Дифференциал функции одной переменной для приближенных вычислений
Коль скоро мы не объяснили (на данный момент) строго, что такое производная функции, то не имеет смысла объяснять, и что такое дифференциал функции. В самой примитивной формулировке дифференциал – это «почти то же самое, что и производная». Точнее – это производная, умноженная на приращение аргумента функции.
Производная функции чаще всего обозначается через .
Дифференциал функции стандартно обозначается через (так и читается – «дэ игрек»)
Дифференциал функции одной переменной записывается в следующем виде:
Другой вариант записи:
Простейшая задача: Найти дифференциал функции
1) Первый этап. Найдем производную:
2) Второй этап. Запишем дифференциал:
Готово.
Дифференциал функции одной или нескольких переменных чаще всего используют для приближенных вычислений.
Помимо других задач с дифференциалом время от времени встречается и «чистое» задание на нахождение дифференциала функции. Кроме того, как и для производной, для дифференциала существует понятие дифференциала в точке. И такие примеры мы тоже рассмотрим.
Пример 7
Найти дифференциал функции .
Перед тем, как находить производную или дифференциал, всегда целесообразно посмотреть, а нельзя ли как-нибудь упростить функцию (или запись функции) ещё додифференцирования? Смотрим на наш пример. Во-первых, можно преобразовать корень:
(корень пятой степени относится именно к синусу).
Во-вторых, замечаем, что под синусом у нас дробь, которую, очевидно, предстоит дифференцировать. Формула дифференцирования дроби очень громоздка. Нельзя ли избавиться от дроби? В данном случае – можно, почленно разделим числитель на знаменатель:
Функция сложная. В ней два вложения: под степень вложен синус, а под синус вложено выражение . Найдем производную, используя правило дифференцирования сложной функции два раза:
Запишем дифференциал, при этом снова представим в первоначальном «красивом» виде:
Готово.
Когда производная представляет собой дробь, значок обычно «прилепляют» в самом конце числителя (можно и справа на уровне дробной черты).
Пример 8
Найти дифференциал функции .
Это пример для самостоятельного решения.
Следующие два примера на нахождение дифференциала в точке.
Пример 9
Вычислить дифференциал функции в точке
Найдем производную:
Производная вроде бы найдена. Но в это всё предстоит еще подставлять число, поэтому результат максимально упрощаем:
Труды были не напрасны, записываем дифференциал:
Теперь вычислим дифференциал в точке :
В значок дифференциала единицу подставлять не нужно, он немного из другой оперы.
Ну и хорошим тоном в математике считается устранение иррациональности в знаменателе. Для этого домножим числитель и знаменатель на . Окончательно:
Пример 10
Вычислить дифференциал функции в точке . В ходе решения производную максимально упростить.
Это пример для самостоятельного решения. Примерный образец оформления и ответ в конце урока.
Вторая производная
Всё очень просто. Вторая производная – это производная от первой производной:
Стандартные обозначения второй производной: , или (дробь читается так: «дэ два игрек по дэ икс квадрат»).
Чаще всего вторую производную обозначают первыми двумя вариантами. Но третий вариант тоже встречается, причем, его очень любят включать в условия контрольных заданий, например: «Найдите функции…». А студент сидит и битый час чешет репу, что это вообще такое, и почему в дроби d не сокращены.
Рассмотрим простейший пример. Найдем вторую производную от функции .
Для того чтобы найти вторую производную, как многие догадались, нужно сначала найти первую производную:
Теперь находим вторую производную:
Готово.
Рассмотрим более содержательные примеры.
Пример 11
Найти вторую производную функции
Найдем первую производную:
На каждом шаге всегда смотрим, нельзя ли что-нибудь упростить? Сейчас нам предстоит дифференцировать произведение двух функций, и мы избавимся от этой неприятности, применив известную тригонометрическую формулу . Точнее говоря, использовать формулу будем в обратном направлении: :
Находим вторую производную:
Готово.
Можно было пойти другим путём – понизить степень функции еще перед дифференцированием, используя формулу :
Если интересно, возьмите первую и вторую производные снова. Результаты, естественно, совпадут.
Отметим, что понижение степени бывает очень выгодно при нахождении частных производных функции. Здесь же оба способа решения будут примерно одинаковой длины и сложности.
Как и для первой производной, можно рассмотреть задачу нахождения второй производной в точке.
Например: Вычислим значение найденной второй производной в точке :
Необходимость находить вторую производную и вторую производную в точке возникает при исследовании графика функции на выпуклость/вогнутость и перегибы.
Пример 12
Найти вторую производную функции . Найти .
Это пример для самостоятельного решения.
Аналогично можно найти третью производную, а также производные более высоких порядков. Такие задания встречаются, но значительно реже.
Решения и ответы:
Пример 2: Найдем производную:
Вычислим значение функции в точке :
Пример 4: Найдем производную:
Вычислим производную в заданной точке:
Пример 6: Уравнение касательной составим по формуле
1) Вычислим значение функции в точке :
2) Найдем производную. Перед дифференцированием функцию выгодно упростить:
3) Вычислим значение производной в точке :
4) Подставим значения , и в формулу :
Пример 8: Преобразуем функцию:
Найдем производную:
Запишем дифференциал:
Пример 10: Найдем производную:
Запишем дифференциал:
Вычислим дифференциал в точке :
.
Пример 12: Найдем первую производную:
Найдем вторую производную:
Вычислим: .