Применение дифференциала к приближенным вычислениям примеры. Применение дифференциала к приближенным вычислениям

Понятие дифференциала

Пусть функция y = f (x ) дифференцируема при некотором значении переменной x . Следовательно, в точке x существует конечная производная

Тогда по определению предела функции разность

является бесконечно малой величиной при . Выразив из равенства (1) приращение функции, получим

(2)

(величина не зависит от , т. е. остаётся постоянной при ).

Если , то в правой части равенства (2) первое слагаемое линейно относительно . Поэтому при

оно является бесконечно малой того же порядка малости, что и . Второе слагаемое - бесконечно малая более высокого порядка малости, чем первое, так как их отношение стремится к нулю при

Поэтому говорят, что первое слагаемое формулы (2) является главной, линейной относительно частью приращения функции; чем меньше , тем большую долю приращения составляет эта часть. Поэтому при малых значениях (и при ) приращение функции можно приближенно заменить его главной частью , т.е.

Эту главную часть приращения функции называют дифференциалом данной функции в точке x и обозначают

Следовательно,

(5)

Итак, дифференциал функции y = f (x ) равен произведению её производной на приращение независимой переменной.

Замечание. Нужно помнить, что если x – исходное значение аргумента,

Наращенное значение, то производная в выражении дифференциала берётся в исходной точке x ; в формуле (5) это видно из записи, в формуле (4) – нет.

Дифференциал функции можно записать в другой форме:

Геометрический смысл дифференциала. Дифференциал функции y = f (x ) равен приращению ординаты касательной, проведённой к графику этой функции в точке (x ; y ), при изменении x на величину .

Свойства дифференциала. Инвариантность формы дифференциала

В этом и следующем параграфах каждую из функций будем считать дифференцируемой при всех рассматриваемых значениях её аргументов.

Дифференциал обладает свойствами, аналогичными свойствам производной:

(С – постоянная величина) (8)

(9)

(12)

Формулы (8) – (12) получаются из соответствующих формул для производной умножением обеих частей каждого равенства на .

Рассмотрим дифференциал сложной функции. Пусть - сложная функция :

Дифференциал

этой функции, используя формулу для производной сложной функции, можно записать в виде

Но есть дифференциал функции , поэтому

(13)

Здесь дифференциал записан в том же виде, как и в формуле (7), хотя аргумент является не независимой переменной, а функцией . Следовательно, выражение дифференциала функции в виде произведения производной этой функции на дифференциал её аргумента справедливо независимо от того, является ли аргумент независимой переменной или функцией другой переменной. Это свойство называютинвариантностью (неизменностью) формы дифференциала.

Подчеркнём, что в формуле (13) нельзя заменить на , так как

для любой функции , кроме линейной.

Пример 2. Записать дифференциал функции

двумя способами, выражая его: через дифференциал промежуточной переменной и через дифференциал переменной x . Проверить совпадение полученных выражений.

Решение. Положим

а дифференциал запишется в виде

Подставляя в это равенство

Получаем

Применение дифференциала в приближенных вычислениях

Установленное в первом параграфе приближенное равенство

позволяет использовать дифференциал для приближенных вычислений значений функции.

Запишем приближенное равенство более подробно. Так как

Пример 3. Пользуясь понятием дифференциала, вычислить приближенно ln 1,01.

Решение. Число ln 1,01 является одним из значений функции y = ln x . Формула (15) в данном случае примет вид

Следовательно,

что является очень хорошим приближением: табличное значение ln 1,01 = 0,0100.

Пример 4. Пользуясь понятием дифференциала, вычислить приближенно

Решение. Число
является одним из значений функции

Так как производная этой функции

то формула (15) примет вид

получаем

(табличное значение

).

Пользуясь приближенным значением числа, нужно иметь возможность судить о степени его точности. С этой целью вычисляют его абсолютную и относительную погрешности.

Абсолютная погрешность приближенного числа равна абсолютной величине разности между точным числом и его приближенным значением:

Относительной погрешностью приближенного числа называется отношение абсолютной погрешности этого числа к абсолютной величине соответствующего точного числа:

Умножая на 4/3, находим

Принимая табличное значение корня

за точное число, оценим по формулам (16) и (17) абсолютную и относительную погрешности приближенного значения:

НоΔ y = Δ f (х 0) – приращение функции, а f  (х 0) Δx = d f (х 0) – дифференциал функции.

Поэтому окончательно получаем

Теорема 1. Пусть функция у = f (х ) в точке х 0 имеет конечную производную f  (х 0)≠0. Тогда для достаточно малых значений Δxимеет место приближенное равенство (1), которое становится сколь угодно точным при Δx → 0.

Таким образом, дифференциал функции в точке х 0 приближенно равен приращению функции в этой точке.

Т.к. то из равенства (1) получаем

при Δx → 0 (2)

при x → х 0 (2  )

Поскольку уравнение касательной к графику функции y = f (x ) в точке х 0 имеет вид

То приближенные равенства (1)-(2) геометрически означают, что вблизи точки x=x 0 график функции у=f (х ) приближенно заменяется касательной к кривой у = f (х ).

При достаточно малых значениях полное приращение функции и дифференциал отличаются незначительно, т.е. . Это обстоятельство используется для приближенных вычислений.

Пример 1. Вычислить приближенно .

Решение. Рассмотрим функцию и положим х 0 = 4, х = 3,98. Тогда Δx = x – x 0 = – 0,02, f (x 0)= 2. Поскольку , то f  (х 0)=1/4=0,25. Поэтому по формуле (2) окончательно получаем: .

Пример 2. С помощью дифференциала функции установить, на сколько приближенно изменится значение функции y =f (х )=(3x 3 +5)∙tg4x при уменьшении значения ее аргумента х 0 = 0 на 0,01.

Решение. В силу (1) изменение функции у = f (х ) в точке х 0 приближенно равно дифференциалу функции в этой точке при достаточно малых значениях Dx :

Вычислим дифференциал функции df (0). Имеем Dx = –0,01. Так как f  (х )= 9x 2 ∙tg4x + ((3x 3 +5)/ cos 2 4x )∙4, то f  (0)=5∙4=20 и df (0)=f  (0)∙Δx = 20·(–0,01) = –0,2.

Поэтому Δf (0) ≈ –0,2, т.е. при уменьшении значения х 0 = 0 аргумента функции на 0,01 само значение функции y =f (х ) приближенно уменьшится на 0,2.

Пример 3. Пусть функция спроса на товар имеет вид . Требуется найти объем спроса на товар при цене p 0 =3 ден.ед. и установить, на сколько приближенно увеличится спрос при уменьшении цены товара на 0,2 ден.ед.

Решение. При цене p 0 =3 ден.ед. объем спроса Q 0 =D (p 0)=270/9=30 ед. товара. Изменение цены Δp = –0,2 ден. ед. В силу (1) ΔQ (p 0) ≈ dQ (p 0). Вычислим дифференциал объема спроса на товар.

Поскольку, то D  (3) = –20 и

дифференциал объема спроса dQ (3) = D  (3)∙Δp = –20·(–0,2) = 4. Следовательно, ΔQ (3) ≈ 4, т.е. при уменьшении цены товара p 0 =3 на 0,2 ден.ед. объем спроса на товар увеличится приближенно на 4 ед.товара и станет равным приближенно 30+4=34 ед.товара.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется дифференциалом функции?

2. Каков геометрический смысл дифференциала функции?

3. Перечислите основные свойства дифференциала функции.

3. Напишите формулы, позволяющие находить приближенное значение функции при помощи её дифференциала.

Дифференциалом функции в точкеназывается главная, линейная относительно приращения аргумента
часть приращения функции
, равная произведению производной функции в точкена приращение независимой переменной:

.

Отсюда приращение функции
отличается от ее дифференциала
на бесконечно малую величину и при достаточно малых значениях можно считать
или

Приведенная формула используется в приближенных вычислениях, причем, чем меньше
, тем точнее формула.

Пример 3.1. Вычислить приближенно

Решение . Рассмотрим функцию
. Это степенная функция и её производная

В качестве требуется взять число, удовлетворяющее условиям:

Значение
известно или достаточно просто вычисляется;

Число должно быть как можно более близким к числу 33,2.

В нашем случае этим требованиям удовлетворяет число = 32, для которого
= 2,
= 33,2 -32 = 1,2.

Применяя формулу, находим искомое число:

+
.

Пример 3.2. Найти время удвоения вклада в банк, если ставка банковского процента за год составляет 5% годовых.

Решение. За год вклад увеличивается в
раз, а залет вклад увеличится в
раз. Теперь необходимо решить уравнение:
=2. Логарифмируя, получаем, откуда
. Получим приближенную формулу для вычисления
. Полагая
, найдем
и в соответствии с приближенной формулой. В нашем случае
и
. Отсюда. Так как
, находим время удвоения вклада
лет.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение дифференциала функции в точке.

2. Почему формула, используемая для вычислений, является приближенной?

3. Каким условиям должно удовлетворять число , входящее в приведенную формулу?

Задачи для самостоятельной работы

Вычислить приближённое значение
, заменив в точке
приращение функции
ее дифференциалом.

Таблица 3.1

Номер варианта

4 . Исследование функций и построение их графиков

Если функция одной переменной задана в виде формулы
, то областью ее определения называют такое множество значений аргумента, на котором определены значения функции.

Пример 4.1. Значение функции
определены только для неотрицательных значений подкоренного выражения:
. Отсюда областью определения функции является полуинтервал , так как значение тригонометрической функции
удовлетворяют неравенству: -1
1.

Функция
называетсячетной, если для любых значений из области ее определения выполняется равенство

,

и нечетной, если справедливо другое соотношение:
. В других случаях функцию называют функцией общего вида.

Пример 4.4. Пусть
. Проверим: . Таким образом, эта функция является четной.

Для функции
верно. Отсюда эта функция является нечетной.

Сумма предыдущих функций
является функцией общего вида, так как функцияне равна
и
.

Асимптотой графика функции
называется прямая, обладающая тем свойством, что расстояние от точки (;
) плоскости до этой прямой стремится к нулю при неограниченном удалении точки графика от начала координат. Различают вертикальные (рис. 4.1), горизонтальные (рис. 4.2) и наклонные (рис. 4.3) асимптоты.

Рис. 4.1. График

Рис. 4.2. График

Рис. 4.3. График

Вертикальные асимптоты функции следует искать либо в точках разрыва второго рода (хотя бы один из односторонних пределов функции в точке бесконечен или не существует), либо на концах ее области определения
, если
– конечные числа.

Если функция
определена на всей числовой оси и существует конечный предел
, либо
, то прямая, задаваемая уравнением
, является правосторонней горизонтальной асимптотой, а прямая
- левосторонней горизонтальной асимптотой.

Если существуют конечные пределы

и
,

то прямая
является наклонной асимптотой графика функции. Наклонная асимптота также может быть правосторонней (
) или левосторонней (
).

Функция
называется возрастающей на множестве
, если для любых
, таких, что>, выполняется неравенство:
>
(убывающей,если при этом:
<
). Множество
в этом случае называют интервалом монотонности функции.

Справедливо следующее достаточное условие монотонности функции: если производная дифференцируемой функции внутри множества
положительна (отрицательна), то функция возрастает (убывает) на этом множестве.

Пример 4.5. Дана функция
. Найти ее интервалы возрастания и убывания.

Решение. Найдем ее производную
. Очевидно, что>0 при>3 и<0 при<3. Отсюда функция убывает на интервале (
;3) и возрастает на (3;
).

Точка называется точкойлокального максимума (минимума) функции
, если в некоторой окрестности точкивыполняется неравенство
(
) . Значение функции в точке называетсямаксимумом (минимумом). Максимум и минимум функции объединяются общим названием экстремум функции.

Для того чтобы функция
имела экстремум в точкенеобходимо, чтобы ее производная в этой точке равнялась нулю (
) или не существовала.

Точки, в которых производная функции равна нулю, называются стационарными точками функции. В стационарной точке не обязательно должен быть экстремум функции. Для нахождения экстремумов требуется дополнительно исследовать стационарные точки функции, например, путем использования достаточных условий экстремума.

Первое из них заключается в том, что если при переходе через стационарную точку слева направо производная дифференцируемой функции меняет знак с плюса на минус, то в точке достигается локальный максимум. Если знак изменяется с минуса на плюс, то это точка минимума функции.

Если же изменение знака производной при переходе через исследуемую точку не происходит, то в данной точке экстремума нет.

Второе достаточное условие экстремума функции в стационарной точке использует вторую производную функции: если
<0, тоявляется точкой максимума, а если
>0, то- точка минимума. При
=0 вопрос о типе экстремума остается открытым.

Функция
называетсявыпуклой (вогнутой ) на множестве
, если для любых двух значений
выполняется неравенство:

.

Рис.4.4. График выпуклой функции

Если вторая производная дважды дифференцируемой функции
положительна (отрицательна) внутри множества
, то функция вогнута (выпукла) на множестве
.

Точкой перегиба графика непрерывной функции
называется точка, разделяющие интервалы, в которых функция выпукла и вогнута.

Вторая производная
дважды дифференцируемой функции в точке перегибаравна нулю, то есть
= 0.

Если вторая производная при переходе через некоторую точку меняет свой знак, тоявляется точка перегиба ее графика.

При исследовании функции и построении ее графика рекомендуется использовать следующую схему:

Абсолютная погрешность

Определение

Величина абсолютной разности между точным и приближенным u0 значением величины называется абсолютной погрешностью приближенной величины u0. Абсолютную погрешность обозначают $\Delta $u:

$\Delta u = |u - u0| $

Чаще всего точное значение u, а следовательно, и абсолютная погрешность $\Delta $u неизвестны. Поэтому вводят понятие границы абсолютной погрешности.

Граница погрешности приближенной величины

Определение

Любое положительное число больше либо равное абсолютной погрешности является границей погрешности приближенной величины:

\[|u-u_{0} |=\Delta _{u} \le \overline{\Delta _{u} }\]

Значит, точное значение величины содержится между $u_{0} -\overline{\Delta _{u} }$ и $u_{0} +\overline{\Delta _{u} }$

Если граница абсолютной погрешности при нахождении некоторой величины u равна $\overline{\Delta _{u} }$, то говорят, что величина u найдена с точностью $\overline{\Delta _{u} }$.

Относительная погрешность и ее граница

Определение

Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности $\Delta $u к модулю приближенного значения u0 измеряемой величины.

Обозначая относительную погрешность символом $\delta $u, получим

\[\delta _{u} =\frac{\Delta _{u} }{\left|u_{0} \right|} \]

Определение

Границей относительной погрешности называется отношение границы абсолютной погрешности, к модулю приближенного значения измеряемой величины:

\[\overline{\delta _{u} }=\frac{\overline{\Delta _{u} }}{\left|u_{0} \right|} \]

$\delta _{u} $ и $\overline{\delta _{u} }$ часто выражают в процентах.

Дифференциал функции

Дифференциал функции обозначается dy и имеет запись вида:

dy = f "(x) $\Delta $х

В ряде случаев, вычисление приращения функции заменяется вычислением дифференциала функции с некоторым приближением. Дифференциал функции вычисляется проще, т.к. требует нахождения лишь ее производной для расчета произведения с независимой переменной:

\[\Delta y\approx dy\]

Поскольку

\[\Delta y=f(x+\Delta x)-f(x)\] \

Наращенное значение функции имеет вид:

С помощью этой приближенной формулы можно находить приближенное значение функции в точке $x + \Delta х$, близкой к х по известному значению функции.

Для приближенных вычислений используется формула:

\[(1+\Delta x)^{n} \approx 1+n\Delta x\]

Например:

1. Приближенно вычислить $(1,02)^3$

Где $\Delta $х = 0,03, n = 5

\[(1,02)^{3} \approx 1+0,02\cdot 3\]

Где $\Delta $х = 0,03, n = 5

\[(1,02)^{3} \approx 1,06\]

2. Приближенно вычислить $\sqrt{1,005} $

Где $\Delta $х = 0,005, n =0,5

\[\sqrt{1,005} \approx 1+0,5\cdot 0,005\] \[\sqrt{1,005} \approx 1,0025\]

Пример 1

Приближенно рассчитать увеличение объема цилиндра с высотой H = 40см. и радиусом основания R = 30см при увеличении радиуса основания на 0,5 см.

Решение. Объем цилиндра V при постоянной высоте H и переменном радиусе основания R это функция вида:

Запишем приращение функции:

\ \[\Delta V\approx 2\pi HR\cdot \Delta R\]

Заменим известные величины

\[\Delta V\approx 2\pi \cdot 40\cdot 30\cdot 0,5=1200\pi \approx 3770 см^{3} \]

Пример 2

Прямым измерением найдено, что диаметр круга равен 5,2 см, причем максимальная погрешность измерения составляет 0,01. Найти приближенную относительную и процентную погрешности в вычисленной площади этого круга.

Относительная погрешность вычисления площади находится по формуле:

\[\delta _{s} =\frac{\Delta s}{s} \]

Приближенное значение получается в следствие замены $\Delta $s на ds. Поэтому приближенный расчет будет производиться по формуле:

\[\delta _{s} =\frac{ds}{s} \]

Поскольку площадь круга с радиусом х равна:

\ \

Таким образом,

\[\delta _{s} =\frac{\frac{1}{2} \pi xdx}{\frac{1}{4} \pi x^{2} } =2\frac{dx}{x} \]

Заменим х и dx числовыми значениями

\[\delta _{s} =2\frac{0,01}{5,2} \approx 0,004\]

(что составляет погрешность 4%)