Частные производные 3 переменных. Частные производные первого порядка. Полный дифференциал. Аналогично получаем частное приращение z по y
Функции двух переменных, частные производные, дифференциалы и градиент
Тема 5. Функции двух переменных.
частные производные
Определение функции двух переменных, способы задания.
Частные производные.
Градиент функции одной переменной
Нахождение наибольшего и наименьшего значений функции двух переменных в замкнутой ограниченной области
1. Определение функции нескольких переменных, способы задания
Для функции двух переменных
областью определения
является некоторое множество точек на плоскости
, а областью значений - промежуток на оси 
.
Для наглядного представления функции двух перемен ных применяются линии уровня .
Пример
.
Для функции 
построить график и линии уровня. Записать уравнение линии уровня, проходящей через точку 
.
Графиком линейной функции является плоскость в пространстве.
Для функции график представляет собой плоскость, проходящую через точки 
, 
, 
.
Линиями уровня функции
являются параллельные прямые, уравнение которых 
.
Для линейной функции двух переменных
линии уровня задаются уравнением 
и представляют собой семейство параллельных прямых на плоскости.
4
График функции 0 1 2 Х
Линии уровня функции
Частные прои зводные функции двух переменных
Рассмотрим функцию 
. Придадим переменной 
в точке 
произвольное приращение 
, оставляя значение переменной 
неизменным
. Соответствующее приращение функции
называется частным приращением функции по переменной
в точке 
.
Аналогично определяется частное приращение функции по переменной : .
Обозначение
частной производной по
: 
, 
,
, 
.
Частной производной функции по переменной 
называется конечный предел:
Обозначения: 
, 
,
, 
.
Для нахождения частной производной 
по переменной используются правила дифференцирования функции одной переменной, считая переменную постоянной..
Аналогично, для нахождения частной производной по переменной постоянной считается переменная 
.
Пример
. Для функции 
найти частные производные 
, 
и вычислить их значения в точке 
.
Частная производная функции 
по переменной находится в предположении, что постоянна:
Найдем частную производную функции по , считая постоянной :
Вычислим значения частных производных при 
, 
:
; 
.
Частными производными второго порядка функции нескольких переменных называются частные производные от частных производных первого порядка.
Запишем для функции частные производные 2-го порядка:
; 
;
; 
.
; 
и т.д.
Если смешанные частные производные функции нескольких переменных непрерывны в некоторой точке 
, то они равны между собой
в этой точке. Значит, для функции двух переменных значения смешанных частных производных не зависят от порядка дифференцирования:
.
Пример.
Для функции найти частные производные второго порядка 
и 
.
Решение
Смешанная частная производная находится последовательным дифференцированием сначала функции 
по (считая постоянным), затем дифференцированием производной 
по (считая постоянным).
Производная находится дифференцированием сначала функции по , затем производной по .
Смешанные частные производные равны между собой: 
.
3. Градиент функции двух переменных
Свойства градиента
Пример
. Дана функция 
. Найти градиент 
в точке 
и построить его.
Решение
Найдем координаты градиента – частные производные.
В точке 
градиент
равен . Начало вектора 
в точке , а конец - в точке .
5 
4. Нахождение наибольшего и наименьшего значений функции двух переменных в замкнутой ограниченной области
Постановка задачи.
Пусть на плоскости замкнутая ограниченная область 
задается системой неравенств вида 
. Требуется найти в области точки, в которых функция принимает наибольшее и наименьшее значения.
Важной является задача нахождения экстремума
, математическая модель которой содержит линейные
ограничения (уравнения, неравенства) и линейную
функцию 
.
Постановка задачи.
Найти наибольшее и наименьшее значения функции 
(2.1)
при ограничениях
(2.2)
. (2.3)
Поскольку для линейной функции многих переменных нет критических точек внутри
области 
, то оптимальное решение, доставляющее целевой функции экстремум, достигается только на границе области
. Для области, заданной линейными ограничениями, точками возможного экстремума являются угловые точки
. Это позволяет рассматривать решение задачи графическим методом
.
Графическое решение системы линейных неравенств
Для графического решения данной задачи необходимо уметь решать графически системы линейных неравенств с двумя переменными.
Порядок действий:
Отметим, что неравенство 
определяет правую координатную полуплоскость
(от оси 
), а неравенство 
- верхнюю координатную полуплоскость
(от оси 
).
Пример.
Решить графически неравенство 
.
Запишем уравнение граничной прямой 
и построим ее по двум точкам, например, 
и 
. Прямая делит плоскость на две полуплоскости.
Координаты точки 
удовлетворяют неравенству (
– верно), значит, и координаты всех точек полуплоскости, содержащей точку , удовлетворяют неравенству. Решением неравенства будут координаты точек полуплоскости, расположенной справа от граничной прямой , включая точки на границе. Искомая полуплоскость на рисунке выделена.
Решение 
системы неравенств называется допустимым
, если его координаты неотрицательны , . Множество допустимых решений системы неравенств образует область, которая расположенав первой четверти координатной плоскости.
Пример. Построить область решений системы неравенств
Решениями неравенств является:
1) 
- полуплоскость, расположенная левее и ниже относительно прямой (
) 
;
2) 
– полуплоскость, расположенная в правой-нижней полуплоскости относительно прямой (
) 
;
3) 
- полуплоскость, расположенная правее прямой (
) 
;
4) - полуплоскость выше оси абсцисс, то есть прямой (
) 
.
0 
Область допустимых решений
данной системы линейных неравенств – это множество точек, расположенных внутри и на границе четырехугольника 
, являющегося пересечением
четырех полуплоскостей.
Геометрическое изображение линейной функции
(линии уровня и градиент)
Зафиксируем значение 
, получим уравнение 
, которое геометрически задает прямую. В каждой точке прямой функция принимает значение 
и является линией уровня.
Придавая 
различные значения, например, 
, ... , получим множество линий уровня - совокупность параллельных
прямых
.
Построим градиент
- вектор 
, координаты которого равны значениям коэффициентов при переменных в функции 
. Данный вектор: 1) перпендикулярен каждой прямой (линии уровня) 
; 2) показывает направление возрастания целевой функции.
Пример
. Построить линии уровня и градиент функции 
.
Линии уровня при , , - это прямые 
, 
, 
, параллельные друг другу
. Градиент – это вектор , перпендикулярный каждой линии уровня.
Графическое нахождение наибольшего и наименьшего значений линейной функции в области
Геометрическая постановка задачи. Найти в области решений системы линейных неравенств точку, через которую проходит линия уровня, соответствующая наибольшему (наименьшему) значению линейной функции с двумя переменными.
Последовательность действий:
4. Найти координаты точки А, решая систему уравнений прямых, пересекающихся в точке А, и вычислить наименьшее значение функции 
. Аналогично - для точки В и наибольшего значения функции 
. построена по точкам.переменных
Частные
производные
функции
нескольких переменных
и техника дифференцирования. Экстремум функции
двух
переменных
и его необходимое...
Каждая частная производная (по x и по y ) функции двух переменных представляет собой обыкновенную производную функции одной переменной при фиксированном значении другой переменной:
(где y = const),
(где x = const).
Поэтому частные производные вычисляют по формулам и правилам вычисления производных функций одной переменной , считая при этом другую переменную постоянной (константой).
Если Вам не нужен разбор примеров и необходимого для этого минимума теории, а нужно лишь решение Вашей задачи, то переходите к калькулятору частных производных онлайн .
Если тяжело сосредоточиться, чтобы отслеживать, где в функции константа, то можно в черновом решении примера вместо переменной с фиксированным значением подставить любое число - тогда можно будет быстрее вычислить частную производную как обыкновенную производную функции одной переменной. Надо только не забыть при чистовом оформлении вернуть на место константу (переменную с фиксированном значением).
Описанное выше свойство частных производных следует из определения частной производной, которое может попасться в экзаменационных вопросах. Поэтому для ознакомления с определением ниже можно открыть теоретическую справку.
Понятие непрерывности функции z = f (x , y ) в точке определяется аналогично этому понятию для функции одной переменной.
Функция z = f (x , y ) называется непрерывной в точке если
Разность (2) называется полным приращением функции z (оно получается в результате приращений обоих аргументов).
Пусть заданы функция z = f (x , y ) и точка
Если изменение функции z происходит при изменении только одного из аргументов, например, x , при фиксированном значении другого аргумента y , то функция получит приращение
называемое частным приращением функции f (x , y ) по x .
Рассматривая изменение функции z в зависимости от изменения только одного из аргументов, мы фактически переходим к функции одной переменной.
Если существует конечный предел
то он называется частной производной функции f (x , y ) по аргументу x и обозначается одним из символов
(4)
Аналогично определяются частное приращение z по y :
и частная производная f (x , y ) по y :
(6)
Пример 1.
Решение. Находим частную производную по переменной "икс":
(y
фиксировано);
Находим частную производную по переменной "игрек":
(x фиксировано).
Как видно, не имеет значения, в какой степени переменная, которая фиксирована: в данном случае это просто некоторое число, являющееся множителем (как в случае обычной производной) при переменной, по которой находим частную производную. Если же фиксированная переменная не умножена на переменную, по которой находим частную производную, то эта одинокая константа, безразлично, в какой степени, как и в случае обычной производной, обращается в нуль.
Пример 2. Дана функция
Найти частные производные
(по иксу) и (по игреку) и вычислить их значения в точке А (1; 2).
Решение. При фиксированном y производная первого слагаемого находится как производная степенной функции (таблица производных функций одной переменной ):
.
При фиксированном x производная первого слагаемого находится как производная показательной функции, а второго – как производная постоянной:
Теперь вычислим значения этих частных производных в точке А (1; 2):
Проверить решение задач с частными производными можно на калькуляторе частных производных онлайн .
Пример 3. Найти частные производные функции
Решение. В один шаг находим
(y x , как если бы аргументом синуса было 5x : точно так же 5 оказывается перед знаком функции);
(x фиксировано и является в данном случае множителем при y ).
Проверить решение задач с частными производными можно на калькуляторе частных производных онлайн .
Аналогично определяются частные производные функции трёх и более переменных.
Если каждому набору значений (x ; y ; ...; t ) независимых переменных из множества D соответствует одно определённое значение u из множества E , то u называют функцией переменных x , y , ..., t и обозначают u = f (x , y , ..., t ).
Для функций трёх и более переменных геометрической интерпретации не существует.
Частные производные функции нескольких переменных определяются и вычисляются также в предположении, что меняется только одна из независимых переменных, а другие при этом фиксированы.
Пример 4. Найти частные производные функции
.
Решение. y и z фиксированы:
x и z фиксированы:
x и y фиксированы:
Найти частные производные самостоятельно, а затем посмотреть решения
Пример 5.
Пример 6. Найти частные производные функции .
Частная производная функции нескольких переменных имеет тот же механический смысл, что и производная функции одной переменной , - это скорость изменения функции относительно изменения одного из аргументов.
Пример 8. Количественная величина потока П пассажиров железных дорог может быть выражена функцией
где П – количество пассажиров, N – число жителей корреспондирующих пунктов, R – расстоянии между пунктами.
Частная производная функции П по R , равная
показывает, что уменьшение потока пассажиров обратно пропорционально квадрату расстояния между корреспондирующими пунктами при одной и той же численности жителей в пунктах.
Частная производная П по N , равная
показывает, что увеличение потока пассажиров пропорционально удвоенному числу жителей населённых пунктов при одном и том же расстоянии между пунктами.
Проверить решение задач с частными производными можно на калькуляторе частных производных онлайн .
Полный дифференциал
Произведение частной производной на приращение соответствующей независимой переменной называется частным дифференциалом. Частные дифференциалы обозначаются так:
Сумма частных дифференциалов по всем независимым переменным даёт полный дифференциал. Для функции двух независимых переменных полный дифференциал выражается равенством
(7)
Пример 9. Найти полный дифференциал функции
Решение. Результат использования формулы (7):
Функция, имеющая полный дифференциал в каждой точке некоторой области, называется дифференцируемой в этой области.
Найти полный дифференциал самостоятельно, а затем посмотреть решение
Так же как и в случае функции одной переменной, из дифференцируемости функции в некоторой области следует её непрерывность в этой области, но не наоборот.
Сформулируем без доказательств достаточное условие дифференцируемости функции.
Теорема. Если функция z = f (x , y ) имеет непрерывные частные производные
в данной области, то она дифференцируема в этой области и её дифференциал выражается формулой (7).
Можно показать, что подобно тому, как в случае функции одной переменной дифференциал функции является главной линейной частью приращения функции , так и в случае функции нескольких переменных полный дифференциал является главной, линейной относительно приращений независимых переменных частью полного приращения функции.
Для функции двух переменных полное приращение функции имеет вид
(8)
где α и β – бесконечно малые при и .
Частные производные высших порядков
Частные производные и функции f (x , y ) сами являются некоторыми функциями тех же переменных и, в свою очередь, могут иметь производные по разным переменным, которые называются частными производными высших порядков.
Определение 1.11 Пусть задана функция двух переменных z=z(x,y), (x,y)D . ТочкаM 0 (x 0 ;y 0 ) - внутренняя точка области D .
Если в D присутствует такая окрестность UM 0 точки M 0 , что для всех точек
то точка M 0 называется точкой локального максимума. А само значение z(M 0 ) - локальным максимумом.
А если же для всех точек
то точка M 0 называется точкой локального минимума функции z(x,y) . А само значение z(M 0 ) - локальным минимумом.
Локальный максимум и локальный минимум называются локальными экстремумами функции z(x,y) . На рис. 1.4 поясняется геометрический смысл локального максимума: M 0 - точка максимума, так как на поверхности z =z (x,y) соответствующая ей точка C 0 находится выше любой соседней точки C (в этом локальность максимума).
Заметим, что на поверхности в целом есть точки (например, В ), которые находятся выше C 0 , но эти точки (например, В ) не являются "соседними" с точкой C 0 .
В частности, точке В соответствует понятие глобального максимума:
Аналогично определяется и глобальный минимум:
Нахождение глобальных максимумов и минимумов будет рассмотрено в п.1.10.
Теорема 1.3 (необходимые условия экстремума).
Пусть задана функция z =z (x,y), (x,y)D . Точка M 0 (x 0 ;y 0 D - точка локального экстремума.
Если в этой точке существуют z" x и z" y , то
Геометрическое доказательство "очевидно". Если в точке C 0 на (рис.1.4) провести касательную плоскость, то она "естественно" пройдет горизонтально, т. е. под углом 0° к оси Ох и к оси Оу .
Тогда в соответствии с геометрическим смыслом частных производных (рис.1.3):
что и требовалось доказать.
Определение 1.12.
Если в точке M 0 выполняются условия (1.41), то она называется стационарной точкой функции z (x,y) .
Теорема 1.4 (достаточные условия экстремума).
Пусть задана z =z (x,y), (x,y)D , которая имеет частные производные второго порядка в некоторой окрестности точки M 0 (x 0 ,y 0 )D . Причем M 0 - стационарная точка (т. е. необходимые условия (1.41) выполнены). Вычислим:
Доказательство теоремы использует темы (формула Тейлора функции нескольких переменных и теория квадратичных форм), которые в этом пособии не рассматриваются.
Пример 1.13.
Исследовать на экстремум:
Решение
1. Найдём стационарные точки, решая систему (1.41):
то есть найдены четыре стационарные точки. 2.
по
теореме 1.4 в точке –
минимум.
Причём
по теореме 1.4 в точке
Максимум. Причём
И не нужно ничего искать: в нашей отдельной статье мы уже подготовили все для того, чтобы у вас это получилось. А сейчас речь пойдет о частных производных.
Добро пожаловать на наш телеграм-канал за полезной рассылкой и актуальными студенческими новостями.
Функция двух и более переменных
Прежде чем говорить о частных производных, нужно затронуть понятие функции нескольких переменных, без которого нет смысла в частной производной. В школе мы привыкли иметь дело с функциями одной переменной:
Производными таких функций мы и считали раньше. График функции одной переменной представляет собой линию на плоскости: прямую, параболу, гиперболу и т.д.
А что, если добавить еще одну переменную? Получится такая функция:
Это – функция двух независимых переменных x и y . График такой функции представляет собой поверхность в трехмерном пространстве: шар, гиперболоид, параболоид или еще какой-нибудь сферический конь в вакууме. Частные производные функции z по иксу и игреку соответственно записываются так:
Существуют также функции трех и более переменных. Правда, график такой функции нарисовать невозможно: для этого понадобилось бы как минимум четырехмерное пространство, которое невозможно изобразить.
Частная производная первого порядка
Запоминаем главное правило:
При вычислении частной производной по одной из переменных, вторая переменная принимается за константу. В остальном правила вычисления производной не меняются.
То есть, частная производная по сути ничем не отличается от обычной. Так что, держите перед глазами таблицу производных элементарных функций и правила вычисления обычных производных . Рассмотрим пример, чтобы стало совсем понятно. Допустим, нужно вычислить частные производные первого порядка следующей функции:
Сначала возьмем частную производную по иксу, считая игрек обычным числом:
Теперь считаем частную производную по игреку, принимая икс за константу:
Как видите, ничего сложного в этом нет, а успех с более сложными примерами – лишь дело практики.
Частная производная второго порядка
Как находится частная производная второго порядка? Так же, как и первого. Чтобы найти частные производные второго порядка, нужно просто взять производную от производной первого порядка. Вернемся к примеру выше и посчитаем частные производные второго порядка.
По игреку:
Частные производные третьего и высших порядков не отличаются по принципу вычисления. Систематизируем правила:
- При дифференцировании по одной независимой переменной, вторая принимается за константу.
- Производная второго порядка – это производная от производной первого порядка. Третьего порядка – производная от производной второго порядка и т.д.
Частные производные и полный дифференциал функции
Частый вопрос в практических заданиях – нахождение полного дифференциала функции. Для функции нескольких переменных полный дифференциал определяется, как главная линейная часть малого полного приращения функции относительно приращений аргументов.
Определение звучит громоздко, но с буквами все проще. Полный дифференциал первого порядка функции нескольких переменных выглядит так:
Зная, как считаются частные производные, нет никакой проблемы вычислить и полный дифференциал.
Частные производные – не такая уж и бесполезная тема. Например, дифференциальные уравнения в частных производных второго порядка широко используются для математического описания реальных физических процессов.
Здесь мы дали лишь общее, поверхностное представление о частных производных первого и второго порядка. Вас интересует эта тема или остались конкретные вопросы? Задавайте их в комментариях и обращайтесь к экспертам профессионального студенческого сервиса за квалифицированной и скорой помощью в учебе. С нами вы не останетесь один на один с проблемой!
Общий принцип нахождения частных производных порядка второго порядка функции трёх переменных аналогичен принципу нахождения частных производных 2-го порядка функции двух переменных.
Для того чтобы найти частные производные второго порядка, необходимо сначала найти частные производные первого порядка или, в другой записи:
Частных производных второго порядка девять штук.
Первая группа – это вторые производные по тем же переменным:
Или – вторая производная по «икс»;
Или – вторая производная по «игрек»;
Или – вторая производная по «зет».
Вторая группа – это смешанные частные производные 2-го порядка, их шесть:
Или – смешанная производная «по икс игрек»;
Или – смешанная производная «по игрек икс»;
Или – смешанная производная «по икс зет»;
Или – смешанная производная «по зет икс»;
Или – смешанная производная «по игрек зет»;
Или – смешанная производная «по зет игрек».
Как и для случая функции двух переменных, при решении задач можно ориентироваться на следующие равенства смешанных производных второго порядка:
Примечание: строго говоря, это не всегда так. Для равенства смешанных производных необходимо выполнение требования их непрерывности.
На всякий случай несколько примеров, как правильно читать сиё безобразие вслух:
– «у два штриха дважды по игрек»;
– «дэ два у по дэ зет квадрат»;
– «у два штриха по икс по зет»;
– «дэ два у по дэ зет по дэ игрек».
Пример 10
Найти все частные производные первого и второго порядка для функции трёх переменных:
.
Решение: Сначала найдем частные производные первого порядка:
Берём найденную производную
и дифференцируем её по «игрек»:
Берём найденную производную
и дифференцируем её по «икс»:
Равенство выполнено. Хорошо.
Разбираемся со второй парой смешанных производных.
Берём найденную производную
и дифференцируем её по «зет»:
Берём найденную производную
и дифференцируем её по «икс»:
Равенство выполнено. Хорошо.
Аналогично разбираемся с третьей парой смешанных производных:
Равенство выполнено. Хорошо.
После проделанных трудов гарантированно можно утверждать, что, во-первых, мы правильно нашли все частные производные 1-го порядка, во-вторых, правильно нашли и смешанные частные производные 2-го порядка.
Осталось найти ещё три частные производные второго порядка, вот здесь уже во избежание ошибок следует максимально сконцентрировать внимание:
Готово. Повторюсь, задание не столько сложное, сколько объемное. Решение можно сократить и сослаться на равенства смешанных частных производных, но в этом случае не будет проверки. Поэтому лучше потратить время и найти все производные (к тому же это может потребовать преподаватель), или, в крайнем случае, выполнить проверку на черновике.
Пример 11
Найти все частные производные первого и второго порядка для функции трёх переменных
.
Это пример для самостоятельного решения.
Решения и ответы:
Пример 2: Решение:
Пример 4: Решение: Найдем частные производные первого порядка.
Составим полный дифференциал первого порядка:
Пример 6: Решение: M (1, -1, 0):
Пример 7: Решение: Вычислим частные производные первого порядка в точке M (1, 1, 1):
Пример 9: Решение:
Пример 11: Решение: Найдем частные производные первого порядка:
Найдем частные производные второго порядка:
.
Интегралы
8.1. Неопределенный интеграл. Подробные примеры решений
Начнем изучение темы «Неопределенный интеграл» , а также подробно разберем примеры решений простейших (и не совсем) интегралов. Как обычно, мы ограничимся минимумом теории, которая есть в многочисленных учебниках, наша задача – научиться решать интегралы.
Что нужно знать для успешного освоения материала? Для того, чтобы справиться с интегральным исчислением, Вам необходимо уметь находить производные, минимум, на среднем уровне. Не лишним опытом будет, если у Вас за плечами несколько десятков, а лучше – сотня самостоятельно найденных производных. По крайне мере, Вас не должны ставить в тупик задания на дифференцирование простейших и наиболее распространенных функций.
Казалось бы, причем здесь вообще производные, если речь в статье пойдет об интегралах?! А дело вот в чем. Дело в том, что нахождение производных и нахождение неопределенных интегралов (дифференцирование и интегрирование) – это два взаимно обратных действия , как, например, сложение/вычитание или умножение/деление. Таким образом, без навыка и какого-никакого опыта нахождения производных, к сожалению, дальше не продвинуться.
В этой связи нам потребуются следующие методические материалы: Таблица производных и Таблица интегралов .
В чем сложность изучения неопределенных интегралов? Если в производных имеют место строго 5 правил дифференцирования, таблица производных и довольно четкий алгоритм действий, то в интегралах всё иначе. Существуют десятки способов и приемов интегрирования. И, если способ интегрирования изначально подобран неверно (т.е. Вы не знаете, как решать), то интеграл можно «колоть» буквально сутками, как самый настоящий ребус, пытаясь приметить различные приемы и ухищрения. Некоторым даже нравится.
Между прочим, нам довольно часто приходилось слышать от студентов (не гуманитарных специальностей) мнение вроде: «У меня никогда не было интереса решить предел или производную, но вот интегралы – совсем другое дело, это увлекательно, всегда есть желание «взломать» сложный интеграл». Стоп. Хватит чёрного юмора, переходим к этим самым неопределенным интегралам.
Коль скоро способов решения существует много, то с чего же начать изучение неопределенных интегралов чайнику? В интегральном исчислении существуют, на наш взгляд, три столпа или своеобразная «ось», вокруг которой вращается всё остальное. В первую очередь следует хорошо разобраться в простейших интегралах (эта статья).
Потом нужно детально проработать урок . ЭТО ВАЖНЕЙШИЙ ПРИЁМ! Может быть, даже самая важная статья из всех статей, посвященных интегралам. И, в-третьих, обязательно следует ознакомиться с методом интегрирования по частям , поскольку с помощью него интегрируется обширный класс функций. Если Вы освоите хотя бы эти три урока, то уже «не два». Вам могут «простить» незнание интегралов от тригонометрических функций , интегралов от дробей , интегралов от дробно-рациональных функций , интегралов от иррациональных функций (корней) , но вот если «сесть в лужу» на методе замены или методе интегрирования по частям – то это будет очень и очень скверно.
Итак, начинаем с простого. Посмотрим на таблицу интегралов. Как и в производных, мы замечаем несколько правил интегрирования и таблицу интегралов от некоторых элементарных функций. Любой табличный интеграл (да и вообще любой неопределенный интеграл) имеет вид:
Сразу разбираемся в обозначениях и терминах:
– значок интеграла.
– подынтегральная функция (пишется с буквой «ы»).
– значок дифференциала. Что это такое, мы рассмотрим совсем скоро. Главное, что при записи интеграла и в ходе решения важно не терять данный значок. Заметный недочет будет.
– подынтегральное выражение или «начинка» интеграла.
– первообразная функция.
– . Не нужно сильно загружаться терминами, здесь самое важное, что в любом неопределенном интеграле к ответу приплюсовывается константа .
Решить неопределенный интеграл – это значит найти множество первообразных функций от данной подынтегральной функции
Еще раз посмотрим на запись:
Посмотрим в таблицу интегралов.
Что происходит? Левые части у нас превращаются в другие функции: .
Упростим наше определение:
Решить неопределенный интеграл– это значит ПРЕВРАТИТЬ его в неопределенную (с точностью до константы) функцию , пользуясь некоторыми правилами, приемами и таблицей.
Возьмем, например, табличный интеграл 
. Что произошло? Символическая запись превратилась в множество первообразных функций .
Как и в случае с производными, для того, чтобы научиться находить интегралы, не обязательно быть в курсе, что такое интеграл, или первообразная функция с теоретической точки зрения. Достаточно просто осуществлять превращения по некоторым формальным правилам. Так, в случае совсем не обязательно понимать, почему интеграл превращается именно в . Можно принять эту и другие формулы как данность. Все пользуются электричеством, но мало кто задумывается, как там по проводам бегают электроны.
Так как дифференцирование и интегрирование – противоположные операции, то для любой первообразной, которая найденаправильно, справедливо следующее:
Иными словами, если продифференцировать правильный ответ, то обязательно должна получиться исходная подынтегральная функция.
Вернемся к тому же табличному интегралу .
Убедимся в справедливости данной формулы. Берем производную от правой части:
– это исходная подынтегральная функция.
Вот, кстати, стало понятнее, почему к функции всегда приписывается константа . При дифференцировании константа всегда превращается в ноль.
Решить неопределенный интеграл – это значит найти множество всех первообразных, а не какую-то одну функцию. В рассматриваемом табличном примере , , , и т. д. – все эти функции являются решением интеграла . Решений бесконечно много, поэтому записывают коротко:
Таким образом, любой неопределенный интеграл достаточно легко проверить. Это некоторая компенсация за большое количество интегралов разных видов.
Переходим к рассмотрению конкретных примеров. Начнем, как и при изучении производной, с двух правил интегрирования:
– константу C
можно (и нужно) вынести за знак интеграла.
– интеграл суммы (разности) двух функций равен сумме (разности) двух интегралов. Данное правило справедливо для любого количества слагаемых.
Как видите, правила, в принципе, такие же, как и для производных. Иногда их называют свойствами линейности интеграла.
Пример 1
Найти неопределенный интеграл.
Выполнить проверку.
Решение: Удобнее преобразовать его, как.
(1) Применяем правило . На забываем записать значок дифференциала dx
под каждым интегралом. Почему под каждым? dx
– это полноценный множитель.
Если расписывать детально, то первый шаг следует записать так:
.
(2) Согласно правилу выносим все константы за знаки интегралов. Обратите внимание, что в последнем слагаемом tg
5 – это константа, её также выносим.
Кроме того, на данном шаге готовим корни и степени для интегрирования. Точно так же, как и при дифференцировании, корни надо представить в виде. Корни и степени, которые располагаются в знаменателе – перенести вверх.
Примечание: в отличие от производных, корни в интегралах далеко не всегда следует приводить к виду , а степени переносить вверх.
Например, – это готовый табличный интеграл, который уже посчитали до Вас, и всякие китайские хитрости вроде совершенно не нужны. Аналогично: – это тоже табличный интеграл, нет никакого смысла представлять дробь в виде . Внимательно изучите таблицу!
(3) Все интегралы у нас табличные. Осуществляем превращение с помощью таблицы, используя формулы: 
, и
для степенной функции - 
.
Следует отметить, что табличный интеграл – это частный случай формулы для степенной функции: 
.
Константу C достаточно приплюсовать один раз в конце выражения
(а не ставить их после каждого интеграла ).
(4)Записываем полученный результат в более компактном виде, когда все степени вида
снова представляем в виде корней, а степени с отрицательным показателем сбрасываем обратно в знаменатель.
Проверка. Для того чтобы выполнить проверку нужно продифференцировать полученный ответ:
Получена исходная подынтегральная функция , т. е. интеграл найден правильно. От чего плясали, к тому и вернулись. Хорошо, когда история с интегралом заканчивается именно так.
Время от времени встречается немного другой подход к проверке неопределенного интеграла, когда от ответа берется не производная, а дифференциал:
.
В итоге получаем не подынтегральную функцию, а подынтегральное выражение.
Не стоит пугаться понятия дифференциал.
Дифференциал – это производная, умноженная на dx .
Однако нам важны не теоретические тонкости, а то, что с этим дифференциалом дальше делать. Дифференциал раскрывается следующим образом: значок d убираем, справа над скобкой ставим штрих, в конце выражения приписываем множитель dx :
Получено исходное подынтегральное выражение , то есть интеграл найден правильно.
Как видите, дифференциал сводится к нахождению производной. Второй способ проверки мне нравится меньше, так как приходиться дополнительно рисовать большие скобки и тащить значок дифференциала dx до конца проверки. Хотя он корректнее, или «солиднее», что ли.
На самом деле можно было умолчать о втором способе проверки. Дело не в способе, а в том, что мы научились раскрывать дифференциал. Еще раз.
Дифференциал раскрывается следующим образом:
1) значок d убираем;
2) справа над скобкой ставим штрих (обозначение производной);
3) в конце выражения приписываем множитель dx .
Например:
Запомните это. Рассмотренный приём потребуется нам очень скоро.
Пример 2
.
Когда мы находим неопределенный интеграл, то ВСЕГДА стараемся сделать проверку , тем более, для этого есть прекрасная возможность. Далеко не все типы задач в высшей математике являются подарком с этой точки зрения. Неважно, что часто в контрольных заданиях проверки не требуется, её никто, и ничто не мешает провести на черновике. Исключение можно сделать лишь тогда, когда не хватает времени (например, на зачете, экзамене). Лично я всегда проверяю интегралы, а отсутствие проверки считаю халтурой и некачественно выполненным заданием.
Пример 3
Найти неопределенный интеграл:
. Выполнить проверку.
Решение: Анализируя интеграл, мы видим, что у нас под интегралом произведение двух функций, да еще и возведение в степень целого выражения. К сожалению, на поприще интегральной битвы нет
хороших и удобных формул для интегрирования произведения и частного
в виде: 
или 
.
Поэтому, когда дано произведение или частное, всегда имеет смысл посмотреть, а нельзя ли преобразовать подынтегральную функцию в сумму? Рассматриваемый пример – тот случай, когда можно.
Сначала приведём полное решение, комментарии будут ниже.
(1) Используем старую добрую формулу квадрата суммы для любых действительных чисел , избавляясь от степени над общей скобкой. за скобки и применяя формулу сокращенного умножения в обратном направлении: .
Пример 4
Найти неопределенный интеграл
Выполнить проверку.
Это пример для самостоятельно решения. Ответ и полное решение в конце урока.
Пример 5
Найти неопределенный интеграл
. Выполнить проверку.
В данном примере подынтегральная функция представляет собой дробь. Когда мы видим в подынтегральном выражении дробь, то первой мыслью должен быть вопрос: «А нельзя ли как-нибудь от этой дроби избавиться, или хотя бы её упростить?».
Замечаем, что в знаменателе находится одинокий корень из «икс». Один в поле – не воин, значит, можно почленно разделить числитель на знаменатель:
Действия с дробными степенями мы не комментируем, так как о них неоднократно шла речь в статьях о производной функции.
Если Вас все-таки ставит в тупик такой пример, как
и ни в какую не получается правильный ответ ,
Также обратите внимание, что в решении пропущен один шаг, а именно, применение правил , . Обычно при определенном опыте решения интегралов данные правила считают очевидным фактом и не расписывают подробно.
Пример 6
Найти неопределенный интеграл. Выполнить проверку.
Это пример для самостоятельно решения. Ответ и полное решение в конце урока.
В общем случае с дробями в интегралах не всё так просто, дополнительный материал по интегрированию дробей некоторых видов можно найти в статье: Интегрирование некоторых дробей . Но, прежде чем перейти к вышеуказанной статье, необходимо ознакомиться с уроком: Метод замены в неопределенном интеграле . Дело в том, что подведение функции под дифференциал или метод замены переменной является ключевым моментом в изучении темы, поскольку встречается не только «в чистых заданиях на метод замены», но и во многих других разновидностях интегралов.
Решения и ответы:
Пример 2: Решение:
Пример 4: Решение:
В данном примере мы использовали формулу сокращенного умножения
Пример 6: Решение:
Метод замены переменной в неопределенном интеграле. Примеры решений
На данном уроке мы познакомимся с одним из самых важных и наиболее распространенных приемов, который применяется в ходе решения неопределенных интегралов – методом замены переменной. Для успешного освоения материала требуются начальные знания и навыки интегрирования. Если есть ощущение пустого полного чайника в интегральном исчислении, то сначала следует ознакомиться с материалом Неопределенный интеграл. Примеры решений , где объяснено в доступной форме, что такое интеграл и подробно разобраны базовые примеры для начинающих.
Технически метод замены переменной в неопределенном интеграле реализуется двумя способами:
– Подведение функции под знак дифференциала.
– Собственно замена переменной.
По сути дела, это одно и то же, но оформление решения выглядит по-разному. Начнем с более простого случая.
Загрузка...
