Однородные системы линейных уравнений и их решение

МАТРИЦЫ И ДЕЙСТВИЯ НАД НИМИ

Прямоугольная таблица, составленная из m x n элементов aij (i = 1,m, j -1,n) некоторого множества, называется матрицей и записывается в виде

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Элементы матрицы нумеруются 2 индексами. Первый индекс i эле­мента aij обозначает номер строки, а второй j — номер столбца, на пе­ресечении которых находится этот элемент в матрице. Матрицы обычно обозначают прописными буквами латинского алфавита: А, В, С,.. . Если у матрицы m строк и n столбцов, то по определению она имеет раз­мерность m x n. В случае необходимости это обозначается следующим образом:

Аm x n. Матрица называется числовой, если ее элементы aij — числа; функциональной, если aij — функции; векторной, если aij — век­торы, и т.д. Матрицы А и В называются равными, если все их соот­ветствующие элементы aij и bij равны, т.е. aij = bij. Следовательно, равными могут быть только матрицы одинаковой размерности. Матри­цы, у которых т = п, называются квадратными. Если i -1, то получаем матрицу-строку; если j =1, имеем матрицу-столбец. Их также называют вектор-строкой и вектор-столбцом соответственно.

Перечислим основные операции над матрицами.

1. Сложение и вычитание матриц. Эти операции определяются только для матриц одинаковой размерности. Суммой (разностью) ма­триц А и В, обозначаемой А + В (А — В), называется матрица С, эле­менты которой Cij == aij =b bij, где aij и bij — соответственно элементы матриц А и В. Например, пусть

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Тогда

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

2. Умножение матрицы на число. Произведением матрицы А и числа А, обозначаемым А А, называется матрица В той же размерности, элементы которой bij = Аа^, где aij — элементы матрицы А, т. е. при умножении матрицы на число (числа на матрицу) надо все элементы матрицы умножить на это число. Например, пусть

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

3. Умножение матриц. Произведением матриц Am x n и Bn x p на­зывается матрица

Сm x p = А • В (или проще АВ), элементы которой Cij = ∑nk=1 aikbkj, где aik>bkj — элементы матриц А и В. Отсюда следует, что произведение АВ существует только в случае, когда первый
множитель А имеет число столбцов, равное числу строк второго множи­теля В. Далее, число строк матрицы АВ равно числу строк А, а число столбцов — числу столбцов В. Из существования произведения АВ не следует существование произведения ВА. В случае его существования, как правило, ВА≠АВ. Если АВ — В А, то матрицы А и В называются перестановочными (или коммутирующими). Известно, что всегда (АВ)С = А(ВС).

ОПРЕДЕЛИТЕЛИ И ИХ СВОЙСТВА.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ОПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ

Определителем n-гo порядка называется число ∆n, записываемое в виде квадратной таблицы

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

и вычисляемое, согласно указанному ниже правилу, по заданным чис­лам aij (i,j = 1, n), которые называются элементами определителя (всего их n2). Индекс i указывает номер строки, aj — номер столбца квадратной таблицы (1.1), на пересечении которых находится элемент aij. Любую строку или столбец этой таблицы будем называть рядом.

Главной диагональю определителя называется совокупность элемен­тов

a11, a22,… . Минором Mij элемента aij называется определитель (n — l)-гo по­рядка ∆n-i, полученный из определителя n-гo порядка ∆n вычеркива­нием г-й строки и j-гo столбца.

Алгебраическое дополнение Aij элемента aij определяется равен­ством

Aij = (-l)i+j Mij

Значение определителя ∆n находится по следующему правилу.

Для n = 2

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Для n = 3

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Величины A11,A12,A13 — алгебраические дополнения, а M11,M12, M33 — миноры определителя ∆з, соответствующие его элементам a11, a22,a33. Эти миноры являются определителями второго порядка, полу­чаемыми из определителя ∆з вычеркиванием соответствующих строки и столбца. Например, чтобы найти минор Mi2, следует в определителе ∆з вычеркнуть первую строку и второй столбец. Для произвольного n

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

где A1k = (-l)1+M1k а миноры M1k, являющиеся определителями (n - l)-гo порядка, получаются из ∆n вычеркиванием первой строки и k−го столбца. Например,

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Замечание. Если элементами определителя являются некоторые функции, то данный определитель, вообще говоря, тоже функция (но может быть и числом). Например,

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Правило вычисления определителя ∆з равносильно правилу тре­угольников (правилу Cappюca):

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Схематическая запись этого правила приведена ниже:

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Например,

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Перечислим основные свойства определителей:

1) сумма произведений элементов любого ряда определителя и их алгебраических дополнений не зависит от номера ряда и равна этому определителю:

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Эти равенства можно было бы (как и формулу (1.4)) принять за правило

вычисления определителя. Первое из них называется разложением ∆∏ по элементам %-й строки, а второе — разложением ∆n по элементам j-гo столбца;

2) значение определителя не меняется после замены всех его строк соответствующими столбцами, и наоборот;

3) если поменять местами два параллельных ряда определителя, то он изменит знак на противоположный;

4) определитель с двумя одинаковыми параллельными рядами равен нулю;

5) если все элементы некоторого ряда определителя имеют общий множитель, то последний можно вынести за знак

определителя. Отсюда следует, что если элементы какого-либо ряда умножить на число λ, то определитель ∆n умножится на это же число λ;

6) если все элементы какого-либо ряда определителя равны нулю, то определитель также равен нулю;

7) определитель, у которого элементы двух параллельных рядов со­ответственно пропорциональны, равен нулю;

8) сумма всех произведений элементов какого-либо ряда определи­теля и алгебраических дополнений соответствующих элементов другого параллельного ряда равна нулю, т. е. верны равенства:

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

9) если каждый элемент какого-либо ряда определителя представля­ет собой сумму двух слагаемых, то такой определитель равен сумме двух определителей, в первом из которых соответствующий ряд состоит из первых слагаемых, а во втором — из вторых слагаемых:

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Например,

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

10) определитель не изменится, если ко всем элементам какого-либо его ряда прибавить соответствующие элементы другого параллельного ряда, умноженные на одно и то же произвольное число Л. Например, для столбцов определителя это свойство выражается равенством

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Рассмотрим основные методы вычисления определителей.

1. Метод эффективного понижения порядка. В соответствии со свойством 4 вычисление определителя n-гo порядка сводится к вычисле­нию n определителей (n - l)-гo порядка. Этот метод понижения порядка не эффективен. Используя основные свойства определителей, вычисле­ние ∆n ≠ 0 всегда можно свести к вычислению одного определителя (n — l)-гo порядка, сделав в каком-либо ряду ∆n все элементы, кроме одного, равными нулю, покажем это на примере. Пример 1. Вычислить определитель

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

► ∏о свойству 5 определителей из первой строки вынесем множитель 10, а затем будем последовательно умножать полученную строку на 3, 1, 2 и складывать соответственно со второй, третьей и четвертой строками. Тогда, согласно свойству 10, имеем:

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

∏о свойству 1 определителей (см. второе из равенств (1.6)) полу­ченный определитель молено разложить по элементам второго столбца. Тогда

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Получили определитель третьего порядка, который молено вычис­лить по правилу Cappюca или подобным же приемом свести к вычисле­нию одного определителя второго порядка. Действительно, вычитая из второй и третьей строк данного определителя первую строку, получаем:

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

2. Приведение определителя к треугольному виду. Определитель, у которого все элементы, находящиеся выше или ниже главной диагонали, равны нулю, называется определителем треугольного вида. Очевидно, что в этом случае определитель равен произведению элементов его глав­ной диагонали. Приведение любого определителя ∆n к треугольному виду всегда возможно.

Пример 2. Вычислить определитель

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

► Выполним следующие операции. Пятый столбец определителя сло­жим с первым, этот же столбец, умноженный на 3, — со вторым, на 2 — с третьим, на 8 — с четвертым столбцом. В итоге получим определитель треугольного вида, который равен исходному:

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Приведение определителей к треугольному виду будет использовать­ся в дальнейшем при решении систем линейных уравнений методом Жopдaнa — Гаусса (его называют также методом Гаусса).

Метод Гаусса

2-этапа

1 Прямой ход Гаусса: последовательное исключение неизвестных из систем испозуются 3 преобразования оставляющие систему эквивалентнай

-перестановка местами уравнений

-умножение обеих частей урав. На произвольное число не=0

-прибавление к уравнению другого уравн. Умноженного на произвольное число

2 Обратный ход : находим неизвестные системы.

Если к системе прибавить свободный член то матрица называется расшыренной

Прямой ход Гаусса удобно проводить с расшыренной матрицей, работая только со строками.

Матрица приводится к трапецевидному виду в результате Прямого хода Гаусса

следующие вариант

в последнем ходе уравнения остается одна неизвестная – система имеет одно решение.

в последнем ходе уравнения остается две или более неизвестных – система имеет бесконечное множество решений.

Кривизна

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Получаем:

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Радиус кривизны- величина обратная кривизне Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Геометрическое место центра кривизны есть кривая наз. эволютой.

№ 21 Расстояние точки до пл-ти.

y-y0=k(x-x0)- уравненіе прямой проходяўей через точку x0,y0

№22 Виды прямой в пространстве. Угол между прямыми, усл. параллельности и перпендикулярности.

tgφ/k2-k1/1+k1k2

k1=k2- условие параллельности

k1k2= -1 условие перпендикулярности

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru - каноническое уравнение прямой

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru - параметрические уравнение

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru - Ур-ние прямой проход. через 2 заданные точки

Линии второго порядка

Линией (кривой) второго порядка наз множество М точек плоскости, координаты х,у которых удовлетворяют алгебраическому уравнению второй степени.

(1)Ах²+Ву²+Сху+Дх+Еу+F=0 Для того, чтобы определить тип линий второго порядка, ее параметры и построить график необходимо уравнение (1) привести к каноническому виду. Если в уравнении (1) отсутствует слагаемое Сху, то оно приводится к кананическому виду выделением полного квадрата.

Частные случаи уравнения:

1. эллипс- множество точек в плоскости, каждая из которых удовлетворяет следующему условию: сумма расстояния от точки эллипса до двух данных точек наз фокусами есть величина постоянно большая чем расстояние между фокусами. Уравнение эллипса предполагает, что его фокусы лежат на оси.

х²/а²+у²/в²=1 – каноническое уравнение эллипса.

а,в- полуоси эллипса , в- меньшая полуось, а- большая

в= √а² -с²

эксцентриситет:

Е= 2с/2а=с/а, Е<1

Если центр эллипса нах в произвольной точке М(х,у,), то тогда уравнение эллипса имеет след вид (х-х´²)/а²+(у-у´²)/в²=1

2. Гипербола- множество точек в плоскости для каждой из которой выполняется условие: разность параллельных расстояний от точки гиперболы до 2 данных точек наз фокусами, есть величина постоянная < чем расстояние между фокусами.

х²/а²-у²/в²=1 – каноническое уравнение гиперболы с фокусами на ОХ

а- действительная полуось, в- мнимая в=√с²-а²

асимптотами гиперболы явл 2 симметричные ей прямые

у= ±(в/а)х

эксцентриситет:

Е= 2с/2а=с/а, Е>1

Если фокусы лежат на оси ОУ: х²/а²-у²/в²=-1

Соотношение между осями: в=√с²-а²

Если центр симметрии гиперболы нах в начале координат а,в произвольной точке М (х,у) то: (х-х´²)/а²+(у-у´²)/в²=±1

3. парабола – множество точек в плоскости каждая из которых равно удалена от заданной точки наз фокусами данной прямой наз директрисой.

у²= 2рх кананическое уравнение параболы с фокусами на ОХ, р- параметр параболы

х=-р/2- директриса

F(р/2;0)

Фокус на оси ОУ х²= 2ру

F(0;р/2) у= -р/2

Если вершина параболы находится в точке М(х,у) то уравнение параболы записывается:

(у-у´)²= 2р(х-х´)

(х-х´)²= 2р(у-у´)

Алгебра производных

Выведем важнейшие формулы, касающиеся вычисления производных. В дальнейшем Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru - некоторые функции, у которых существуют Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , а C - некоторая константа (число).

1. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Доказательство

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

2. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Доказательство

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Аналогично выводится формула для Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru .

3. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Доказательство

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

В числителе дроби прибавим и вычтем комбинацию Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

4. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Доказательство

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

прибавляем и вычитаем в числителе комбинацию Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

5. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

В выражении Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru подразумевается, что производная от функции Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru берется так, как будто Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru является единым целым (аргументом).

Доказательство

Пусть аргумент Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru получил приращение Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Тогда функция > Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru получила приращение Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru так что Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Поэтому

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

делим и умножаем дробь на Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

6. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Доказательство

Пусть Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru так что Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Если аргументу x дать приращение Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru то величина Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru получит приращение Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Поэтому

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однако в данной формуле есть одна неувязка. Слева стоит функция от Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , а справа получилась функция от Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Чтобы устранить это несоответствие надо в правой части заменить Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru на Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Тогда получим окончательно

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru .

7. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Вывод этой формулы следует разбирать после прочтения следующего параграфа.

Доказательство

Обозначим Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Тогда Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Вычисляя производную от обеих частей этого равенства, получим

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Отсюда

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Вместо того чтобы запоминать эту формулу лучше запомнить правило: для того чтобы вычислить производную от Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , надо это выражение сначала прологарифмировать.

Все эти формулы сведены в следующую таблицу, которую следует запомнить (кроме последней формулы).

Функция Производная
Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru
Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru
Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru
Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru
Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru
Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru
Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Таблица производных

Выведем теперь таблицу производных от элементарных функций

1. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Действительно, если Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , то

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

2. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Имеем

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

вынесем вверху Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru за скобки

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Сделаем “замену переменных” Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Тогда Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Так как мы получили один из замечательных пределов. Рекомендуется запомнить некоторые частные случаи этой функции этой формулы

а) Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

б) Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

3. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Имеем

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

так как мы снова имеем один из замечательных пределов.

Особенно простой результат получается при Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

4. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

сделаем “замену переменных” Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Тогда Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Особенно простой результат получается при Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

5. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Имеем

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

где так же использован замечательный предел.

6. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

7. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Так как Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , то

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

8. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Вывод аналогичен

9. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

В данном случае Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , т.е. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Поэтому

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

10. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Вывод аналогичен

11. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

В данном случае Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , т.е. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Поэтому

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

12. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Вывод аналогичен

13. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Действительно

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

14. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru 15. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Вывод аналогичен

Особые случаи

То, что в точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru функция Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru непрерывна не означает, разумеется, что в этой точке у нее обязательно существует производная. Функция может быть непрерывной, а производной может и не существовать. Что же там может быть?

1. А. Односторонние производные

Назовем

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

производной от функции Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru в точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru слева, а

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

производной в той же точке справа. Разумеется, если Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , то это означает, что в точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru существует Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Но могут быть случаи, когда Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru существуют, но не равны друг другу. В этом случае не существует и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . График функции Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru имеет в точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru в этом случае “излом”, и в этой точке к графику можно провести две касательные .

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

2. Б. Бесконечная производная

Рассмотрим функцию Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru определенную для Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и потребуем найти Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Имеем

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

и производная равна Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru .

Рассматривая график функции Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru легко увидеть, что это означает просто то, что в точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru касательная к графику параллельна оси OY.

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

3. В. Несуществование производной

Наконец, может быть ситуация, когда Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , фигурирующий в определении производной, не существует.

Рассмотрим для примера, Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Так как Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , то Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Поэтому полагая Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru получим

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

и этот предел просто не существует.

Из графика функции Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru видно, что с приближением к точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru касательная колеблется, не стремясь ни к какому определенному положению.

В математике построены даже примеры функций, которые являются непрерывными, но ни в одной точке не имеют производной.

Теоремы Ферма и Ролля

Теорема Ферма. Пусть функция Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru определена и непрерывна на промежутке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и в некоторой внутренней точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru этого промежутка достигает своего наибольшего или наименьшего значения, если в этой точке существует производная, то она равна нулю: Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru .

Доказательство

Пусть, для определенности, в точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru функция Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru достигает своего наибольшего.

По условию теоремы эта точка внутренняя, т.е. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , и поэтому к этой точке можно подойти и слева и справа.

Пусть мы подходим к Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru слева. Тогда

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru (т.к. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru - наибольшее значение)

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru (т.к. мы подходим слева)

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Делая предельный переход Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru получим

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Пусть мы подходим к точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru справа. Тогда

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru (т.к. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru - наибольшее значение)

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru (т.к. мы подходим слева)

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Делая предельный переход Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru получим

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Совместить два полученных неравенства можно только в одном случае: Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . ч.т.д.

Геометрический смысл доказанной теоремы ясен из рисунка: в точке наибольшего или наименьшего значения функции касательная к графику функции параллельна оси OX.

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

1. Существование ограничений

В теореме Ферма по сути дела два ограничения: а) точка Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru расположена внутри отрезка Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и б) Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Покажем, что оба ограничения являются существенными, т.е. отказ от любого из них приводит к тому, что утверждение теоремы становится неверным.

а) “внутренность” точки x0

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Если максимум или минимум функции Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru достигается на границе отрезка, то утверждение теоремы Ферма неверно. При доказательстве это проявляется в том, что мы сможем подойти к точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru только с одной стороны и поэтому не получится второго, противоположного неравенства.

б) существование производной.

Пусть в точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru существуют только односторонние производные. Тогда, как это видно из рисунка, теорема Ферма неверна. При доказательстве это проявиться в том, что получаться неравенства Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , которые нельзя будет объединить в одно равенство, т.к. теперь Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Теорема Ролля. Пусть функция Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

а) определена и непрерывна на [a,b]

б) Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru ;

в) Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Тогда существует точка Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru в которой Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru .

Доказательство этой теоремы следует из такой логической цепочки рассуждений:

1. Так как Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru определена и непрерывна на Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , то, по первой теореме Вейерштрасса, она ограничена на Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , т.е. существуют конечные Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru .

2. Если Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , то Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru есть константа, т.е. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и поэтому Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . В качестве точки c можно взять любую точку из Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru .

3. Если Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , то, в силу условия Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и второй теоремы Вейерштрасса, хотя бы одно из значений Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru или Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru достигается во внутренней точке промежутка Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru ,по теореме Ферма, в этой точке (их может быть и две) производная равна нулю.

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

ч.т.д.

Формулы Коши и Лагранжа

Теорема. Пусть функции Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

а) определены и непрерывны на Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru ;

б) Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru ;

в) Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Тогда существует точка Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru такая, что

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru .

Эта формула носит название формулы Коши.

Доказательство. Прежде всего отметим, что Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , иначе, по Теореме Ролля, существовала бы точка Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , где Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , что противоречит ограничению “в”.

Рассмотрим функцию

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Она

а) определена и непрерывна на Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , т.к. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и функции Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru непрерывны на Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

б) Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

в) Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Таким образом, для Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru выполнены все условия Теоремы Ролля. Поэтому Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru такая, что

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru ,

но тогда в этой точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

что и дает формулу Коши.

1. Формула Лагранжа

Рассмотри частный случай, когда Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Тогда формула Коши приобретает вид

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

или

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

где Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Эта формула и называется формулой Лагранжа. В дальнейшем мы будем на нее часто ссылаться.

Заметим, что точка c не обязательно единственная: может быть несколько точек c, удовлетворяющих формулам Коши или Лагранжа.

Рассмотрим еще вопрос о геометрическом смысле формулы Лагранжа. Пусть мы имеем график Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Проведем через точки Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru секущую. Она образует с осью OX угол Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Но Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru есть тангенс угла, который касательная к кривой в точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru образует с осью OX. Поэтому формулу Лагранжа можно трактовать так: существует точка Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , касательная в которой параллельна секущей, соединяющей точки Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru .

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Дифференциал

Рассмотрим важное для дальнейшего понятие дифференциала.

Напомним, что величина Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru называется приращением функции.

Определение 1. Функция Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru называется дифференцируемой в точке Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , если ее приращение можно представить в виде

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Определение 2. Линейная часть приращения функции, т.е. Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru называется дифференциалом функции Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и обозначается Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Чтобы точно уяснить эти определения функции рассмотрим пример. Пусть Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru . Тогда

Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru

Заметим, что Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru содержит слагаемое, линейное по Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru , слагаемые с Однородные системы линейных уравнений и их решение - student2.ru и