Лекция 5.
Основные теоремы дифференциального исчисления.
Теорема Ферма. Пусть функция определена на интервале и в некоторой точке этого интервала принимает наибольшее или наименьшее значение. Тогда, если в точке существует конечная производная, то она равна нулю.
Теорема Ролля. Пусть на определена функция , причем:
1) непрерывна на , |
2) дифференцируема на , |
3) . |
Тогда существует точка такая что , и .
Теорема Лагранжа. Пусть на определена функция , причем:
1) непрерывна на , |
2) дифференцируема на . |
Тогда существует точка такая что , и .
Формула Лагранжа. Равенство
называется формулой Лагранжа, или формулой конечных приращений.
Теорема Коши. Пусть:
1) , непрерывна на , |
2) , дифференцируема на , |
3) на . |
Тогда существует точка такая, что и справедлива формула:
.
Раскрытие неопределенностей. Правило Лопиталя.
Определение. Будем говорить, что отношение двух функций при есть неопределенность вида , если . Раскрыть эту неопределенность – означает вычислить предел , если он существует, или установить, что он не существует.
Теорема Лопиталя. Пусть функции и определены и дифференцируемы в некоторой окрестности точки , за исключением, быть может, самой точки . Пусть также и в указанной окрестности точки . Тогда, если существует предел отношения , то существует и предел , причем справедливо соотношение
Rem.1. Теорема остается справедливой в случае когда и .
Rem.2. Если производные и также удовлетворяют условиям теоремы Лопиталя, то теорему можно применять повторно:
Rem.3. Теорема остается верной и в случае, когда .
Определение. Будем говорить, что отношение двух функций при есть неопределенность вида , если
или .
Для раскрытия этой неопределенности справедливо утверждение, аналогичное теореме Лопиталя, а именно: если в формулировке теоремы изменить условие на , то теорема останется справедливой.
Неопределенности вида и можно свести к неопределенности или к .
Формула Тейлора.
Теорема Тейлора. Пусть функция имеет в точке и некоторой ее окрестности производные порядка . Пусть любое значение аргумента из указанной окрестности. Тогда между точками и найдется точка такая, что справедлива формула Тейлора:
Формула Лагранжа.
.
Формула Маклорена. Формулу Тейлора при называют формулой Маклорена:
.
Остаточный член имеет вид
1. в форме Лагранжа: ;
2. в форме Пеано: .
Геометрическое исследование поведения функции.
· Признак монотонности функции.
Если функция дифференцируема на интервале и , то функция не убывает на .
Если функция дифференцируема на интервале и , то функция не возрастает на .
Если функция дифференцируема на интервале и , то функция возрастает на .
Если функция дифференцируема на интервале и , то функция убывает на .
· Отыскание точек локального экстремума.
Определение. Точка называется точкой строгого локального максимума функции если для всех из некоторой окрестности точки выполняется неравенство при .
Определение. Точка называется точкой строгого локального минимума функции если для всех из некоторой окрестности точки выполняется неравенство при .
Необходимое условие локального экстремума. Если функция имеет в точке локальный экстремум и дифференцируема в этой точке, то .
Геометрический смысл. Если точки - точки локального экстремума и в этих точках существуют касательные к графику функции, то эти касательные параллельны оси .
Точку , для которой выполнено соотношение , называют точкой возможного экстремума.
Достаточное условие локального экстремума. Пусть функция непрерывна в некоторой окрестности точки и дифференцируема в проколотой окрестности точки . Тогда:
o если для всех из левой окрестности точки , а для всех из правой окрестности , то в точке функция имеет локальный максимум;
o если для всех из левой окрестности точки , а для всех из правой окрестности , то в точке функция имеет локальный минимум;
o если же в окрестности точки имеет один и тот же знак, то в точке локального экстремума нет.
· Направление выпуклости и точки перегиба графика функции.
Определение. График функции имеет на выпуклость направленную вниз, если он расположен не ниже любой касательной к графику функции на .
Определение. График функции имеет на выпуклость направленную вверх, если он расположен не выше любой касательной к графику функции на .
Достаточное условие выпуклости. Пустьфункция имеет на интервале конечную . Тогда:
o если во всех точках , то график функции на имеет выпуклость, направленную вниз;
o если во всех точках , то график функции на имеет выпуклость, направленную вверх.
Определение. Точка называется точкой перегиба графика функции , если существует такая окрестность точки , в пределах которой график функции слева и справа от точки имеет разные направления выпуклости.
Необходимое условие точки перегиба. Пусть график функции имеет перегиб в точке и пусть функция имеет в точке непрерывную вторую производную, тогда .
Определени е. Точка графика функции , для которой называется критической.
Достаточное условие точки перегиба. Пусть функция непрерывна, имеет конечную в некоторой проколотой окрестности точки . Тогда, если в пределах указанной окрестности имеет разные знаки слева и справа от точки , то график функции имеет перегиб в точке .
· Асимптоты графика функции. Прямая линия называется асимптотой для кривой , если расстояние от точки , лежащей на кривой, до прямой стремится к нулю при удалении точки от начала координат в бесконечность.
Определение. Прямая называется вертикальной асимптотой графика функции , если хотя бы один из пределов или равен или .
Определение. Прямая называется горизонтальной асимптотой графика функции , при если хотя бы один из пределов или равен .
Определение. Прямая называется наклонной асимптотой графика функции , при если существуют числа и такие, что , .
· Схема исследования графика функции.
1. Определить область существования функции.
2. Найти точки пересечения графика функции с осями координат.
3. Найти асимптоты.
4. Найти точки возможного экстремума.
5. Найти критические точки.
6. Провести исследование знака первой и второй производных. Определить участки возрастания, убывания и направления выпуклости, найти точки экстремумов и точки перегиба.
7. Построить график.
· Касательная к графику функции в точке
.
· Нормаль к графику функции в точке
.