Дифференциал… Для одних это прекрасное далёкое, а для других – непонятное слово, связанное с математикой. Но если это ваше суровое настоящее, наша статья поможет узнать, как правильно “приготовить” дифференциал и с чем его “подавать”.
Под дифференциалом в математике понимают линейную часть приращения функции. Понятие дифференциала неразрывно связано с записью производной согласно Лейбница f′(x 0) = df/dx·x 0 . Исходя из этого, дифференциал первого порядка для функции f, заданной на множестве X, имеет такой вид: d x0 f = f′(x 0)·d x0 x. Как видите, для получения дифференциала нужно уметь свободно находить производные. Поэтому нелишним будет повторить правила вычисления производных, дабы понимать, что будет происходить в дальнейшем. Итак, рассмотрим дифференцирование поближе на примерах. Нужно найти дифференциал функции, заданной в таком виде: y = x 3 -x 4 . Сначала найдём производную от функции: y′= (x 3 -x 4)′ = (x 3)′-(x 4)′ = 3x 2 -4x 3 . Ну, а теперь получить дифференциал проще простого: df = (3x 3 -4x 3)·dx. Сейчас мы получили дифференциал в виде формулы, на практике зачастую также интересует цифровое значение дифференциала при заданных конкретных параметрах х и ∆х. Бывают случаи, когда функция выражена неявно через х. Например, y = x²-y x . Производная функции имеет такой вид: 2x-(y x)′. Но как получить (y x)′? Такая функция называется сложной и дифференцируется согласно соответствующего правила: df/dx = df/dy·dy/dx. В данном случае: df/dy = x·y x-1 , а dy/dx = y′. Теперь собираем всё воедино: y′ = 2x-(x·y x-1 ·y′). Группируем все игреки в одной стороне: (1+x·y x-1)·y′ = 2x, и в итоге получаем: y′ = 2x/(1+x·y x-1) = dy/dx. Исходя из этого, dy = 2x·dx/(1+x·y x-1). Конечно, хорошо, что такие задания встречаются нечасто. Но теперь вы готовы и к ним. Кроме рассмотренных дифференциалов первого порядка, ещё существуют дифференциалы высшего порядка. Попробуем найти дифференциал для функции d/d (x 3 )· (x 3 – 2 x 6 – x 9 ), который и будет дифференциалом второго порядка для f(x) . Исходя из формулы f′(u) = d/du·f(u), где u = f(x), примем u = x 3 . Получаем: d/d(u)·(u-2u 2 -u 3) = (u-2u 2 -u 3)′ = 1-4u-3u 2 . Возвращаем замену и получаем ответ – 1– x 3 – x 6 , x≠0. Помощником в нахождении дифференциала также может стать онлайн-сервис . Естественно, что на контрольной или экзамене им не воспользуешься. Но при самостоятельной проверке правильности решения его роль сложно переоценить. Кроме самого результата, он также показывает промежуточные решения, графики и неопределённый интеграл дифференциальной функции, а также корни дифференциального уравнения. Единственный недостаток – это запись в одну строку функции при вводе, но со временем можно привыкнуть и к этому. Ну, и естественно, такой сервис не справляется со сложными функциями, но всё, что попроще, ему по зубам. Практическое применение дифференциал находит в первую очередь в физике и экономике. Так, в физике зачастую дифференцированием решаются задачи, связанные с определением скорости и её производной – ускорения. А в экономике дифференциал является неотъемлемой частью расчёта эффективности деятельности предприятия и фискальной политики государства, например, эффекта финансового рычага.В этой статье рассмотрены типовые задачи дифференцирования. Курс высшей математики учащихся ВУЗов зачастую содержит ещё задания на использование дифференциала в приближенных вычислениях, а также поиск решений дифференциальных уравнений. Но главное – при чётком понимании азов вы с лёгкостью расправитесь со всеми новыми задачами.
Можно доказать, что если функция имеет при некоторой базе предел, равный конечному числу, то ее можно представить в виде суммы этого числа и бесконечно малой величины при той же базе (и наоборот): .
Применим это теорему к дифференцируемой функции: .
Таким образом, приращение
функции у состоит
из двух слагаемых: 1) линейного относительнох, т.е.f`(x)х;
2) нелинейного относительнох,
т.е.(x)х.
При этом, так как
,
это второе слагаемое представляет собой
бесконечно малую более высокого порядка,
чемх (при стремлениих к нулю оно стремится
к нулю еще быстрее).
Дифференциалом функции называется главная, линейная относительнох часть приращения функции, равная произведению производной на приращение независимой переменнойdy=f`(x)х.
Найдем дифференциал функции у = х.
Так как dy=f`(x)х =x`х =х, тоdx=х, т.е. дифференциал независимой переменной равен приращению этой переменной.
Поэтому формулу для дифференциала функции можно записать в виде dy=f`(x)dх. Именно поэтому одно из обозначений производной представляет собой дробьdy/dх.
Геометрический смысл дифференциала проиллюстрирован рисунком 3.11. Возьмем на графике функции y = f(x) произвольную точку М(х, у). Дадим аргументу х приращение х. Тогда функция y = f(x) получит приращениеy = f(x +х) - f(x). Проведем касательную к графику функции в точке М, которая образует уголс положительным направлением оси абсцисс, т.е.f`(x) = tg. Из прямоугольного треугольника MKNKN=MN*tg=х*tg=f`(x)х =dy.
Таким образом, дифференциал функции есть приращение ординаты касательной, проведенной к графику функции в данной точке, когда х получает приращение х.
Свойства дифференциала в основном аналогичны свойствам производной:
3. d(u ± v) = du ± dv.
4. d(uv) = v du + u dv.
5. d(u/v) = (v du - u dv)/v 2 .
Однако, существует важное свойство дифференциала функции, которым не обладает ее производная – это инвариантность формы дифференциала .
Из определения дифференциала для функции y= f(x) дифференциалdy=f`(x)dх. Если эта функцияyявляется сложной, т.е.y= f(u), гдеu=(х), тоy= f[(х)] иf`(x) = f `(u)*u`. Тогдаdy= f `(u)*u`dх. Но для функцииu=(х) дифференциалdu=u`dх. Отсюдаdy= f `(u)*du.
Сравнивая между собой равенства dy=f`(x)dх иdy= f `(u)*du, убедимся, что формула дифференциала не изменяется, если вместо функции от независимой переменной х рассматривать функцию от зависимой переменнойu. Это свойство дифференциала и получило название инвариантности (т.е. неизменности) формы (или формулы) дифференциала.
Однако в этих двух формулах все же есть различие: в первой из них дифференциал независимой переменной равен приращению этой переменной, т.е. dx = x, а во в торой дифференциал функции du есть лишь линейная часть приращения этой функцииuи только при малыхх duu.
Применение дифференциала в приближенных вычислениях
Выше было показано, что , т.е. приращение функцииу отличается от ее дифференциала dy на бесконечно малую величину более высокого порядка, чемх.
Поэтому при достаточно малых значениях хуdy или f(x +х) - f(x)f`(x)х, откуда f(x +х)f(x) +f`(x)х. Полученная формула будет тем точнее, чем меньшех.
Например, найдем
Итак, y=f(x) =x 1/3 . Возьмемx= 125,х = 0,27.
f`(x) = (x 1/3)`= 1/(3x 2/3)
f(125,27) =f(125 + 0,27)f(125) +f`(125)*(0,27) =
=
5 + 0,27/(3*25) = 5,0036
Например, найдем tg 46 о.
Итак, y=f(x) =tgx. Возьмемx= 45 o =/4,х = 1 o =/180.
f`(x) = (tgx)`= 1/cos 2 x
f(46 o) = f(/4 + /180) f(/4) + f `(/4)*(/180) = tg(/4) + + (1/ cos 2 (/4))*(/180) = 1 + (1/(2/2) 2)*(/180) = 1 + /90 ( 1,035)
Кроме того, с помощью дифференциала может быть решена задача определения абсолютной и относительной погрешностей функции по заданной погрешности нахождения (измерения) аргумента.
Пусть необходимо вычислить значение данной функции у = f(x) при некотором значении аргумента х 1 , истинная величина которого неизвестна, а известно лишь его приближенное значение х с абсолютной погрешностью |х| = |х - х 1 |. Если вместо истинного значенияf(x 1) взять величинуf(x), то абсолютная ошибка функции будет равна |f(x 1) -f(x)| = |y|dy=f`(x)х.
При этом относительная погрешность функции y = |y/y| при достаточно малыхх будет равна, где Е х (y) – эластичность функции, а х = |x/x| - относительная погрешность аргумента.
Если функция дифференцируема в точке, то её приращение можно представить в виде суммы двух слагаемых
.
Эти слагаемые являются бесконечно
малыми функциями при
.Первое слагаемое
линейно относительно
,второе является
бесконечно малой более высокого порядка,
чем
.Действительно,
.
Таким образом второе слагаемое
при
быстрее стремится к нулю и при нахождении
приращения функции
главную роль играет первое слагаемое
или (так как
)
.
Определение
.
Главная часть
приращения функции
в точке
,
линейная относительно
,называется
дифференциалом
функции
в этой точке
и обозначается
dy
или
df
(x
)
. (2)
Таким
образом, можно сделать вывод: дифференциал
независимой переменной совпадает с её
приращением, то есть
.
Соотношение (2) теперь принимает вид
(3)
Замечание . Формулу (3) для краткости часто записывают в виде
(4)
Геометрический смысл дифференциала
Рассмотрим
график дифференцируемой функции
.
Точки
ипринадлежат графику функции. В точкеМ
проведена
касательная К
к графику
функции, угол которой с положительным
направлением оси
обозначим через
.
Проведем прямыеMN
параллельно
оси Ox
и
параллельно осиOy
.
Приращение функции равно длине отрезка
.
Из прямоугольного треугольника
, в котором
,
получим
Изложенные выше рассуждения позволяют сделать вывод:
Дифференциал
функции
в точке
изображается приращением ординаты
касательной к графику этой функции в
соответствующей её точке
.
Связь дифференциала с производной
Рассмотрим формулу (4)
.
Разделим обе части этого равенства на dx , тогда
.
Таким образом, производная функции равна отношению её дифференциала к дифференциалу независимой переменной .
Часто это отношение рассматривается просто как символ, обозначающий производную функцииу по аргументу х .
Удобными обозначениями производной также являются:
,
и так далее.
Употребляются также записи
,
,
особенно удобные, когда берется производная от сложного выражения.
2. Дифференциал суммы, произведения и частного.
Так как дифференциал получается из производной умножением её на дифференциал независимой переменной, то, зная производные основных элементарных функций, а также правила для отыскания производных, можно прийти к аналогичным правилам для отыскания дифференциалов.
1 0 . Дифференциал постоянной равен нулю
.
2 0 . Дифференциал алгебраической суммы конечного числа дифференцируемых функций равен алгебраической сумме дифференциалов этих функций
3 0 . Дифференциал произведения двух дифференцируемых функций равен сумме произведений первой функции на дифференциал второй и второй функции на дифференциал первой
.
Следствие . Постоянный множитель можно выносить за знак дифференциала
.
Пример . Найти дифференциал функции .
Решение.Запишем данную функцию в виде
,
тогда получим
.
4. Функции, заданные параметрически, их дифференцирование.
Определение
.
Функция
называется заданной параметрически,
если обе переменныех
и
у
определяются
каждая в отдельности как однозначные
функции от одной и той же вспомогательной
переменной – параметра
t
:
где
t
изменяется в пределах
.
Замечание
.
Параметрическое задание функций широко
применяется в теоретической механике,
где параметр t
обозначает
время, а уравнения
представляют собой законы изменения
проекций движущейся точки
на оси
и
.
Замечание . Приведем параметрические уравнения окружности и эллипса.
а) Окружность с центром в начале координат и радиусом r имеет параметрические уравнения:
где
.
б) Запишем параметрические уравнения для эллипса:
где
.
Исключив параметр t из параметрических уравнений рассматриваемых линий, можно прийти к их каноническим уравнениям.
Теорема
.
Если функция у
от аргумента
х задана
параметрически уравнениями
,
где
и
дифференцируемые по
t
функции и
,
то
.
Пример . Найти производную функции у от х , заданной параметрическими уравнениями.
Решение.
.