240-1630 (Основные понятия дифференциального исчисления и история их развития (Бакалавр))
Описание файла
Документ из архива "Основные понятия дифференциального исчисления и история их развития (Бакалавр)", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "математика" из , которые можно найти в файловом архиве . Не смотря на прямую связь этого архива с , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "рефераты, доклады и презентации", в предмете "математика" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "240-1630"
Текст из документа "240-1630"
Министерство общего и профессионального образования
Астраханский Государственный Педагогический Университет
Бакалаврская работа
Студентки IV курса физико–математического факультета
Ночевной Светланы Павловны
Кафедра:
Математического анализа
Тема:
Основные понятия дифференциального исчисления и история их развития
Научный руководитель
ст. преподаватель
Пономарёва Н.Г.
Астрахань
1998 г.
План.
-
Основные понятия дифференциального исчисления функций одной переменной.
-
Определение производной и её геометрический смысл.
-
Дифференциальные функции. Определение дифференциала.
-
Инвариантность формы первого дифференциала.
-
Дифференциал суммы, произведения и частного.
-
Геометрическая интерпретация дифференциала.
-
Основные понятия интегрального исчисления функций одной переменной.
-
Первообразная функция и неопределённый интеграл.
-
Геометрический смысл неопределённого интеграла.
-
Основные свойства неопределённого интеграла.
-
Метод непосредственного интегрирования.
-
Метод замены переменной (способ подстановки).
-
Интегрирование по частям.
-
Определённый интеграл как предел интегральной суммы.
-
Основные свойства определённого интеграла.
-
Геометрический смысл определённого интеграла.
-
Теорема Ньютона–Лейбница.
-
Формула Ньютона–Лейбница.
-
Замены переменных в определённых интегралах.
-
Интегрирование по частям.
Исторические сведения о возникновении и развитии основных понятий.
-
Происхождение понятия определённого интеграла и инфинитезимальные методы Архимеда.
-
От Архимеда к Кеплеру и Кавальери.
-
Теорема Паскаля.
-
«О глубокой геометрии» Лейбница.
-
«Метод флюксий» Ньютона.
-
Дифференциальные методы.
Цель работы: «Изучить основные понятия дифференциального и интегрального исчислений и ознакомиться с историей их развития».
1.Основные понятия дифференциального исчисления функций одной переменной.
1.1.Определение производной и её геометрический смысл.
Пусть функция y = f(х) определена в окрестности точки хо. возьмём точку х1 этой окрестности, отличную от хо.
Определение. Разность х1 – х0, которую обозначают символом х, будем называть приращением независимой переменной.
Определение. Подобным образом соответствующая разность
у1 – у0 = f(х1) – f(х0), обозначается символом у и называется приращением зависимой переменной, или приращением функции.
Получаются следующие соотношения:
х1 = х0 + х,
у1 = у0 + у,
у0 + у = f(х0 + х)
Так как у0 = f(х0),
то у = f(х0 + х) – f(х0).
у f(х0+х)– f(х0)
х х
О пределение. Частное будем называть разностным отношением.
Выражение f(х0+х)– f(х0)
х
(принимая что х0 имеет определённое постоянное значение) можно считать функцией приращения х.
Определение. Если предел этого выражения при х, стремящемся к нулю, существует, то его мы будем называть производной функции у = f(х) по х в точке х0
И так, = = f’(х0) = у’х = у’=
Пример. у=х2 . Вычислите производную для х=2.
Имеем: f(х+х) = (х+х)2 ,
Поэтому у = (х+х)2 – х2 = 2хх+(х)2
Отсюда = 2х+х
Переходя к пределу получим: = 2х + = 2х.
Д ля того, чтобы отношение имело предел, необходимо, чтобы , то есть, чтобы функция рис.1
была непрерывной в точке х0.
Рассмотрим график функции у = f(х) (рис.1)
Легко заметить, что отношение равно тангенсу угла , образованного положительным направлением секущей, проходящей через точки А и В (соответствующие точкам х и х+х), с положительным направлением оси Ох, то есть, от А к В если теперь приращение х будет стремиться к нулю, точка В будет стремиться к А, то угол будет стремиться к , образованному положительным направлением касательной с положительным направлением оси Ох, а tg будет стремиться к tg .
П оэтому = tg (положительным направлением касательной считаем то направление, в котором х возрастает).
Таким образом, можно утверждать следующее:
Производная в данной точке х равна тангенсу угла, образованного положительным направлением касательной в соответствующей точке (х,f(х)) нашей кривой с положительным направлением оси Ох.
1.2 Дифференциальные функции. Определение дифференциала.
Определение. Функция у = f(х) называется дифференцированной в точке х, если её приращение у в этой точке можно представить в виде
у = f’(х)х+(х)х,
где (х) = 0
К ак видно из из определения, необходимым условием дифференцируемости является существование производной. Оказывается что это условие также и достаточно. В самом деле пусть существуют у’ = f’(х)
П оложим – f’(х), х 0
-
, х = 0
При таком определении имеет для всех х
у = f’(х)х +(х)х .
О стаётся, следовательно, установить непрерывность (х) при х = 0, то есть, равенство (х) = (0) = 0, но, очевидно,
(х) = – f’(х) = f’(х) – f’(х) = 0,
что и требовалось.
Таким образом, для функции одной переменной дифференцируемость и существование производной — понятия равносильные.
О пределение. Если функция у = f’(х) дифференцируема, то есть, если у = f’(х)х + . х, = 0,
то главную линейную часть f’(х)х, её приращения будем обозначать dху, dхf(х) и называть дифференциалом переменной у по переменной х в точке х.
Написав для симметрии dхх вместо х, получим следующую формулу:
d ху = f’(х)dхх,
откуда = f’(х).
Заметим ещё, что дифференциалы dху и dхх являются функциями переменной х, причём функция dхх принимает постоянное значение х.
1.3 Инвариантность формы первого дифференциала.
В случае, когда переменная у = f(х) была функцией независимой переменной х, мы имеем, по определению,
у = f’(х)х или dхх = f’(х)dхх (1)
Рассмотрим теперь случай, когда х является в свою очередь функцией другой переменной,
х = х(t).
Теорема. Если функции х = (t) и у = (t) дифференцируемы в соответствующих точках t = t1 и х = х1 = (t1), то дифференциал сложной функции у = f((t)) = (t) может быть представлен в виде
dtу = f’(х1) dtх.
Доказательство: Согласно определению дифференциала имеем
dtх = ’(t1) dtt (11)
dtу = ’(t1) dtt (2)
Но на основании теоремы о производной сложной функции мы видим, что
’(t1) = f’(х1) ’(t1)
Подставив это выражение в формулу (2), получим:
dtу = f’(х1) ’(t1) dtt,
отсюда в силу формулы (11)
dtу = f’(х1) dtх (3)
Сравнив формулу (1) с формулой (3), мы заметим что их можно записать символически в виде
dу = f’(х) dх (4)
Формулу (1) или (3) мы получаем из формулы (4), написав вместо d, соответственно dх или dt.
Символы dх и dу не являются совершенными, однако во многих случаях, когда возможность ошибиться будет исключена, мы будем ими пользоваться вместо символов dхх и dху или, соответственно, dtх и dtу.
Значение формулы (4) становится ясным, если обратить внимание на то, что при отыскании производной приходится пользоваться двумя формулами для определения производной у по х. А именно, когда переменная у зависит непосредственно от х, то
у’х = f’(х);
когда же зависимость переменной у от х даётся при помощи некоторой (промежуточной) функции и, то
у’х = f’(и)и’х.
При отыскании же дифференциалов получим в обоих случаях одинаковые формулы:
dху = f’(х) dхх, dху = f’(и) dхи
или
dу = f’(х) dх, dу = f’(и) dи.
1.4 Дифференциал суммы, произведения и частного.
Из теорем о производных суммы, произведения и частного можно получить аналогичные формулы для дифференциалов суммы, произведения и частного. Пусть и и — функции от х:
и = f(х), = (х),
имеющие непрерывные частные производные.
Если положить у = и + ,
то у’х = и’х + ’х,
откуда у’х dх = и’х dх + ’хdх,
следовательно dу = dи + d,
то есть d(и + ) = dи + d.
Аналогично dси = сdи,
где с – постоянное число;
d(и) = иd + dи,
d ( ) = .
Замечание. На практике часто бывает выгоднее оперировать дифференциалами, а потом делением на дифференциал независимой переменной переходить к производной.
1.5 Геометрическая интерпретация дифференциала.
Д ифференциал можно геометрически представить следующим образом:
Из рис. 2 видно, что dу = f’(х)dх = tg . dх = СД.
Таким образом, если у – приращение ординаты кривой, то dу – приращение ординаты касательной.
Д ифференциал dу, вообще говоря, отличается от у, но их разность очень мала по сравнению dх для очень малых dх, так как
= (х) = 0
На практике, когда речь идёт только о приближённых значениях, можно для малых приращений dх считать
у = dу = f’(х)dх.
2.Основные понятия интегрального исчисления функций одной переменной.
2.1.Первообразная функция и неопределённый интеграл.
Основной задачей дифференциального исчисления является нахождение производной f’(х) или дифференциала f’(х)dх данной функции f(х).
В интегральном исчислении решается обратная задача:
Дана функция f(х); требуется найти такую функцию F(х), производная которой f(х)dх в области определения функции f(х), то есть, в этой области функции f(х) и F(х) связаны соотношением F’(х) = f(х) или dF(х)= F’(х)dх = f(х)dх.
Определение. Функция F(х) называется первообразной функцией для данной функции f(х), если для любого х из области определения f(х) выполняется равенство F’(х) = f(х) или dF(х) = f(х)dх.