Применение производной в различных задачах естествознания

Механическое истолкование производной было впервые дано И. Ньютоном. Оно заключается в следующем: скорость движения материальной точки в данный момент времени равна производной пути по времени, т.е. Таким образом, если закон движения материальной точки задан уравнением , то для нахождения мгновенной скорости точки в какой-нибудь определённый момент времени нужно найти производную и подставить в неё соответствующее значение t.

2. 3 Производная второго порядка и её механический смысл

Пусть материальная точка М движется прямолинейно по закону S=f(t). Как уже известно, производная S t равна скорости точки в данный момент времени: S't=V.

Покажем, что вторая производная от пути по времени есть величина, ускорения прямолинейного движения точки, т. е. S"=α.

Пусть в момент времени t скорость точки равна V, а в момент t+∆t — скорость равна V+∆V, т. е. за промежуток времени ∆t скорость изменилась на величину ∆V.

Отношение ∆V/∆t выражает среднее ускорение движения точки за время ∆t. Предел этого отношения при ∆t→0 называется ускорением точки М в данный момент t и обозначается буквой α:

Но V=S't. Поэтому α=(S't)', т. е. α=S't'

2. 4 Определение и геометрический смысл дифференциала

Определение 4. Главная часть приращения функции, линейная относительно приращения функции, линейная относительно приращения независимой переменой, называется дифференциалом функции и обозначается знаком d, т.е. .

Дифференциал функции геометрически изображается приращением ординаты касательной, проведённой в точке M (x; y) при данных значениях x и ∆x.

Вычисление дифференциала – .

Применение дифференциала в приближённых вычислениях – , приближённое значение приращения функции совпадает с её дифференциалом.

Теорема 1. Если дифференцируемая функция возрастает (убывает) в данном интервале, то производная этой функции не отрицательна (не положительна) в этом интервале.

Теорема 2. Если производная функция положительна (отрицательна) в не котором интервале, то функция в этом интервале монотонно возрастает (монотонно убывает).

Сформулируем теперь правило нахождения интервалов монотонности функции

1.                  Вычисляют производную данной функции.

2.                  Находят точки, в которых равна нулю или не существует. Эти точки называются критическими для функции

3.                  Найденными точками область определения функции разбивается на интервалы, на каждом из которых производная сохраняет свой знак. Эти интервалы являются интервалами монотонности.

4.                  Исследуют знак на каждом из найденных интервалов. Если на рассматриваемом интервале , то на этом интервале возрастает; если же , то на таком интервале убывает.

В зависимости от условий задачи правило нахождения интервалов монотонности может упрощаться.

Определение 5. Точка называется точкой максимума (минимума) функции , если имеет место неравенство соответственно для любого x из не которой окрестности точки .

Если – точка максимума (минимума) функции , то говорят, что (минимум) в точке . Максимум и минимум функции объединяют название экстремум функции, а точки максимума и минимума называют точками экстремума (экстремальными точками).

Теорема 3. (необходимый признак экстремума). Если является точкой экстремума функции и производная в этой точке существует, то она равна нулю: .

Теорема 4. (достаточный признак экстремума). Если производная при переходе x через a меняет знак, то a является точкой экстремума функции .

Основные моменты исследования производной:

1.                  Находят производную .

2.                  Находят все критические точки из области определения функции.

3.                  Устанавливают знаки производной функции при переходе через критические точки и выписывают точки экстремума.

4.                  Вычисляют значения функции в каждой экстремальной точке.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3. Примеры решения прикладных задач

1.      Исследование функций

Исследовать график функции

Решение.

1.                  Функция существует для всех .

2.                  Функция не является ни четной, ни нечетной,

так как

,

то есть и .

3.                  В точке х=0 функция имеет разрыв в точке х=0.

При этом

4.                  Находим производную: и приравниваем ее к нулю:

. Точка будет критической.

Проверим достаточные условия экстремума в точке . Так как знаменатель производной всегда положителен, то достаточно проследить за знаком числителя. Получаем: при и при . Следовательно, в точке функция имеет минимум, ее значение в точке .

5.                  Точек пересечения с осью ОY нет, так как данная функция не определена при х=0. Чтобы найти точки пересечения кривой с осью ОХ, нужно решить уравнение .

Тогда или .

Получим, что при функция убывает; х= y=0; функция убывает; при функция убывает; при х= функция имеет минимум y=3; при функция возрастает.

2. Нахождение наибольшего и наименьшего значения функции, решение прикладных задач.

Пример 1

Из бревна, имеющего радиус R, сделать балку наибольшей прочности.

Решение:

Составляем функцию, выражающую необходимое условие.

В данной задаче высота балки (представляющей собой прямоугольник, вписанный в окружность радиуса R и ширины х), равна . Поэтому прочность такой балки равна . При этом х изменяется от 0 до 2R.

Функция обращается в нуль при х=0 и х=2R и положительна между этими значениями. Значит она имеет максимум, лежащий между 0 и 2R. Но производная этой функции обращается в нуль на отрезке лишь при . Это и есть оптимальное значение ширины b балки. Высота h балки такой ширины равна и отношение равно . Именно такое отношение высоты вытесываемой балки к ее ширине предписывается правилами производства строительных работ.

Пример 2

Требуется построить открытый цилиндрический резервуар вместимостью . Материал имеет толщину d. Какими должны быть размеры резервуара (радиус основания и высота), чтобы расход материала был наименьшим?

Решение.

Радиус основания внутреннего цилиндра обозначим через х, высоту внутреннего цилиндра через h. Объем дна и стенки резервуара

С другой стороны, по условию , откуда

Подставляя в (*), находим

Полученную функцию нужно исследовать на экстремум при х>0:

Единственный положительный корень производной – это точка Она и дает решение задачи. При этом

3. Определение периода функции

Пример

Является ли периодической функция ?

Решение

Воспользуемся следующим утверждением: если дифференцируемая в каждой точке числовой прямой функция имеет период Т, то ее производная также имеет период Т.

Предположим, что данная функция является периодической с периодом Т. Применяя формулу

,

получаем

где .

Имеем

Поскольку по предположению функция имеет период Т, то функция , а следовательно, и функция также имеют период Т.

Значит, и функция

Также имеет период Т. Отсюда следует, что существует число , , такое, что Т=. Аналогично показывается, что существует число , такое, что Т=.

Но тогда

т.е. число является рациональным, что неверно. Следовательно данная функция НЕ является периодической.

4. Нахождение приближенных значений функции

Пример

Найти приращение и дифференциал функции в точке х=2 при и при . Найдите абсолютную и относительные погрешности, которые мы допускаем при замене приращения функции ее дифференциалом.

Решение

При х=2 и имеем

Абсолютная погрешность

Относительная погрешность то есть относительная погрешность будет около 4%.

При х=2 и имеем

Абсолютная погрешность а относительная погрешность то есть относительная погрешность будет уже около 0,4%.

5. Решение физических задач, связанных с нахождением скорости, ускорения и т.д.

Пример 1

Дано уравнение прямолинейного движения тела: , где S- путь, пройденный телом, м; t- время, с. Найдите скорость тела в момент времени t=1 c.

Решение.

Скорость это производная пути по времени. Значит:

Подставив значение времени получим:

Пример 2

Точка движется по закону . Найти скорость и ускорение через 2 с после начала движения (движение считать прямолинейным).

Решение.

Скорость это производная пути по времени. Значит: .

Подставив значение времени получим

Пример 3

Тело движется прямолинейно по закону Найти его кинетическую энергию через 5 с после начала движения, если масса тела 3 кг.

Решение.

Формула нахождения кинетической энергии: .

Найдем скорость тела. , .

Кинетическая энергия тела составит: .

6. Решение экономических задач

Пример 1

Выбрать оптимальный объем производства фирмой, функция прибыли которой может быть смоделирована зависимостью:

π(q) = R(q) - C(q) = q2 - 8q + 10

Решение:

π'(q) = R'(q) - C'(q) = 2q - 8 = 0 → qextr = 4

При q < qextr = 4 → π'(q) < 0 и прибыль убывает

При q > qextr = 4 → π'(q) > 0 и прибыль возрастает

При q = 4 прибыль принимает минимальное значение.

Каким же будет оптимальный объем выпуска для фирмы? Если фирма не может производить за рассматриваемый период больше 8 единиц продукции (p(q = 8) = p(q = 0) = 10), то оптимальным решением будет вообще ничего не производить, а получать доход от сдачи в аренду помещений и / или оборудования. Если же фирма способна производить больше 8 единиц, то оптимальным для фирмы будет выпуск на пределе своих производственных мощностей.

Пример 2

Кривая спроса задана выражением , где - объем продаж; - цена товара в условных единицах. Объем продаж составляет 10 000. Определите, каким должно быть изменение цены товара, чтобы объем продаж возрос на 1%.

Решение.

Определим цену , соответствующую объему продаж

Для оценки изменения цены товара воспользуемся формулой приближенных вычислений По условию задачи составляет 1% от 10000 или 10000/100=100. Найдем значение

Тогда Таким образом, для увеличения объема продаж на 1% цена товара должна быть снижена приблизительно на 0,105 у.е.

7. Разложение функций в ряд с помощью формулы Тейлора

1) Пусть функция f(x) имеет в точке х = а и некоторой ее окрестности производные порядка до (n+1) включительно.(Т.е. и все предыдущие до порядка n функции и их производные непрерывны и дифференцируемы в этой окрестности).

2) Пусть х- любое значение из этой окрестности, но х  а.

Тогда между точками х и а найдется такая точка , что справедлива формула:

-     это выражение называется формулой Тейлора, а выражение:

называется остаточным членом в форме Лагранжа.

При получаем формулу Маклорена:

где ,