Примерный вариант контрольной работы № 3
По дифференциальному исчислению в случае функции одной переменной
1. Найти производную по правилам и формулам дифференцирования
а) 
б) 
2. Функция 
задана в параметрической форме
Найти параметрическую форму её производной 
3. Показать, что функция 
является решением дифференциального уравнения 
4. Написать уравнение касательной к параболе 
в точке ее пересечения с осью 
Построить параболу и ее касательную в декартовой системе координат.
5. Тело движется прямолинейно по закону 
где 
измеряется в секундах, а 
– в метрах. Определить скорость и ускорение в момент времени 
с.
Решение задачи № 1
В этой задаче требуется найти производные функций, заданных явно.
В примере а) функция
представляет собой сумму трех функций 
где 
и 
По правилу дифференцирования суммы трех функций имеем 
Найдём производную функции 
Для этого сначала воспользуемся правилом дифференцирования произведения двух функций:
,
в результате получаем, что
Для вычисления производных, входящих в это выражение воспользуемся теоремой о дифференцировании сложной функции.
Теорема (цепное правило ). Пусть функция 
имеет в точке 
производную 
, а функция 
имеет в точке 
производную 
Тогда сложная функция 
имеет в точке производную
Функция называется внешней функцией, а –внутренней функцией. (Производная сложной функции равна произведению производной внешней функции на производную внутренней функции.)
|
|
|
В обозначениях Лейбница эта теорема формулируется более изящно:
Применим цепное правило для вычисления производной функции 
Для этого положим 
и 
. Тогда 
Так как 
и 
, то, имеем 
В обозначениях Лейбница те же вычисления принимают вид
Здесь при вычислении производной 
с функцией 
обращаемся как с единым символом.
Конечно, цепное правило можно применять повторно. Вычисляя производную функции 
, получаем
Подставляя вычисленные производные 
и 
в выражение 
имеем
Для завершения решения примера а) осталось вычислить производные функций 
и 
:
Окончательно получаем:
В примере б) функция 
представляет собой частное двух сложных функций. Применяя правило дифференцирования частного, получаем
С помощью цепного правила вычислим производные функций, входящие в правую часть выражения (4):
После подстановки этих производных в формулу (4), окончательно получаем
Решение задачи № 2
В этой задаче требуется найти производную функции 
, заданную параметрическими уравнениями:
|
|
|
Для этого воспользуемся формулой
которая позволяет вычислить значение производной 
от функции, заданной в параметрической форме, не находя непосредственной зависимости 
от 
.
Вычислим производные 
и 
Следовательно,
Обращаем Ваше внимание, что производная от функции, заданной в параметрической форме, также оказывается функцией, заданной в параметрической форме:
Замечание. Пусть параметр 
меняется в интервале: 
Тогда переменная 
меняется в интервале: 
и (в нашем случае, исключая параметр из параметрических уравнений) можно получить явное задание функции 
и ее производной 
Решение задачи № 3
В этой задаче требуется показать, что функция 
является решением дифференциального уравнения второго порядка 
Для этого нужно найти её первую и вторую производные, подставить их в левую часть уравнения и убедиться в справедливости полученного равенства.
Используя цепное правило, вычислим предварительно производные следующих сложных функций:
и 
Тогда
Вычислим вторую производную. По определению вторая производная есть первая производная от первой производной.
|
|
|
Подставим теперь функцию 
и найденные ее производные в левую часть уравнения:
( вынесем общий множитель 
и сгруппируем слагаемые, содержащие функции 
и 
)
Равенство нулю значения левой части уравнения показывает, что функция 
является решением дифференциального уравнения второго порядка
Решение задачи № 4
Напомним одно из определений производной и ее геометрический смысл.
Определение. Пусть функция 
определена в некоторой окрестности точки 
Функция имеет производную 
в точке 
если она допускает следующее представление
где 
или, что то же самое,
непрерывна в точке 
и 
График линейной функции
где 
есть прямая, которая называется касательной к графику функции в точке 
Если касательная составляет угол 
с положительным направлением оси 
то число 
называется угловым коэффициентом (или наклоном) касательной (см. рис. 1).
Число же
указывает ошибку, которую мы допускаем, если при вычислении значения 
в точках , близких к , заменяем график функции 
её касательной в точке 
Приступим к решению нашей задачи. Для этого найдем координаты точки касания 
Так как 
одновременно является точкой пересечения параболы с осью 
то абсцисса 
и, следовательно, ордината точки касания
|
|
|
Найдем угловой коэффициент касательной 
Для этого вычислим производную 
и найдем ее значение в точке , таким образом,
Уравнение касательной к параболе в точке 
с угловым коэффициентом 
будет иметь вид
или 
Осталось построить параболу 
и ее касательную 
в декартовой системе координат.
Прямую 
строим по двум точкам и 
(см. рис. 2).
Парабола 
имеет вершину в точке 
и ее ветви направлены вверх. Прямая 
является осью симметрии параболы.
Решение задачи № 5
Условимся, что при решении задач, использующих размерные величины, будем применять основные единицы измерения международной системы СИ.
Напомним механический смысл первой и второй производных.
Рассмотрим частицу, движущуюся вдоль прямой (прямолинейное движение). Под частицей понимается тело, размерами которого можно пренебречь, так что его можно считать математической точкой. Выберем на прямой, по которой движется наша точка, точку 
и положительное направление. Длину будем измерять в метрах, а время в секундах. Выберем, далее, момент времени, начиная с которого отсчитывается время.
Таким образом, предполагаем, что частица движется вдоль числовой прямой и это движение описывается функцией 
сопоставляющей каждому моменту времени координату 
частицы в этот момент.
Тогда
скорость 
частицы есть первая производная пути по времени: 
ускорение 
частицы есть первая производная скорости по времени: 
или
вторая производная пути по времени: 
Здесь использованы для производных «громоздкие» обозначения Лейбница, которые позволяют легко определить размерность скорости и ускорения при любом выборе единиц измерения, в нашем случае 
и 
(квадратные скобки используются для обозначения размерности величины, стоящей внутри них). 
Компактные обозначения производных Лагранжа 
и 
такими достоинствами не обладают.
Приступим к решению нашей задачи. Так как тело (частица) движется прямолинейно по закону 
то его скорость
ускорение
Вычислим скорость и ускорение в момент времени 
с:
( скорость есть векторная величина, отрицательное ее значение соответствует направлению, противоположному выбранному нами положительному направлению на прямой);
Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 188; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!