Применение производной функции

Уравнение касательной, как всякой прямой, проходящей через данную точку в данном направлении, имеет вид – текущие координаты. Но и уравнение касательной запишется так: . Уравнение нормали запишется в виде .

 

1.7. Механический смысл производной

Механическое истолкование производной было впервые дано И. Ньютоном. Оно заключается в следующем: скорость движения материальной точки в данный момент времени равна производной пути по времени, т.е. Таким образом, если закон движения материальной точки задан уравнением , то для нахождения мгновенной скорости точки в какой-нибудь определённый момент времени нужно найти производную и подставить в неё соответствующее значение t.

 

 

1.8. 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. Использование производной в физике

 

2.1. 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

 
2.2. 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.

 
2.3. 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:

. 

3. Дифференциальное исчисление в экономике

 
3.1. 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 x0меняет 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 x0функция 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 → qextr = 4

при q < qextr = 4 → π'(q) < 0 и прибыль убывает

при q > qextr = 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.

3.2. Эластичность спроса

Эластичностью функции f(x) в точке x0 называют предел

Спрос – это количество товара, востребованное покупателем. Ценовая эластичность спроса ED – это величина, характеризующая то, как спрос реагирует на изменение цены. Если │ED│>1, то спрос называется эластичным, если │ED│<1, то неэластичным. В случае ED=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.

3.3. 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.

 

4. Исследование функций с помощью производной

 

Задача №1. Объём бревна. Круглым деловым лесом называют брёвна правильной формы без дефектов древесины с относительно небольшой разницей диаметров толстого и тонкого концов. При определении объёмов круглого делового леса обычно применяют упрощённую формулу , где – длина бревна, – площадь его среднего сечения. Выясните, завершается или занижается при этом реальный объём; оцените относительную погрешность.

Решение. Форма круглого делового леса близка к усечённому конусу. Пусть – радиус большего, меньшего конца бревна. Тогда его почти точный объём (объём усеченного конуса) можно, как известно, найти по формуле . Пусть – значение объёма, вычисленное по упрощённой формуле. Тогда ;

, т.е. . Значит, упрощённая формула даёт занижение величины объёма. Положим теперь . Тогда . Отсюда видно, что относительная погрешность не зависит от длины бревна, а определяется отношением . Поскольку при возрастает на промежутке [1; 2]. Поэтому , а значит, относительная погрешность не превосходит 3,7%. В практике лесоведения такая погрешность считается вполне допустимой. С большей точностью практически невозможно измерить ни диаметры торцов (ведь они несколько отличаются от кругов), ни длину бревна, поскольку измеряют не высоту, а образующую конуса (длина бревна в десятки раз больше диаметра, и это не приводит к большим погрешностям). Таким образом, на первый взгляд неправильная, но более простая формула для объёма усечённого конуса в реальной ситуации оказывается вполне правомерной. Многократно проводившиеся с помощью специальных методов проверки показали, что при массовом учёте делового леса относительная погрешность при использовании рассматриваемой формулы не превосходит 4%.

Задача №2. При определении объёмов ям, траншей вёдер и других ёмкостей, имеющих форму усечённого конуса, в с/х практике иногда пользуются упрощённой формулой , где – высота, – площади оснований конуса. Выясните, завышается или занижается при этом реальный объём, оцените относительную погрешность при естественном для практики условии: ( – радиусы оснований, .

Решение. Обозначив через истинное значение объёма усечённого конуса, а через значение, вычисленное по упрощённой формуле, получим: , т.е. . Значит, упрощённая формула даёт завышение величины объёма. Повторив далее решение предыдущей задачи, найдём, что относительная погрешность будет не больше 6,7%. Вероятно, такая точность допустима при нормировании землеройных работ – ведь ямы не будут идеальными конусами, да и соответствующие параметры в реальных условиях замеряют весьма грубо.

Задача №3. В специальной литературе для определения угла β поворота шпинделя фрезерного станка при фрезеровании муфт с зубьями выводится формула , где . Так как эта формула сложна, то рекомендуется отбросить её знаменатель и пользоваться упрощённой формулой . При каких ( – целое число, ) можно пользоваться этой формулой, если при определении угла допускается погрешность в ?

Решение. Точную формулу после несложных тождественных преобразований можно привести к виду . Поэтому при использовании приближённой формулы допускается абсолютная погрешность , где . Исследуем функцию на отрезке [8; 50]. При этом 0,06, т.е. угол принадлежит первой четверти. Имеем: . Заметим, что на рассматриваемом промежутке, а значит, функция на этом промежутке убывает. Поскольку далее , то при всех рассматриваемых . Значит, . Так как радиан, то достаточно решить неравенство . Решая это неравенство подбором, находим, что , . В силу того, что функция убывает, следует, что .

 

Список литературы

1. В.А. Петров «Математический анализ в производственных задачках»
2. И.Л. Соловейчик, В.Т. Лисичкин  «Математика»
3. В. А. Дударенко, А.А. Дадаян «Математический анализ»
4. Т. И. Трофимова «Курс физики»
5. О. О. Замков, А. В. Толстопятенко, Ю. Н. Черемных «Математические методы в экономике»
6. Н. С. Пискунов «Дифференциальное и интегральное исчисления»
7. М. Я. Выгодский «Справочник по высшей математике»