Контрольная работа: Производная и ее применение для решения прикладных задач
Название: Производная и ее применение для решения прикладных задач Раздел: Рефераты по математике Тип: контрольная работа |
Министерство образования и науки Украины Министерство образования и науки АР Крым Малая академия наук школьников Крыма «Искатель» Секция математики Керченский городской филиал Производная и ее применение для решения прикладных задач Работу выполнил: Коваленко Александр, учащийся 11-Б класса керченского учебно-воспитательного комплекса общеобразовательной школы I-II ступеней- морской технический лицей Научный руководитель: Герасимова Валентина Леонидовна, учитель математики, учитель-методист КУВК ош – МТЛ Керчь 2008 Содержание Введение 1. Производная и ее применение для решения прикладных задач 1.1 Исторические сведения 1.2 Понятие производной, ее геометрический и физический смысл 1.3 Дифференциал 2. Перечень прикладных задач 3. Примеры решения прикладных задач 3.1 Исследование функций и построение их графиков. 3.2 Нахождение наибольшего и наименьшего значения функции, решение прикладных задач (задач на оптимум). 3.3 Определение периода функции 3.4 Нахождение приближенных значений функции 3.5 Нахождение величины угла между прямыми и кривыми. 3.6 Разложение на множители и упрощение выражений. 3.7 Вычисление суммы 3.8 Сравнение чисел и доказательство неравенств 3.9 Решение неравенств 3.10 Доказательство тождеств 3.11. Решение уравнений 3.12 Решение систем уравнений 3.13 Отбор кратных корней уравнения 3.14 Вычисление пределов функции с помощью правила Лопиталя 3.15 Решение физических задач, связанных с нахождением скорости, ускорения и т.д. 3.16 Решение экономических задач 3.17 Разложение функций в ряд с помощью формулы Тейлора 3.18 Задача о линеаризации функции Заключение Список литературы Введение Из всех теоретических успехов знания вряд ли какой-нибудь считается столь высоким три- умфом человеческого духа, как изобретение ис- числения бесконечно малых во второй половине XVII века. Ф. Энгельс Тема исследовательской работы выбрана не случайно, поскольку применение производной позволяет более эффективно решать многие задачи повышенной сложности. Применение производной для решения задач требует от учащихся нетрадиционного мышления. Следует отметить, что знание нестандартных методов и приемов решения задач способствует развитию нового, нешаблонного мышления, которое можно успешно применять также и в других сферах человеческой деятельность (вычислительная техника, экономика, физика, химия и т.д.) Это доказывает актуальность данной работы. Целью работы было: изучение применения производной для решения задач по алгебре и началам анализа, физике, экономике; углубление и расширение знаний по теме «Производная».При изучении изменяющихся величин очень часто возникает вопрос о скорости, о быстроте происходящего изменения. Так мы говорим о скорости движения самолета, поезда, автобуса, ракеты, о скорости падения камня, вращения шкива и т.д. Можно говорить о скорости выполнения определенной работы, о скорости протекания химической реакции, о быстроте роста населения в данном городе. О скорости можно говорить по отношению к любой величине, которая изменяется с течением времени. Для всего этого используется понятие производной. Физические производные величины: υ(t) = х/ (t) – скорость a (t)=υ/ (t) - ускорение J (t) = q/ (t) - сила тока C(t) = Q/ (t) - теплоемкость d(l )=m/ (l ) - линейная плотность K (t) = l / (t) - коэффициент линейного расширения ω (t)= φ/ (t) - угловая скорость а (t)= ω/ (t) - угловое ускорение N(t) = A/ (t) - мощность Дифференциальное исчисление широко применяется для экономического анализа как математический аппарат. 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. Производная в экономических формулах: П (t) = υ/ (t) - производительность труда, где υ (t) - объем продукции J(x) = y/ (x) - предельные издержки производства, где y– издержки производства в зависимости от объема выпускаемой продукции x. В работе рассмотрены прикладные задачи, способы решения которых можно использовать для решения нестандартных задач по алгебре и началам анализа, при подготовке к государственной итоговой аттестации, внешнему независимому оцениванию. Достаточно большое число задач раскрывают потенциальные возможности анализа бесконечно малых величин. 1. Производная и ее применение для решения прикладных задач 1.1 Исторические сведения Ряд задач дифференциального исчисления был решен еще в древности. Они встречались у Евклида. Ряд таких задач был решен Архимедом, разработавшим способ проведения касательной, примененный им к спирали, но применимый для других кривых. Основное понятие дифференциального исчисления – понятие производной – возникло в XVII в. В связи с необходимостью решения ряда задач из физики, механики и математики. Дифференциальное исчисление было создано Ньютоном и Лейбницем на основе двух задач: 1) о разыскании касательной к произвольной линии2) о разыскании скорости при произвольном законе движенияЕще раньше понятие производной встречалось в работах итальянского математика Тартальи (около 1500 - 1557 гг.) - здесь появилась касательная в ходе изучения вопроса об угле наклона орудия, при котором обеспечивается наибольшая дальность полета снаряда. В 17 веке на основе учения Г.Галилея о движении активно развивалась кинематическая концепция производной. Различные изложения стали встречаться в работах у Декарта, французского математика Роберваля, английского ученого Л. Грегори. Большой вклад в изучение дифференциального исчисления внесли Лопиталь, Бернулли, Лагранж, Эйлер, Гаусс. 1.2 Понятие производной, ее геометрический и физический смыслПонятие производной Пусть y = f(x) есть непрерывная функция аргумента x, определенная в промежутке (a; b), и пусть х0 - произвольная точка этого промежутка Дадим аргументу x приращение ∆x, тогда функция y = f(x) получит приращение ∆y = f(x + ∆x) - f(x). Предел, к которому стремится отношение ∆y / ∆x при ∆x → 0, называется производной от функции f(x). y'(x)= Геометрический смысл производной состоит в том, что она равна угловому коэффициенту касательной. Рассмотрим график функции что коэффициенту секущей mm. Если поворачиваясь вокруг точки М, в пределе переходит в касательную положением секущей, когда точки пересечения сливаются. Таким образом, Уравнение касательной
Физический смысл производной заключается в скорости изменения функции. Пусть s = s (t ) — закон прямолинейного движения. Тогда v (t 0 ) = s '(t 0 ) выражает мгновенную скорость движения в момент времени t 0 . Вторая производная a (t 0 ) = s ''(t 0 ) выражает мгновенное ускорение в момент времени t 0 .Вообще производная функции y = f (x ) в точке x 0 выражает скорость изменения функции в точке x 0 , то есть скорость протекания процесса, описанного зависимостью y = f (x ). 13 Дифференциал Пусть дана функция Если это приращение Перечень прикладных задач: -составление уравнения касательной к графику функции; -нахождение угла между пересекающимися прямыми, между графиками функций; -исследование и построение графиков функций; -решение задач на оптимум; -преобразование алгебраических выражений; -разложение многочлена на множители; -доказательство тождеств; -вычисление сумм; -решение уравнений; -приближенные вычисления и оценка погрешностей; -доказательство неравенств и тождеств; -решение систем уравнений; -решение задач с параметрами; -отбор кратных корней уравнения; -сравнение величин; -определение периода функции; -нахождение пределов функции с помощью правила Лопиталя; -разложение функций в ряд с помощью формулы Тейлора; -приближенное решение уравнений методом проб, хорд и касательных; -линеаризация алгебраических функций и многое другое. 3. Примеры решения прикладных задач 3.1 Исследование функций и построение их графиков Пример 1 Исследовать и построить график функции Решение. 1. Функция существует для всех 2. Функция не является ни четной, ни нечетной, так как , то есть 3. В точке х=0 функция имеет разрыв в точке х=0. При этом 4. Находим производную:
Проверим достаточные условия экстремума в точке 5. Точек пересечения с осью ОY нет, так как данная функция не определена при х=0. Чтобы найти точки пересечения кривой с осью ОХ, нужно решить уравнение Тогда Получим, что при График данной функции представлен на рисунке. Кривая, рассмотренная в этой задаче называется «Трезубец Ньютона». 3.2 Нахождение наибольшего и наименьшего значения функции, решение прикладных задач (задач на оптимум) Пример 1 Из бревна, имеющего радиус R, сделать балку наибольшей прочности. Решение: Составляем функцию, выражающую необходимое условие. В данной задаче высота балки (представляющей собой прямоугольник, вписанный в окружность радиуса R и ширины х), равна Функция Пример 2 Требуется построить открытый цилиндрический резервуар вместимостью Решение. Радиус основания внутреннего цилиндра обозначим через х, высоту внутреннего цилиндра через h. Объем дна и стенки резервуара С другой стороны, по условию Подставляя в (*), находим Полученную функцию Единственный положительный корень производной – это точка 3.3 Определение периода функции Пример 1. Является ли периодической функция Решение Воспользуемся следующим утверждением: если дифференцируемая в каждой точке числовой прямой функция имеет период Т, то ее производная также имеет период Т. Предположим, что данная функция
получаем
Имеем Поскольку по предположению функция Значит, и функция Также имеет период Т. Отсюда следует, что существует число Но тогда т.е. число 3.4 Нахождение приближенных значений функции Пример 1. Найти приращение и дифференциал функции в точке х=2 при Решение При х=2 и Абсолютная погрешность Относительная погрешность При х=2 и Абсолютная погрешность Пример 2 Пользуясь понятием дифференциала функции вычислите приближенно изменение, претерпеваемое функцией Решение. В данном случае будем считать х=5, а 3.5 Нахождение величины угла между прямыми и кривыми. Углом между графиками функций Пример 1. Найти угол между графиками функций в точке их пересечения (с положительной абсциссой). Решение. Абсциссы точек пересечения данных графиков удовлетворяют уравнению И тем самым следующей системе: Отсюда находим, что графики функций пересекаются в двух точках, абсциссы которых равны 0 и 2. Найдем тангенсы углов наклона касательных к обоим графикам функций в точке с абсциссой, равной 2. Имеем Отсюда
т.е.
Следовательно величина угла и тем самым графики функций 3.6 Разложение на множители и упрощение выражений. Пример 1. Разложить на множители выражение
Решение: Считая х переменной величиной, рассмотрим функцию Так как то отсюда заключаем, что
Получаем Так как последнее равенство верно при любом х, то, полагая, например, в нем х=0 и учитывая, что Таким образом, Итак, Пример 2. Упростить выражение Решение Считая х переменной величиной, рассмотрим функцию Тогда, дифференцируя ее, имеем
Отсюда находим, что от y и z. Полагая, например, х=0, получаем
Поскольку Следовательно, 3.7 Вычисление суммы Пример 1. Найти сумму Решение: Пусть Так как
Поскольку
Так как 3.8 Сравнение чисел и доказательство неравенств При доказательстве неравенств или для сравнения двух чисел полезно перейти к общему функциональному неравенству. Пример 1. Сравнить Решение. Рассмотрим функцию Так как
То функция Таким образом, И, следовательно, Пример 2. Какое из чисел больше: Решение. Рассмотрим функцию Пример 3. Докажите, что Доказательство: Рассмотрим функцию При Находим
3.9 Решение неравенств Пример 1.
Решение Найдем участки возрастания и убывания функции Таким образом, функция Пример 2. Докажите неравенство Доказательство. При х=0 неравенство справедливо. Рассмотрим функцию
При Таким образом, при Пример 3. Доказать, что при Решение. Найдем участки возрастания и убывания функции Так как
Функция Так как 3.10 Доказательство тождеств Пример 1. Решение Рассмотрим функцию
При х=1 имеем
Поэтому
Таким образом, данное тождество доказано для всех 3.11. Решение уравнений Пример 1. Решение Переписав данное уравнение в виде
Для выяснения взаимного расположения графиков этих функций найдем их точки экстремумов. Так как то
Так как функция Таким образом, при любом
Следовательно уравнение имеет один единственный корень х=1. Взаимное расположение графиков показано на рисунке. 3.12 Решение систем уравнений Пример 1. Решить систему уравнений Решение. Перепишем данную систему в виде Из первого уравнения этой системы следует, что ее решениями могут быть такие пары чисел (х,y), для каждого из которых y>0. Тогда эти пары чисел должны удовлетворять неравенству х>y>0, что следует из второго уравнения системы. Пусть или Так как то уравнение 3.13 Отбор кратных корней уравнения Применение производной позволяет не только убедиться в существовании кратных корней (если они есть), но и дать способ отобрать все кратные корни, отделив их от простых корней. Имеет место следующее утверждение: Наибольший общий делитель многочленов Отсюда вытекает следующее правило для нахождения кратных корней уравнения: 1. Находим 2. Находим наибольший общий делитель многочленов 3. Находим корни наибольшего общего делителя многочленов Каждый из найденных корней наибольшего общего делителя многочленов Отметим, что если наибольший общий делитель многочленов Пример 1. Решить уравнение
Решение. Рассмотрим многочлен производная которого равна Найдем наибольший общий делитель многочленов Имеем Рис.1. - наибольший общий делитель многочленов Таким образом, наибольший общий делитель многочленов Так как х=1 является простым корнем наибольшего общего делителя, что число х=1 будет двукратным корнем данного уравнения, и, значит, многочлен 3.14 Вычисление пределов функции с помощью правила Лопиталя Раскрытие неопределенностей типа Если Если частное Пример 1. Пример 2. Вычислить Приведя дроби к общему знаменателю, получим:
Прежде чем применить правило Лопиталя, заменим знаменатель последней дроби эквивалентной ему бесконечно малой Получим:
По правилу Лопиталя Далее, элементарным путем находим: 3.15 Решение физических задач, связанных с нахождением скорости, ускорения и т.д. Пример 1. Дано уравнение прямолинейного движения тела: Решение. Скорость это производная пути по времени. Значит: Подставив значение времени получим: Пример 2. Точка движется по закону Решение. Скорость это производная пути по времени. Значит: Подставив значение времени получим Пример 3. Тело движется прямолинейно по закону Решение. Формула нахождения кинетической энергии: Найдем скорость тела. Кинетическая энергия тела составит: 3.16 Решение экономических задач Пример 1. 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. Пример 2. Кривая спроса задана выражением Решение. Определим цену Для оценки изменения цены товара воспользуемся формулой приближенных вычислений Тогда 3.17 Разложение функций в ряд с помощью формулы Тейлора 1) Пусть функция f(x) имеет в точке х = а и некоторой ее окрестности производные порядка до (n+1) включительно.(Т.е. и все предыдущие до порядка n функции и их производные непрерывны и дифференцируемы в этой окрестности). 2) Пусть х- любое значение из этой окрестности, но х а. Тогда между точками х и а найдется такая точка , что справедлива формула:
- это выражение называется формулой Тейлора, а выражение:
называется остаточным членом в форме Лагранжа. При где Пример 1. Многочлен Решение. Отсюда: Следовательно, Пример 2. Функцию Решение
Пример 3 Разложить функцию Решение. Как известно, этот интеграл нельзя выразить через элементарные функции. Для отыскания разложения данного интеграла в ряд Маклорена необходимо разложить подынтегральную функцию в степенной ряд, а затем почленно проинтегрировать (степенной ряд сходится равномерно на любом отрезке, лежащем внутри промежутка сходимости, поэтому его можно проинтегрировать почленно). 3.18 Задача о линеаризации функции По всей вероятности, исторически задача стояла так: «Написать уравнение касательной к графику функции Замена данной функции линейной получила название линеаризации. Поскольку не было явно сформулировано понятие предела (это уже IX век), то на основе интуиции бесконечно малые «более высоких порядков» просто отбрасывались. Пример 1. Замените данную функцию линейной вблизи нуля: Решение. Если Пример 2. Замените данную функцию линейной вблизи нуля: Решение. Отбрасываем в числителе и знаменателе х в степени выше первой: Умножим числитель и знаменатель дроби на двучлен, сопряженный со знаменателем: Отбрасываем в числителе и знаменателе х в степени выше первой. Будем иметь
Заключение В ходе написания работы были использованы такие ключевые понятия дифференциального исчисления как производная, дифференциал, геометрический и физический смысл производной, касательная к графику функции и многое другое, которые используются для решения прикладных задач в математике, физике, экономике. Цель данной работы - которые решаются с помощью производной. 1. Терешин Н.А., Терешина Т.Н. «2000 задач по алгебре и началам анализа. 10 кл./ -М.:Аквариум, К.: ГИППВ, 2000. 256 с. Стр.192-193; 216-217; 194; 200; 240. 2. Ф.Ф.Нагибин «Экстремумы»/- М. «Просвещение» 1966 г. Стр. 30-35. 3. Виленкин Н.Я. «Функция в природе и технике»: Кн. для внеклас. чтения IX-X кл. – 2-е изд., испр. –М.: Просвещение, 1985. – 192 с. Стр.88; 94. 4. О.Н. Афанасьева «Сборник задач по математике для техникумов» - М.:Наука 1992.-208 с. Стр.84. 5. Н.В. Мирошин «Сборник задач с решениями для поступающих в вузы.» - М.: ООО «Издательство Астрель» 2002.-832 с. Стр.496. 6. Вавилов В.В. «Задачи по математике. Начала анализа.»-М.: Наука.Гл. ред.физ.-мат.лит., 1990.-608 с. Стр. 411;412-413; 413-414; 416-417; 419-420; 432-433; 422; 423; 424; 430; 365. 7. Мышкис А.Д. «Лекции по высшей математике» Изд. «Наука» 1967 г. Стр. 135. 8. Глейзер Г.И. «История математики в школе» - М.: Просвещение, 1983 г. Стр. 42. 9. Волькенштейн В.С. «Сборник задач по общему курсу физики» М., 1979 г. 10. «Математический энциклопедический словарь.»/Гл.ред. Ю.В.Прохоров.-М:Сов.энциклопедия, 1988.-847 с. 11. «Задачник по курсу математического анализа». ч.II. Под ред. Н.Я.Виленкина.-М: «Просвещение», 1971. 12. «Задачи и упражнения по математическому анализу для втузов.»/Под ред. Б.П.Демидовича- М: Физматгиз, 1963 г. 472 стр. 13. «Элементы высшей математики»: сб. заданий для практ. занятий: Учеб. Пособие/ С.В.Сочнев.-М: Высш.шк., 2003 г.- 192 с. |