x=
3
4 5
( ; )
3 3
5
x=
3
5
( ; )
3
0
(1;
-
4
5
0
-
-
-
-
0
-
+
0
+
+
+
y
Точка максимума
Убывает и
выпукла
Точка перегиба графика
Убывает и вогнута
Точка минимума
Возрастает и
вогнута
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
y  f(x)
1
0
5/3
x
2
-4/135
-58/135
Рис. 4.6. График исследуемой функции
Вопросы для самопроверки
1. Что называют асимптотой графика функции?
2. Что такое локальный экстремум функции?
3. Сформулируйте необходимое и достаточное условие локального экстремума.
4. Дайте определение выпуклой функции.
5. Какую точку графика называют точкой перегиба?
Задачи для самостоятельной работы
Исследовать и построить график функций:
Таблица 4.2
Номер
варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Исследуемая функция
f(x)=(х3-14х2+49х-36)/3
f(x)=(х3-25х2+143х-119)/10
f(x)= х3-10х2+20х-8
f(x)=(х3-16х2+69х+86)/6
f(x)=(х3-29х2+215х-187)/2
f(x)= х3-12х2 -26х+4
f(x)=(х3-8х2+5х+30)/4
f(x)=(х3-19х2+25х+18)/5
f(x)= х3-3х2-20х-6
f(x)=(х3-10х2+17х-2)/2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Неопределенный интеграл
Функция F ( x) называется первообразной функцией для функции f ( x ) ,
заданной на интервале  a , b  , если в каждой точке этого интервала функция
F ( x ) дифференцируема и имеет производную F ( x) , равную f ( x ) , т.е.
F ( x)  f ( x).
Отсюда следует, что если F ( x) - первообразная для функции f ( x ) ,то
выражение вида F ( x)  C , где C - произвольное число, также является первообразной для f ( x ) .
Совокупность всех первообразных функций для данной функции
f ( x ) на интервале  a , b  называется неопределенным интегралом от функции
и обозначается символом  f ( x )dx , где  - знак интеграла, f ( x ) подынтегральная функция, f ( x)dx - подынтегральное выражение.
Если F ( x) - одна из первообразных для f ( x ) на интервале  a , b  , то
 f ( x)dx  F ( x)  C ,
где C - произвольная постоянная.
f ( x)
Операция нахождения неопределенного интеграла от некоторой функции называется интегрированием этой функции. Отметим основные свойства неопределенного интеграла.
1.
Производная от неопределенного интеграла равна подынтегральной

2.
3.


функции, т.е.  f ( x)dx  f ( x).
Неопределенный интеграл от дифференциала некоторой функции равен этой функции с точностью до постоянного слагаемого, т.е.
 dF ( x)  F ( x)  C .
Постоянный множитель можно выносить за знак интеграла
 Cf ( x)dx  C  f ( x)dx.
4.
Интеграл от алгебраической суммы двух функций равен такой же сумме интегралов от этих функций в отдельности
  f ( x)  g( x)dx   f ( x)dx   g( x)dx.
Основу вычислительного аппарата интегрального исчисления состав-
ляет
таблица неопределенных интегралов от основных элементарных функций,
приводимая ниже.
Таблица 5.1
№ Подынт. Неопределенный
п/п функция
интеграл
1
0
C
2
1
xC
n1
n
3
x / (n  1)  C
x
№ Подынт.
п/п функция
8
cos x
9
1 / cos2 x
10
1 / sin 2 x
Неопределенный
интеграл
sin x  C
tgx  C
- ctgx  C
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
1/ x
ln x  C
11
5
ax
a x / ln a  C
12
6
ex
ex  C
13
7
sin x
 cosx  C
14
x
C
a
1
x
arctg  C
a
a
1
xa
ln
C
2a x  a
1
a x
1
2
a  x2
1
2
x  a2
1
2
arcsin
2
x a
2
ln x  x 2  a  C
Пример 5.1. Найти интеграл  xdx.
Решение. Воспользуемся табличным интегралом от степенной функ3
1
3
ции (п.3 в таблице 7) для n  :
сти

3
1
1
1
3 4
1
xdx   x 3 dx  x 3 / (  1)  C  x 3  C.
3
4
Проверим правильность вычисления дифференцированием правой ча

4
 3 43
  3 43 
 4 3 3 _1


 x  C   x   C   x  0  3 x .
4
 4 
3 4
Получена подынтегральная функция, что говорит о правильном нахождении неопределенного интеграла.
При вычислении неопределенных интегралов приведенную таблицу дополняют специальными приемами и методами интегрирования, два из которых рассмотрены ниже.
Интегрирование заменой переменной (подстановкой)
Замена переменной – один из самых эффективных приемов интегрирования, который основывается на следующем.
Пусть требуется найти  f ( x)dx. В ряде случаев удается выбрать в качестве новой переменной такую дифференцируемую функцию t   ( x) , что
имеет место равенство f ( x)  g ( x)   ( x) , причем функция g(t ) легко инте-
 g(t )dt  G(t )  C.
 f ( x)dx   g ( x) ( x)dx   g(t )dt  G(t )  C.
грируется, т.е.
Тогда
Удачная замена переменной позволяет упростить исходный интеграл и
в ряде случаев свести его к табличному интегралу.
x 2 dx
.
Пример 5.2. Найти 
1 x6
Решение. Положим t  x 3 . Тогда dt  d ( x 3 )  3x 2 dx . Умножим и разде-
лим исходный интеграл на число 3 и выполним следующие преобразования
x 2 dx 1 3x 2 dx
1 d(x3 )
1
dt


 1  x 6 3  1   x 3 2 3  1  (x 3 )2  3  1  t 2
Полученный интеграл относится к табличным и, следовательно,
x 2 dx 1
dt
1
1
 1  x 6  3  1  t 2  3 arctg(t )  C  3 arctg( x 3 )  C.
Сделаем проверку дифференцированием :
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1

 arctgx 3  C
3


x
3 
1
1 x  x
3x 2
x2
3 
.
 arctgx  x  


3
3 1   x 3  2 31  x 6  1  x 6
Полученная производная совпадает с подынтегральной функцией исходного
интеграла, что говорит о правильности вычислений.
Пример 5.3. Вычислить
dx
 cos x .
Решение. Чтобы выявить замену, посредством которой может быть вычислен этот интеграл, преобразуем его к виду
cos x  dx
cos x  dx

.
2
cos x
1  sin 2 x
Если положить t  sin x , тогда dt  cos x  dx и в результате получим
dx
dt
1 1 t
1 1  sin x
 cos x   1  t 2  2 ln 1  t  C  2 ln 1  sin x  C.
dx
 cos x  
Интегрирование по частям
Пусть функции u( x ), v( x ) дифференцируемы и существует первообразная для функции u ( x)v( x). Тогда существует первообразная и для функции u( x)v ( x), причем справедлива формула
 u( x)v ( x)dx  u( x)v( x)   u ( x)v( x)dx ,
называемая формулой интегрирования по частям.
Пример 5.4. Найти  xe x dx.
Решение. Положим u  x , dv  e x dx. Тогда
du  dx , v   e x dx  e x  C .
Произвольную постоянную C в этих случаях исключают и записывают
v  e x . Теперь, применяя формулу интегрирования по частям, получим
 xe dx  xe   e dx  xe
x
x
x
x
 e x  C.
Иногда формулу интегрирования по частям приходится применять неоднократно.
Пример 5.5. Вычислить  x 2 sin xdx.
Решение. Полагая u  x 2 , dv  sin xdx , имеем du  2xdx ,
v   sin xdx   cos x .
Применяя формулу интегрирования по частям, получим:
2
2
 x sin xdx   x cos x   (  cos x )2 xdx   x cos x  2 x cos xdx.
Степень переменной x в подынтегральном выражении уменьшилась
на единицу. Повторим приём интегрирования по частям. Положим
2
u  x, dv  cos xdx.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отсюда du  dx, v   cos xdx  sin x.
1.
2.
3.
4.
5.
Тогда  x 2 sin xdx   x 2 cos x  2( x sin x   sin xdx)   x 2 cos x  2 x sin x + 2cos x  C.
Вопросы для самоконтроля
Дайте определение первообразной функции.
Что называют неопределенным интегралом?
Перечислите основные свойства неопределенного интеграла.
В чем суть приема, называемого заменой переменной?
На чем основан метод интегрирования по частям?
Задачи для самостоятельной работы
Найти неопределенные интегралы, результаты проверить дифференцированием:
Таблица 5.2
Номер варианта
1

2

3
sin 2 x
xdx
2  x2
sin 3xdx
 7  5 cos3x ;
3
x
3
 e x dx;
4
4
ln 2 x
 x dx;
dx
 3 2  5x ;
x 3 dx
 1 x4 ;
5
6
7
8
9
10
А)
cos xdx

5
x 2 dx
 4  3x 3 ;
x 2 dx
 1 x6 ;
4  5 sin 2 x cos2 xdx;
Б)
 ln xdx
 x cos xdx
2x
 xe
dx;
 x sin 4xdx;
xdx
;
2
x
 sin
 arctgxdx;
xdx
 cos
2
x
;
 arcsinxdx;
x

2
ln xdx;
ln xdx
.
x2
6. Определенный интеграл
Пусть функция y  f (x) определена на отрезке a, b . Разобьем отрезок
a, b на n элементарных отрезков точками x0  a  x1  x2  ...  xn  b . В каждом
из отрезков разбиения xi 1 , xi  выберем произвольную точку  i и положим
xi  xi  xi 1 , где i  1,2,...,n . Тогда сумма вида
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
n
 f ( )x
i
i 1
i
называется интегральной суммой для функции y  f (x) на отрезке a, b .
Пусть существует и конечен предел S интегральной суммы при стремлении к нулю длины максимального элементарного отрезка xi независимо
от способа разбиения отрезка a, b на части и выбора на них точек  i . Тогда
функция y  f (x) называется интегрируемой на a, b , а число S - определенным интегралом от f (x) на a, b и обозначается
b

f ( x)dx  lim
xi 0
a
n
 f ( )x
i
i 1
i
.
Основные свойства определенного интеграла:
1. Постоянная величина может быть вынесена за знак интеграла
b
b
a
a
 Cf ( x)dx  C  f ( x)dx .
2. Интеграл от алгебраической суммы функций равен алгебраической сумме
интегралов от этих функций
b
b
b
a
a
a
 ( f ( x)  g ( x))dx   f ( x)dx   g ( x)dx .
3. При перестановке пределов интеграл меняет знак на обратный
b
a
a
b
 f ( x)dx   f ( x)dx .
4. Интеграл с равными пределами равен нулю
a
 f ( x)dx  0 .
a
5. Если функция f (x) интегрируема в наибольшем из отрезков a, b, a, c, c, b ,
то справедливо равенство:
b

a
c
b
a
c
f ( x)dx   f ( x)dx   f ( x)dx .
6. Теорема о среднем для непрерывной функции f (x) на отрезке a, b
b
 f ( x)dx  f ( )(b  a) , где   a, b .
a
7. Формула Ньютона-Лейбница (основная формула интегрального исчисления)
b
b
 f ( x)dx  F (b)  F (a)  F ( x)
a
,
a
где F (x) - некоторая первообразная функции f (x) на отрезке a, b .
Определенный интеграл используют для вычисления площадей плоских фигур. Пусть на плоскости задана фигура, определяемая кривыми
y  f1 ( x), y  f 2 ( x)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
y  f 1 ( x)
y
S
b
a
Рис. 6.1
x
y  f 2 ( x)
и прямыми линиями x  a, x  b (рис.6.1).
Если f1 ( x)  f 2 ( x) на отрезке a, b , то площадь S фигуры, заключенная
между кривыми y  f1 ( x) и y  f 2 ( x) на этом отрезке определяется формулой
b
S    f1 ( x)  f 2 ( x) dx .
a
Понятие определенного интеграла используется также в экономике.
Пусть функция z  f (t ) описывает изменение производительности некоторого
производства во времени. Тогда объем продукции Q , произведенной за промежуток времени t1 ,t 2 , вычисляется с помощью определенного интеграла:
t2
Q   f (t )dt .
t1
2
Пример 6.1. Вычислить определенный интеграл  x 2 dx .
0
Решение. Подынтегральная функция является степенной и для неё
известна первообразная
x3
. Отсюда по формуле Ньютона-Лейбница
3
2
2
3
x
23 03 8
2


 .
x
dx
=
0
3
3
3 3
0
ln 2
Пример 6.2. Вычислить определенный интеграл
e
x
e x  1 dx .
0
Решение. Сделаем замену переменной t  e x  1 . Найдем пределы
интегрирования для переменной t : если x  0 , то t  e0  1  0 , если x  ln 2 , то
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
t  e ln 2  1  1 . Далее t 2  e x  1 , e x  t 2  1 , 2tdt  e x dx , dx 
грал преобразуется к виду:
ln 2
e
1
1
t3
2t
e  1 dx =  (t  1)t 2
dt = 2  t 2 dt  2
3
t 1
0
0
x
x
0
1

2
0
2tdt
. Искомый интеt 2 1
2 3
2
(1  0 3 )  .
3
3
Пример 6.3. Найти площадь фигуры, ограниченной линиями: y  x 2 ,
y  1 x2 .
Решение. Искомая фигура представлена на рис.6.2:
y
S
y  x2
y  1 x2
x
1
2
1
2
Рис.6.2
Найдем пределы интегрирования путем решения системы уравнений:
 y  x2 ,

2
 y  1 x .
Приравнивая правые части уравнений, получим x 2  1  x 2 . Отсюда
1
имеем x1, 2  
2
. Тогда искомая площадь вычисляется по формуле

1

2
2 

S   (1  x 2 )  x 2 dx   x  x 3 
3 

1 2
1/ 2

 1/ 2
1
2

1
3 2

1
2

1
3 2

4
3 2
.
Пример 6.4. Изменение производительности производства с течением времени от начала внедрения нового технологического процесса задается
функцией z  32  2 0,5t 5 , где t - время в месяцах. Найти объем продукции,
произведенной за третий месяц.
Решение. Объем продукции находим по формуле
3


Q   32  2 0,5t 5 dt  32(3  2) 
2
 32 
2 4 (2  2 )
 18,61.
ln 2
2
2
(2 0,535  2 0,525 )  32 
( 2 3, 5  2 4 ) 
ln 2
ln 2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вопросы для самоконтроля
1. Что называют интегральной суммой функции?
2. Дайте определение определенного интеграла.
3. Назовите основные свойства определенного интеграла.
4. Поясните основную формулу интегрального исчисления.
5. Назовите приложение определенного интеграла.
Задачи для самостоятельной работы
Найти площади фигур, ограниченные линиями:
Таблица 6.1
Номер
Уравнения линий
варианта
1
2
y  2  3x  x 2 , y  0
y
x, y  x2
3
y  3  2x  x 2 , y  x  1
4
y  x 2  3, xy  4, y  2, x  0
5
y  1  x, y  x  1
y  cos 2 x, y  0, x  0, x   / 4
6
y  x 2 , xy  1, x  3, y  0
7
8
y  0,5 x 2  2, x  2 y  4  0, y  0
9
y  4x  x 2 , y  0
10
y  x2 , y  1
7. Дифференциальные уравнения 1-го порядка
Дифференциальным уравнением (ДУ) называют уравнение, связывающее искомую функцию одной или нескольких переменных, эти переменные и
производные различных порядков данной функции.
В случае, когда искомая функция зависит от одной переменной, дифференциальное уравнение называется обыкновенным. В общем виде оно записывается:
G( x , y , y , y ,..., y ( n ) )  0 .
(1)
Порядок n старшей производной искомой функции, входящей в запись
уравнения (1), называется порядком дифференциального уравнения.
Решением уравнения называется такая функция y  f ( x ) , которая при
подстановке ее в уравнение (1) обращает его в тождество. Задача нахождения
решения ДУ называется задачей интегрирования данного ДУ, а график решения ДУ называется интегральной кривой.
Общим решением ДУ вида (1) n - го порядка называется функция
y  ( x , C1 , C 2 ,..., C n ) ,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где C1 , C 2 ,..., C n - произвольные постоянные.
Частным решением ДУ называется решение, получаемое из общего
решения при конкретных числовых значениях постоянных C1 , C 2 ,..., C n .
Дифференциальное уравнение 1-го порядка, разрешенное относительно
производной, записывается в виде
(2)
y   f ( x, y ) .
Его общим решением является функция одной произвольной постоянной
(3)
y  ( x , C ) .
Для получения однозначного решения требуется задать начальное условие, которое геометрически представляет собой задание точки плоскости, через которую проходит данная интегральная кривая. Например, оно может
быть записано в виде
y( 0 )  y 0 =const.
С использованием данного условия общее решение (3) запишется
y 0  ( 0 , C ) ,
что позволяет определить из полученного соотношения конкретное значение
постоянной C и тем самым получить некоторое частное решение уравнения
(2).
ДУ 1-го порядка называется уравнением с разделяющимися переменными, если оно может быть представлено в виде
dy
(4)
y 
 f ( x )g( y ) .
dx
Для нахождения общего решения такого уравнения его преобразовывают к виду, в котором дифференциал dx и функция f ( x ) окажутся в одной
части уравнения, а dy и g( y ) - в другой:
g ( y )dy  f ( x )dx .
(5)
Затем интегрируются обе части полученного равенства (с одной общей
постоянной)
 g( y )dy   f ( x )dx .
Пример 7.1. Найти общее решение следующего ДУ: xy   y  y 2 .
Решение. Сначала преобразуем уравнение к виду (4)
dy
1
 ( y 2  y)  ,
dx
x
а затем к виду (5):
dy
dx
.
y2  y x
Найдем интеграл от левой части. Для этого представим подынтегральную функцию в виде следующей суммы

1
1
A
B
A( y  1)  By

 

.
y  y y ( y  1) y y  1
y2  y
2
Приравнивая числители, получаем
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
A( y  1)  By  1 .
Найдем из последнего равенства A и B , последовательно положив в
нем y =0 и y =-1:
При y =0 имеем A =1, а при y = -1 получаем B =-1.
Отсюда
y
dy
dy
dy


 ln y  ln y  1 .
y
y 1
y
2
dx
является табличным и равен ln x .
x
Произвольную постоянную удобнее представить в виде ln C .
Тогда
ln y  ln y  1  ln x  ln C .
Отсюда
Интеграл от правой части

ln(
или
y
)  ln( xC )
y 1
y  xC ( y  1) .
Разрешая относительно y , окончательно получаем общее решение
уравнения
y
xC
.
1  xC
Дифференциальное уравнение 1-го порядка называется линейным, если
оно имеет вид
y   f ( x ) y  g( x ) .
(6)
Если g ( x )  0, то уравнение (6) называют однородным, в противном
случае – неоднородным.
Один из вариантов решения уравнения (6) сводится к представлению
решения в виде произведения двух функций
y  u( x )  v( x ) ,
(7)
одна из которых является произвольной, а другая определяется из уравнения
(6).
Так как
y   u v  uv  ,
(8)
то, подставляя (7) и (8) в уравнение (6), получим:
vu   u( v   f ( x )v  g ( x ) .
(9)
Полагая функцию v  v( x ) произвольной, найдем ее из условия равенства нулю выражения в круглых скобках уравнения (9), т.е. как частное решение уравнения:
v   f ( x )v  0 ,
которое является уравнением с разделяющимся переменным.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тогда при найденной функции v  v( x ) ) можно определить функцию
u  u( x ) из оставшейся упрощенной (из-за равенства нулю выражение в
круглой скобке) части уравнения (9):
vu   g ( x ) .
Это уравнение, в свою очередь, также является дифференциальным уравнением с разделяющимися переменными. Найденные функции v  v( x ) и
u  u( x ) определяют общее решение y  uv исходного дифференциального
уравнения.
Пример 7.2. Найти общее и частное решение уравнения xy   y  2x 2 с
начальным условием y(1)  1 .
Решение. Разделим левую и правую часть на переменную x :
y 
1
y  2x .
x
Получили линейное неоднородное уравнение.
Пусть y  uv , тогда y   u v  uv  и исходное уравнение примет вид:
1
u v  uv   uv  2 x
x
1
x
или u v  u(v  v)  2 x .
Потребуем:
(10)
v
dv v
 0 , т.е.
 .
x
dx x
Отсюда, разделяя переменные
dv dx

v
x
и проинтегрировав
dv
dx

 ,
v
x
получим общее решение
ln v  ln x  C
и частное (например, положив C = 0)
ln v  ln x или v  x .
v
При v  x и v    0 уравнение (10) примет вид:
x
v 
ux  2x или
du
 2.
dx
Отсюда du  2dx .
Интегрируя это уравнение, получим:
u  2x  C
Окончательно получаем общее решение исходного уравнения:
y  uv  (2 x  С ) x  2 x 2  Сx .
Воспользуемся начальным условием для нахождения требуемого частного решения:
y(1)  2  1  C  1  1 .
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отсюда C  1 и искомое частное решение имеет вид y  2 x 2  x .
Пример 7.3. Найти функцию спроса y  f ( p) от цены на товар p , если коэффициент эластичности E p ( y )  2  const , а y (3)  1 6 .
Решение. По определению коэффициента эластичности
p dy
 2 .
y dp
Имеем дифференциальное уравнение с разделяющими переменными
dy
2dp
.

y
p
Интегрируя обе части уравнения, получаем общее решение y  Cp 2 .
Учитывая начальное условие y (3)  1 6 , записываем 1 6  C  3 2 , откуда C  3 2 .
Окончательно записываем решение задачи
y  1,5 p 2 .
Вопросы для самопроверки
1. Дайте определения дифференциального уравнения и его решения.
2. Что называют общим и частным решением дифференциального уравнения?
3. Какое ДУ называют уравнением с разделяющимися переменными?
4. Какое ДУ 1-го порядка называют линейным?
5. Опишите общую схему метода решения линейного ДУ 1-го порядка.
Задачи для самостоятельной работы
Найти общее и частное решения дифференциального уравнения первого
порядка, используя заданные начальные условия.
Таблица 7.1.
Номер
Дифференциальное уравнение
Начальные условия
варианта
y (0)  0
y  y  x
1
2
3
4
5
xy   y  x 3
y (1)  0
y  y  x  2
y(0)  0
y  2xy  2xe  x
3
y   y  x 3e x
x
y(0)  5
2
6
xy   y  x 3
7
y  2
8
9
10
y (1)  e
y(1)  0,5
y 6

x x2
y(1)  2
xy   y  x ln x
y (1)  1
y  2xy  2x 2 e  x
y   ytgx  2 x cos x
y(0)  0
2
y(0)  0
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Правила выполнения и оформления контрольной работы
1.
Выбор вариантов осуществляется в соответствии с последней цифрой
учебного шифра студента (например, если последняя цифра «3», то выполняется вариант номер 3, если - «0», то - вариант номер 10).
2.
Контрольная работа пишется чернилами любого цвета (кроме красного) в тетради, для замечаний рецензента оставляются поля. На обложке тетради указывают фамилию, имя, отчество студента, номер студенческой группы, учебный шифр (серия и номер зачетной книжки), название кафедры,
наименование дисциплины и номер контрольной работы, а также домашний
адрес.
3.
Решение задач следует располагать в порядке следования номеров, указанных в задании, сохраняя номера задач. Условия задач выписывать обязательно. Если несколько задач имеют общую формулировку, то при переписывании общие условия заменяют конкретными данными.
4.
Решения задач требуется оформлять аккуратно, подробно объясняя все
действия и используемые формулы. В конце работы приводится список использованной литературы, указывается дата выполнения работы и ставится
подпись исполнителя.
Литература
1. Высшая математика для экономистов. Под ред. Н. Ш. Кремера. М.:
Банки и биржи, 1997.
2. Кузнецов Б.Т. Математика: Учебник.-2-е изд. перераб. и доп. – М.:
ЮНИТИ-ДАНА, 2004.
3. Практикум по высшей математике для экономистов: Учебное пособие / Под ред. Н.Ш. Кремера.- М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2005.
4. Сборник задач по высшей математике для экономистов: Учебное
пособие / Под ред. В.И. Ермакова. - М.: ИНФА-М, 2005.
Оглавление
Введение
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Предел функции
2
2. Производная функции
7
3. Применение дифференциала в приближенных вычислениях
12
4. Исследование функций и построение их графиков
13
5. Неопределенный интеграл
21
6. Определенный интеграл
25
7. Дифференциальные уравнения 1-го порядка
28
Документ
Категория
Физико-математические науки
Просмотров
86
Размер файла
909 Кб
Теги
1415, математика
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа