Южно-Сахалинский Государственный Университет

Кафедра математики
Курсовая работа

Тема: Практическое применение производной
Автор: Меркулов М. Ю.

Курс: 3

Преподаватель: Лихачева О. Н.

Оценка:

Южно-Сахалинск

2002г
Введение
В данной работе я рассмотрю применения производной в различных науках и отраслях. Работа разбита на главы, в каждой из которых рассматривается одна из сторон дифференциального исчисления (геометрический, физический смысл и т. д.)
1. Понятие производной
1-1. Исторические сведения
Дифференциальное исчисление было создано Ньютоном и Лейбницем в конце 17 столетия на основе двух задач:

1) о разыскании касательной к произвольной линии

2) о разыскании скорости при произвольном законе движения

Еще раньше понятие производной встречалось в работах итальянского математика Тартальи (около 1500 - 1557 гг.) - здесь появилась касательная в ходе изучения вопроса об угле наклона орудия, при котором обеспечивается наибольшая дальность полета снаряда.

В 17 веке на основе учения Г.Галилея о движении активно развивалась кинематическая концепция производной. Различные изложения стали встречаться в работах у Декарта, французского математика Роберваля, английского ученого Л. Грегори. Большой вклад в изучение дифференциального исчисления внесли  Лопиталь, Бернулли, Лагранж, Эйлер, Гаусс.
1-2. Понятие производной
Пусть y = f(x) есть непрерывная функция аргумента x, определенная в промежутке (a; b), и пусть х₀ - произвольная точка этого промежутка

Дадим аргументу x приращение ∆x, тогда функция y = f(x) получит приращение ∆y = f(x + ∆x) - f(x). Предел, к которому стремится отношение ∆y / ∆x при ∆x → 0, называется производной от функции f(x).

y'(x)=
1-3. Правила дифференцирования и таблица производных

C' = 0	(xn) = nxn-1	(sin x)' = cos x
x' = 1	(1 / x)' = -1 / x2	(cos x)' = -sin x
(Cu)'=Cu'	(√x)' = 1 / 2√x	(tg x)' = 1 / cos2 x
(uv)' = u'v + uv'	(ax)' = ax ln x	(ctg x)' = 1 / sin2 x
(u / v)'=(u'v - uv') / v2	(ex)' = ex	(arcsin x)' = 1 / √ (1- x2)
	(logax)' = (logae) / x	(arccos x)' = -1 / √ (1- x2)
	(ln x)' = 1 / x	(arctg x)' = 1 / √ (1+ x2)
		(arcctg x)' = -1 / √ (1+ x2)

2. Геометрический смысл производной
2-1. Касательная к кривой
Пусть имеем кривую и на ней фиксированную точку M и точку N. Касательной к точке M называется прямая, положение которой стремится занять хорда MN, если точку N неограниченно приближать по кривой к M.
Рассмотрим функцию f(x) и соответствующую этой функции кривую y = f(x). При некотором значении x функция имеет значение y = f(x). Этим значениям на кривой соответствует точка M(x₀, y₀). Введем новый аргумент x₀ + ∆x, его значению соответствует значение функции  y₀ + ∆y = f(x₀ + ∆x). Соответствующая точка - N(x₀ + ∆x, y₀ + ∆y). Проведем секущую MN и обозначим φ угол, образованный секущей с положительным направлением оси Ox. Из рисунка видно, что ∆y / ∆x = tg φ. Если теперь ∆x будет приближаться к 0, то точка N будет перемещаться вдоль кривой , секущая MN - поворачиваться вокруг точки M, а угол φ - меняться. Если при ∆x → 0 угол φ стремится к некоторому α, то прямая, проходящая через M и составляющая с положительным направлением оси абсцисс угол α, будет искомой касательной. При этом, ее угловой коэффициент:



То есть, значение производной f '(x) при данном значении аргумента x равно тангенсу угла, образованного с положительным направлением оси Ox касательной к графику функции f(x) в точке M(x, f(x)).
Касательная к пространственной линии имеет определение, аналогичное определению касательной к плоской кривой. В этом случае, если функция задана уравнением z = f(x, y), угловые коэффициенты при осях OX и OY будут равны частным производным f по x и y.
2-2. Касательная плоскость к поверхности
Касательной плоскостью к поверхности в точке M называется плоскость, содержащая касательные ко всем пространственным кривым поверхности, проходящим через M - точку касания.

Возьмем поверхность, заданную уравнением F(x, y, z) = 0 и какую-либо обыкновенную точку M(x₀, y₀, z₀) на ней. Рассмотрим на поверхности некоторую кривую L, проходящую через M. Пусть кривая задана уравнениями

x = φ(t); y = ψ(t); z = χ(t).

Подставим в уравнение поверхности эти выражения. Уравнение превратится в тождество, т. к. кривая целиком лежит на поверхности. Используя свойство инвариантности формы дифференциала, продифференцируем полученное уравнение по t:



Уравнения касательной  к кривой L в точке M имеют вид:



Т. к. разности x - x₀, y - y₀, z - z₀ пропорциональны соответствующим дифференциалам, то окончательное уравнение плоскости выглядит так:

F'_x(x - x₀) + F'_y(y - y₀) + F'_z(z - z₀)=0

и для частного случая z = f(x, y):

Z - z₀ = F'_x(x - x₀) + F'_y(y - y₀)

Пример: Найти уравнение касательной плоскости в точке (2a; a; 1,5a) гиперболического параболоида



Решение
:

Z'_x = x / a = 2; Z'_y = -y / a = -1

Уравнение искомой плоскости:

Z - 1.5a = 2(x - 2a) - (Y - a) или Z = 2x - y - 1.5a
3. Использование производной в физике
3-1. Скорость материальной точки
Пусть зависимость пути s от времени t в данном прямолинейном движении материальной точки выражается уравнением s = f(t) и t₀ -некоторый момент времени. Рассмотрим другой момент времени t, обозначим ∆t = t - t₀ и вычислим приращение пути: ∆s = f(t₀ + ∆t) - f(t₀). Отношение ∆s / ∆t называют средней скоростью движения за время ∆t, протекшее от исходного момента t₀. Скоростью называют предел этого отношения при ∆t → 0.
Среднее ускорение неравномерного движения в интервале (t; t + ∆t) - это величина <a>=∆v / ∆t. Мгновенным ускорением материальной точки в момент времени t будет предел среднего ускорения:



То есть первая производная по времени (v'(t)).
Пример: Зависимость пройденного телом пути от времени задается уравнением s = A + Bt + Ct² +Dt³ (C = 0,1 м/с, D = 0,03 м/с²). Определить время после начала движения, через которое ускорение тела будет равно 2 м/с².
Решение
:

v(t) = s'(t) = B + 2Ct + 3Dt²;    a(t) = v'(t) = 2C + 6Dt = 0,2 + 0,18t = 2;

1,8 =  0,18t;    t = 10 c
3-2. Теплоемкость вещества при данной температуре
Для повышения различных температур T на одно и то же значение, равное T₁ - T, на 1 кг. данного вещества необходимо разное количество теплоты Q₁ - Q, причем отношение



для данного вещества не является постоянным. Таким образом, для данного вещества количество теплоты Q есть нелинейная функция температуры T: Q = f(T). Тогда ΔQ = f(t + ΔT) - f(T). Отношение



называется средней теплоемкостью на отрезке [T; T + ΔT], а предел этого выражения при ∆T → 0 называется теплоемкостью данного вещества при температуре T.
3-3. Мощность
Изменение механического движения тела вызывается силами, действующими на него со стороны других тел. Чтобы количественно характеризовать процесс обмена энергией между взаимодействующими телами, в механике вводится понятие работы силы. Чтобы охарактеризовать скорость совершения работы, вводят понятие мощности:.
4.
Дифференциальное исчисление в экономике
4-1. Исследование функций
Дифференциальное исчисление - широко применяемый для экономического анализа математический аппарат. Базовой задачей экономического анализа является изучение связей экономических величин, записанных в виде функций. В каком направлении изменится доход государства при увеличении налогов или при введении импортных пошлин? Увеличится или уменьшится выручка фирмы при повышении цены на ее продукцию? В какой пропорции дополнительное оборудование может заменить выбывающих работников? Для решения подобных задач должны быть построены функции связи входящих в них переменных, которые затем изучаются с помощью методов дифференциального исчисления. В экономике очень часто требуется найти наилучшее или оптимальное значение показателя: наивысшую производительность труда, максимальную прибыль, максимальный выпуск, минимальные издержки и т. д. Каждый показатель представляет собой функцию от одного или нескольких аргументов. Таким образом, нахождение оптимального значения показателя сводится к нахождению экстремума функции.

По теореме Ферма, если точка является экстремумом функции, то производная в ней либо не существует, либо равна 0. Тип экстремума можно определить по одному из достаточных условий экстремума:

1) Пусть функция f(x) дифференцируема в некоторой окрестности точки x₀. Если производная f '(x) при переходе через точку x₀ меняет знак с + на -, то x₀ - точка максимума, если с - на +, то x₀ - точка минимума, если не меняет знак, то в этой точке нет экстремума.

2) Пусть функция f(x) дважды дифференцируема в некоторой окрестности точки x₀, причем f '(x₀) = 0, f ''(x₀) ≠ 0, то в точке x₀ функция f(x₀) имеет максимум, если f ''(x₀) < 0 и минимум, если f ''(x₀) > 0.

Кроме того, вторая производная характеризует выпуклость функции (график функции называется выпуклым вверх [вниз] на интервале (a, b), если он на этом интервале расположен не выше [не ниже] любой своей касательной).
Пример: 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 → q_extr = 4

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

При q > q_extr = 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.
4-2. Эластичность спроса
Эластичностью функции f(x) в точке x₀ называют предел



Спрос - это количество товара, востребованное покупателем. Ценовая эластичность спроса E_D - это величина, характеризующая то, как спрос реагирует на изменение цены. Если │E_D│>1, то спрос называется эластичным, если │E_D│<1, то неэластичным. В случае E_D=0 спрос называется совершенно неэластичным, т. е. изменение цены не приводит ни к какому изменению спроса. Напротив, если самое малое снижение цены побуждает покупателя увеличить покупки от 0 до предела своих возможностей, говорят, что спрос является совершенно эластичным. В зависимости от текущей эластичности спроса, предприниматель принимает решения о снижении или повышении цен на продукцию.
4-3. Предельный анализ
Важный раздел методов дифференциального исчисления, используемых в экономике - методы предельного анализа, т. е. совокупность приемов исследования изменяющихся величин затрат или результатов при изменениях объемов производства, потребления и т. п. на основе анализа их предельных значений. Предельный показатель (показатели) функции - это ее производная (в случае функции одной переменной) или частные производные (в случае функции нескольких переменных)

В экономике часто используются средние величины: средняя производительность труда, средние издержки, средний доход, средняя прибыль и т. д. Но часто требуется узнать, на какую величину вырастет результат, если будут увеличены затраты или наоборот, насколько уменьшится результат, если затраты сократятся. С помощью средних величин ответ на этот вопрос получить невозможно. В подобных задачах требуется определить предел отношения приростов результата и затрат, т. е. найти предельный эффект. Следовательно, для их решения необходимо применение методов дифференциального исчисление.
5. Производная в приближенных вычислениях
5-1. Интерполяция
Интерполяцией называется приближенное вычисление значений функции по нескольким данным ее значениям. Интерполяция широко используется в картографии, геологии, экономике и других науках. Самым простым вариантом интерполяции является форма Лагранжа, но когда узловых точек много и интервалы между ними велики, либо требуется получить функцию, кривизна которой минимальна то прибегают к сплайн-интерполяции, дающей бóльшую точность.
Пусть K_n - система узловых точек a = x₀ < x₁ <…< x_n  = b. Функция  S_k(x) называется сплайн-функцией S_k(x) степени k≥0 на K_n, если

а) S_k(x) є C^k-1([a, b])

б) S_k(x) - многочлен степени не большей k
Сплайн-функция Ŝ_k(x) є S_k(K_n) называется интерполирующей сплайн-функцией, если Ŝ_k(x_j) = f(x_j) для j = 0,1,…,n
В приложениях часто бывает достаточно выбрать k=3 и применить т. н. кубическую интерполяцию.



Т. к. s(x) на каждом частичном интервале есть многочлен третьей степени, то для x є [x_j-1 ,x_j]





Здесь s²_j, c_j1, c_j0 неизвестны для j = 1, 2, …, n

Последние исключаются в силу требования s(x_j) = y_j:

Дифференцируя эту функцию и учитывая, что s'(x) на всем интервале и, следовательно, в частности, в узлах должна быть непрерывна, окончательно получаем систему уравнений:



относительно n+1 неизвестных s²₀, s²₁,…, s²_n. Для однозначного их определения в зависимости от задачи добавляются еще два уравнения:



Нормальный случай(
N):


Периодический случай(
P) (т. е.
f(
x+(
x_n-
x₀))=
f(
x)):

Заданное сглаживание на границах:


Пример: сплайн-интерполяция функции f(x)=sin x, n=4.

Функция периодическая, поэтому используем случай P.

j	xj	yj	hj	yj-yj-1
0	0	0	π/2	1
1	π/2	1	π/2	-1
2	π	0	π/2	-1
3	3π/2	-1	π/2	1
4	2π	0

Сплайн-функция получается такая:




5-2. Формула Тейлора
Разложение функций в бесконечные ряды позволяет получить значение функции в данной точке с любой точностью. Этот прием широко используется в программировании и других дисциплинах
Говорят, что функция разлагается на данном  промежутке в степенной ряд, если существует такой степенной ряд a₀ + a₁(x - a) + a₂(x - a)² + … + a_n(x - a)ⁿ + …, который на этом промежутке сходится к данной функции. Можно доказать, что это разложение единственно:











Пусть функция f(x) бесконечно дифференцируема в точке a. Степенной ряд вида



называется рядом Тейлора для функции f(x), записанным по степеням разности (x - a). Вообще, чтобы ряд Тейлора сходился к f(x) необходимо и достаточно, чтобы остаточный член ряда стремился к 0. При a = 0 ряд Тейлора обычно называют рядом Маклорена.
С помощью ряда Маклорена можно получить простые разложения элементарных функций:



5-3. Приближенные вычисления
Часто бывает, что функцию f(x) и ее производную легко вычислить при x = a, а для значений x, близких к a, непосредственное вычисление функции затруднительно. Тогда пользуются приближенной формулой, полученной с помощью формулы Тейлора:


Пример: Извлечь квадратный корень из 3654

Решение: , x₀=3654. Легко вычисляются значения f(x) и  при x = 3600. Формула при a = 3600, b=54 дает:



С помощью этой формулы можно получить несколько удобных формул для приближенных вычислений:



Заключение
Применение производной довольно широко и его сложно полностью охватить в работе такого типа, однако я попытался раскрыть основные, базовые моменты. В наше время, в связи с научно-техническим прогрессом, в частности с быстрой эволюцией вычислительных систем, дифференциальное исчисление становится все более актуальным в решении как простых, так и сверхсложных задач.




Литература

М. Я. Выгодский	Справочник по высшей математике
И. Н. Бронштейн,  К. А. Семендяев	Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов
И. М. Уваренков,  М. З. Маллер	Курс математического анализа,т.1
В. А. Дударенко,  А.А. Дадаян	Математический анализ
Н. С. Пискунов	Дифференциальное и интегральное исчисления
Т. И. Трофимова	Курс физики
О. О. Замков А. В. Толстопятенко Ю. Н. Черемных	Математические методы в экономике
А. С. Солодовников В. А. Бабайцев А. В. Браилов И .Г. Шандра	Математика в экономике

Содержание:

Введение

1. Понятие производной

  1-1. Исторические сведения

  1-2. Понятие производной

  1-3. Правила дифференцирования и таблица производных

2. Геометрический смысл производной

  2-1. Касательная к кривой

  2-2. Касательная плоскость к поверхности

3. Использование производной в физике

  3-1. Скорость материальной точки

  3-2. Теплоемкость при данной температуре

  3-3. Мощность

4. Дифференциальное исчисление в экономике

  4-1. Исследование функций

  4-2. Эластичность спроса

  4-3. Предельный анализ

5. Производная в приближенных вычислениях

  5-1. Интерполяция

  5-2. Формула Тейлора

  5-3. Приближенные вычисления

Заключение

Список использованной литературы