Вакульчик В.С. Учебно-методический комплекс по высшей математике для студентов технических специальностей
Подождите немного. Документ загружается.
271
13)
2
2
arcsin
1
x
y
x
=
+
,
0
0
x
=
. Ответ:
2
dx
;
14) lnsin 2
4
y x
π
= +
,
0
0
x
=
. Ответ:
2
dx
;
15)
tg
x
y e= ,
0
4
x
π
=
. Ответ:
e dx
.
Уровень II
Найти дифференциал dy в точке
(
)
0
1;1
M функции, заданной неявно:
1)
3 3 2 2
5 6 1 0
x y x y y
+ + − − =
;
2)
2 3 2
2 3 2 2 0
x xy y y
+ − − + =
;
3)
3 2 2 3
3 3 0
x x y y x
+ − − =
;
4)
2 4 2
2 1 0
x xy y y
− + − − =
;
5)
3 2 2
4 2 0
y xy x y
− + + =
;
6)
3 3 2
2 2 0
x xy y x
− − + =
;
7)
2 3 2
3 4 6 0
y xy x y
− − + =
;
8)
3 2
2 6 3 0
y x y y x
− + + =
;
9)
2 3 2
5 4 0
x xy y x
− − + + =
;
10)
3 2 2
2 2 0
y xy x y
− + − =
;
11)
3 2 3
5 4 2 0
x x y y y
− + − =
;
12)
2 2 2
2 4 5 0
y x xy
− − + =
;
13)
3 3 2
2 3 1 0
x x y xy
− − + + =
;
14)
2 3
3 5 0
x xy xy y
− + + =
;
15)
3 3 2 2
3 4 0
y x x y xy
− − + + =
;
16)
4 4 3 3
3 2 0
x y x y xy x
+ − − + =
.
Уровень III
Найти дифференциал dy в точке
(
)
0
4; 2
M функции, заданной неявно
2
1
2 0
x
y
xe y
−
− =
.
3. Применение дифференциала в приближенных вычислениях
(
)
0
y dy x
∆ = + ∆
⇒
⇒⇒
⇒
y dy
∆ ≈
при
1
x
∆
≪
⇓
(
)
(
)
(
)
0 0 0
y x x y x y x x
′
+∆ ≈ + ∆
y dy
δ = ∆ −
– абсолютная погрешность
100%
y dy
y
∆ −
ε = ⋅
∆
– относительная погрешность
272
Упражнение. Точка движется прямолинейно по закону
(
)
arctg
x t t
=
. Чему приближенно равен путь ∆S, пройденный точкой за
промежуток времени от
1
3
t
=
до
2
4
t
=
?
Обучающая задача. Найти приращение и дифференциал функции
2
y x x
= −
при
0
10
x
=
, если:
1
0
.
0,1
x
∆ =
; 2
0
.
0,01
x
∆ =
.
Вычислить абсолютную и относительную погрешности, обусловлен-
ные заменой приращения функции ее дифференциалом.
Решение: Вычисляем
y
∆
и dy:
( ) ( )
(
)
(
)
( )
2
2 2
2 1
y x x x x x x x x x
∆ = +∆ − + ∆ − − = − ∆ +∆
,
(
)
2 1
dy x x
= − ∆
.
По условию
0
10
x
=
, значит,
2
19
y x x
∆ = ⋅∆ +∆
,
19
dy x
= ∆
.
1
0
. При
0,1
x
∆ =
⇒
1,9 0,01 1,91
y
∆ = + =
,
1,9
dy
=
.
1,91 1,9 0,01
δ= − =
,
0,01
100% 0,5%
1,91
ε = ⋅ ≈ .
2
0
. При
0,01
x
∆ =
⇒
0,19 0,0001 0,1901
y
∆ = + =
,
0,19
dy
=
.
0,1901 0,19 0,0001
δ= − =
,
0,0001
100% 0,05%
0,19
ε = ⋅ ≈ .
Замечание. Очевидно, чем меньше выбрана
x
∆
, тем меньше по-
лучаются абсолютная и относительная погрешности.
Выполнить (самостоятельно, каждому свой вариант, два студен-
та у доски выполняют свои задания, по желанию третий уровень вы-
полняется у доски для получения оценки «10»).
Уровень II
Найти
y
∆
и dy функции
(
)
y y x
=
в точке
0
x
, если приращение ар-
гумента равно
x
∆
. Определить абсолютную и относительную погрешно-
сти, которые получаются при замене приращения функции ее дифферен-
циалом.
1)
2
5
y x x
= −
,
0
2
x
=
,
0,01
x
∆ =
;
273
2)
3
1
y x
= +
,
0
2
x
=
,
0,1
x
∆ =
;
3)
2
1
y x x
= + +
,
0
1
x
= −
,
0,01
x
∆ =
;
4)
2
2 1
y x
= +
,
0
2
x
=
,
0,01
x
∆ =
;
5)
3
y x x
= − +
,
0
1
x
=
,
0,1
x
∆ =
;
6)
2
2 1
y x x
= − + −
,
0
2
x
=
,
0,01
x
∆ =
;
7)
2
2 4
y x x
= − +
,
0
2
x
=
,
0,01
x
∆ =
;
8)
2
2 1
y x x
= + −
,
0
2
x
= −
,
0,01
x
∆ =
;
9)
2
5 1
y x x
= + −
,
0
1
x
= −
,
0,01
x
∆ =
;
10)
3
2
y x x
= +
,
0
1
x
=
,
0,1
x
∆ = −
;
11)
3
5
y x
= − +
,
0
2
x
=
,
0,1
x
∆ = −
;
12)
3
2 1
y x
= −
,
0
1
x
= −
,
0,1
x
∆ =
;
13)
2
3 1
y x x
= + −
,
0
1
x
=
,
0,01
x
∆ =
;
14)
3
2
y x x
= +
,
0
1
x
= −
,
0,1
x
∆ =
;
15)
2
1
y x x
= − −
,
0
1
x
=
,
0,1
x
∆ = −
.
Уровень III
1) С какой относительной погрешностью допустимо измерить ради-
ус шара, чтобы его объем можно было определить с точностью до 1 %?
2) Показать, что относительная погрешность в 1 % при определении
радиуса круга влечет за собой относительную погрешность приблизитель-
но 2 % при вычислении площади круга.
3) Период колебания маятника вычисляется по формуле 2
l
T
g
= π ,
где l – длина маятника, g = 980 м/c. Какое влияние на погрешность при
вычислении Т окажет погрешность в 1 % при измерении длины маятника?
Обучающая задача. Вычислить приближенно:
1
0
.
0,98
; 2
0
.
cos60 6
′
°
Решение: Воспользуемся приближенной формулой
(
)
(
)
(
)
0 0 0
y x x y x y x x
′
+ ∆ ≈ + ⋅∆
(*)
274
1
0
. В этом случае функция
(
)
y x
равна
x
и формула (*) запишется
следующим образом
0 0
0
1
2
x x x x
x
+∆ ≈ + ⋅∆
.
Теперь надо удачно выбрать
0
x
и
x
∆
, т.е. корень
0
x
должен точ-
но вычисляться и
x
∆
должно быть мало по сравнению с
0
x
.
Очевидно,
0
1
x
=
,
0,02
x
∆ = −
. Тогда
( )
1
0,98 1 0,02 0,99
2 1
≈ + ⋅ − = .
2
0
. Здесь
(
)
cos
y x x
=
,
0
60
3
x
π
= °=
, 6
1800
x
π
′
∆ = = , (градусную меру
обязательно переводим в радианную!).
Формула (*) запишется так:
(
)
(
)
(
)
0 0 0
cos cos sin
x x x x x
+∆ ≈ + − ⋅∆
.
Тогда
cos60 6 cos60 sin60
1800
π
′
° ≈ °− °⋅ ,
3
cos60 6 0,5
2 1800
π
′
° ≈ − ⋅ .
Возьмем значения
3
0,8660
2
≈ ,
3,1415
π≈
с четырьмя десятичными
знаками. Тогда
cos60 6 0,5 0,0015 0,4985
′
° ≈ − =
.
Выполнить (самостоятельно, каждому свой вариант, два студен-
та у доски выполняют свои задания, по желанию третий уровень вы-
полняется у доски для получения оценки «10»).
Уровень II
Вычислите приближенно:
1)
ln0,98
;
2)
arctg1,02
;
3)
3
26,99
;
4)
sin29
°
;
5)
tg47
°
;
6)
ln1,02
;
275
7)
4
15,98
;
8)
ctg44
°
;
9)
arcsin0,001
;
10)
0,02
e
;
11)
arctg0,99
;
12)
3
8,03
;
13)
0,01
e
−
;
14)
ctg28
°
;
15)
arcctg0,98
.
Уровень III
Вычислите приближенно:
1)
lntg47 15
′
°
; 2)
2 0,15
2 0,15
−
+
; 3)
( )
( )
2
2
2,037 3
2,037 5
−
+
.
Домашнее задание
1. Изучить тему «Теоремы Ролля, Коши, Лагранжа».
2. В какой точке
(
)
0 0 0
,
M x y
кривой касательная к ней параллельна,
перпендикулярна заданной прямой?
2
2 3
y x x
= −
,
4 2 0
x y
− + =
.
Ответ:
7 7
;
4 8
.
3. Составить уравнения касательной и нормали к кривой
2
x
y e x
= +
,
проведенной в точке
0
0
x
=
.
Ответ:
1
y x
= +
;
1
y x
= − +
.
4. Найти дифференциал функции в точке
0
x
:
2
1 arcsin
y x x
= −
,
0
3
2
x =
.
Ответ:
2 3
1
3
dx
− π
+
.
5. Найти
y
∆
и dy функции
(
)
y y x
=
в точке
0
x
, если приращение
аргумента равно
x
∆
. Определить абсолютную и относительную погрешно-
сти, которые получаются при замене приращения функции ее дифферен-
циалом, если
3 2
3
y x x
= +
,
0
1
x
=
,
0,1
x
∆ =
.
276
6. Вычислите приближенно
arcsin0,03
.
V. Теоремы Ролля, Коши, Лагранжа
1. Теорема Ролля
Обучающая задача. Проверить выполнение условий теоремы Рол-
ля на отрезке [–1; 1] для функций:
1
0
.
(
)
2
1
y x x
= −
; 2
0
.
( )
2
1
x
y x
x
−
= .
Решение:
1
0
. Очевидно, что функция
(
)
2
1
y x x
= −
непрерывна и дифферен-
цируема на отрезке [–1; 1]. Кроме того,
(
)
(
)
1 1 0
y y
− = =
. Тогда согласно теореме Ролля,
на интервале (–1; 1) обязательно существует хо-
тя бы одна стационарная точка. Убедимся в этом
(
)
2
y c c
′
=
⇒
с = 0, с ∈ (–1; 1).
Итак, с = 0 – стационарная точка функции
(
)
2
1
y x x
= −
на интервале (–1; 1). Касательная к
графику функции в точке М(0; –1) параллельна оси Ох.
2
0
. Имеем,
(
)
(
)
1 1 0
y y
− = =
, но производная
( )
2
2
1 1
1
x
y x
x
x
′
−
′
= = +
нигде в нуль не обращается. И дело здесь в том, что не выполнены первые
два условия теоремы Ролля: функция
( )
2
1
x
y x
x
−
= разрывна в точке
0
0
x
=
и тем более не дифференцируема в этой точке.
x
0
M
(
c
,
y
(
c
))
y
a
b
c x
y
a
b
c
1
0
c
3
c
2
Теорема Ролля:
Если
1.
(
)
y x
непрерывна на [
a
;
b
];
2.
(
)
y x
дифференцируема на (
a
;
b
);
3.
(
)
(
)
y a y b
=
, то
∃
хотя бы одна
точка
с
∈
(
a
;
b
)
такая, что
(
)
0
y c
′
=
.
0
1
y
x
–1
М
277
Таким образом, этот пример нас убеждает в том, что равенства на
концах отрезка значений функции не достаточно для существования внут-
ри отрезка стационарной точки.
Преподаватель у доски выполняет следующие упражнения, ра-
ботая со всей аудиторией.
Упражнение. Для каких из следующих функций выполнены ус-
ловия теоремы Ролля на отрезке [0; 2]:
1)
(
)
1
y x x
= −
;
2)
( ) ( )
2
1
y x x
= −
;
3)
(
)
1
y x x
= −
;
4)
( )
2
2
1
x x
y x
x
−
=
+
;
5)
( )
2
2
1
x x
y x
x
−
=
−
.
Упражнение. Пусть
(
)
(
)
(
)
(
)
1 2 3
y x x x x x
= + + +
. Не вычисляя
производной, доказать, что все три корня уравнения
(
)
0
y x
′
=
действи-
тельны.
Упражнение. Доказать, что уравнение
1
2 0
x
e x
−
+ − =
, имеющее
корень
1
x
=
, не имеет других действительных корней.
2. Теорема Лагранжа
Обучающая задача. Записать формулу Лагранжа для функции
(
)
3
5
y x x
= −
на отрезке [– 1; 2] и найти соответствующее значение с.
Решение: Нетрудно видеть, что условия теоремы Лагранжа для
этой функции выполнимы. Тогда
(
)
(
)
(
)
(
)
2
2 1 3 2 1
y y c
− − − = ⋅ − −
⇒
(
)
2
3 6
3
3
c
− −
=
⇒
2
3 3
c
=
⇒
2
1
c
=
⇒
1
1
c
=
,
2
1
c
= −
.
Теорема Лагранжа:
Если
1.
(
)
y x
непрерывна на [
a
;
b
],
2.
(
)
y x
дифференцируема на (
a
;
b
),
то
∃
хотя бы одна точка с
(
a<
с
<
b
)
такая, что
(
)
(
)
(
)
(
)
y b y a y c b a
′
− = −
.
x
y
a
b
c
0
с
∈
(
a
;
b
)
y
x a
b
c
1
0
c
2
278
Выполнить (самостоятельно, каждому свой вариант, два студен-
та у доски выполняют свои задания, по желанию третий уровень вы-
полняется у доски для получения оценки «10»).
Уровень I
Записав формулу Лагранжа для функции
(
)
y x
на отрезке [a; b], най-
дите на интервале (a; b) соответствующее значение с.
1)
(
)
5
2 3
y x x x
= − −
, [– 1; 0];
2)
(
)
3
5 8
y x x
= +
, [0; 1];
3)
(
)
3
4 9
y x x
= −
, [– 1; 0];
4)
(
)
3
2 3
y x x
= −
, [0; 3];
5)
(
)
3
4 5
y x x
= −
, [0; 3];
6)
(
)
3
3 5
y x x
= − +
, [– 2; 1];
7)
(
)
3
6 4
y x x
= − +
, [– 1; 2];
8)
(
)
3
7 1
y x x
= − −
, [0; 1];
9)
(
)
3
9 1
y x x
= − +
, [– 1; 0];
10)
(
)
3
11 7
y x x
= − , [– 3; 0];
11)
(
)
3
7 2
y x x
= − − , [0; 3];
12)
(
)
3
6 5
y x x
= − , [– 2; 1];
13)
(
)
3
6 7
y x x
= +
, [– 1; 2];
14)
(
)
3
0,5 3,5
y x x= + , [0; 1];
15)
(
)
3
1,5 2,5
y x x= − + , [– 1; 0].
Уровень II
На кривой
(
)
y y x
=
найдите точку
(
)
0 0
,
M x y
, в которой касательная
параллельна хорде, соединяющей точки А и В.
1)
3
5 3
y x
= − , А(–2; 29), В(1; 2);
2)
3
4 5
y x
= −
, А(0; –5), В(3; 103);
3)
3
2 3
y x
= −
, А(–3; –57), В(0; –3);
4)
3
4 9
y x
= −
, А(–1; –13), В(0; –9);
5)
3
5 8
y x
= +
, А(0; 8), В(1; 13);
6)
3
2 1
y x
= −
, А(0; –1), В(2; 15);
7)
3
2 7
y x
= +
, А(–2; –9), В(1; 9);
8)
3
6 5
y x
= − , А(–2; 46), В(1; 1);
9)
3
6 7
y x
= +
, А(–1; 1), В(2; 55);
279
10)
3
0,5 3,5
y x= + , А(0; 3,5), В(1; 4);
11)
3
1,5 2,5
y x= − + , А(–1; 45), В(0;
5
2
);
12)
3
7 1
y x
= − −
, А(0; –1), В(1; –8);
13)
3
1 9
y x
= − , А(–1; 10), В(0; 1);
14)
3
3
y x
= −
, А(–1; 4), В(2; –5);
15)
3
7 2
y x
= − , А(0; 7), В(3; –47);
Уровень III
С помощью теоремы Лагранжа доказать неравенства
ln
a b a a b
a b b
− −
≤ ≤ , если
0
b a
< ≤
.
3. Теорема Коши
Домашнее задание
1. Изучить тему «Правило Лопиталя (неопределенности вида
0
0 , ,
0
∞
⋅∞
∞
, степенные неопределенности
0
0 , ,1
∞ ∞
∞ )».
2. Записав формулу Лагранжа для функции
( )
3
2 1
3
x
y x x
= − +
на
отрезке [0; 3], найдите на интервале (0; 3) соответствующее значение с.
3. На кривой
3
4 6
y x
= −
найдите точку
(
)
0 0
,
M x y
, в которой каса-
тельная параллельна хорде, соединяющей точки А(–1; 10) и В(2; – 44).
Теорема Коши:
Если
1.
(
)
y x
и
(
)
g x
непрерывны на [
a
;
b
],
2.
(
)
y x
и
(
)
g x
дифференцируемы на (
a
;
b
),
3.
(
)
0
g x
′
≠
на (
a
;
b
), то
∃
с
∈
(
a
;
b
) такая, что
(
)
(
)
( ) ( )
(
)
( )
y b y a y c
g b g a g c
′
−
=
′
−
.
280
4. Выполнить третье – пятое задания из внеаудиторной контроль-
ной работы.
VI. Правило Лопиталя (неопределенности вида
0
0 , ,
0
∞
⋅∞
∞
, сте-
пенные неопределенности
0
0 , ,1
∞ ∞
∞
)
Преподаватель у доски выполняет со всей аудиторией.
Упражнение. Какие из следующих выражений содержат неопре-
деленности вида а)
0
0
; б)
∞
∞
:
1) lim
x
x
e
x
→+∞
; 3)
0
ln
lim
x
x
x
→+
;
2) lim
x
x
e
x
→−∞
; 4)
(
)
0
ln 1
lim
x
x
x
→
+
.
1) Обучающая задача. Вычислить пределы:
1
0
.
5
4
1
2 1
lim
2 1
x
x x
x x
→
− +
− −
; 2
0
.
sin2
lim
tg3
x
x
x
→π
.
Решение: В обоих случаях имеем неопределенность вида
0
0
,
раскрыть которую можно уже изученными приемами, а именно:
1) разложением числителя и знаменателя дроби на множители;
2) использованием первого замечательного предела и его следствий,
предварительно сделав замену
x
α = −π
.
0
0
(
)
y x
и
(
)
g x
дифференцируемы
в
(
)
0
U x
ɺ
,
(
)
(
)
0 0
lim lim 0
x x x x
y x g x
→ →
= =
.
(
)
0
g x
′
≠
в
(
)
0
U x
ɺ
, тогда, если
∃
(
)
( )
0
lim
x x
y x
g x
→
′
′
, то
∃
(
)
( )
0
lim
x x
y x
g x
→
и
( )
( )
( )
( )
0
0
0 0
lim lim
x x x x
y x y x
g x g x
→ →
′
=
′
∞
∞
(
)
y x
и
(
)
g x
дифференцируемы
в
(
)
0
U x
ɺ
,
(
)
(
)
0 0
lim lim
x x x x
y x g x
→ →
= = ∞
.
(
)
0
g x
′
≠
в
(
)
0
U x
ɺ
, тогда если ∃
(
)
( )
0
lim
x x
y x
g x
→
′
′
, то ∃
(
)
( )
0
lim
x x
y x
g x
→
и
( )
( )
( )
( )
0 0
lim lim
x x x x
y x y x
g x g x
∞
∞
→ →
′
=
′