Краткое содержание
Этот урок завершает раздел о приложениях производной, а вместе с ним и курс. Он собирает в одну дедуктивную цепь то, что доказали девять уроков раздела: теорема Вейерштрасса, полученная из аксиомы полноты так же, как теорема Больцано, и теорема Ферма, полученная из знака производной в точке, дают теорему Ролля; из неё вытекают теоремы Лагранжа и Коши о среднем значении, а из них правило Лопиталя, монотонность по знаку производной, признаки экстремума, выпуклость, оптимизация и оценка погрешности метода Ньютона-Рафсона. Он объясняет, как раздел опирается на два предыдущих раздела и на курс «Алгебра и геометрия», и что он оставляет следующему курсу: интеграл, последовательности и ряды, а также многочлен Тейлора. Урок заканчивается итоговой проверкой, параллельной входной, и десятью задачами повышенной трудности, более трудными, чем задачи уроков, каждая из которых сочетает результаты нескольких из них и предыдущих разделов.
Цели обучения
- Излагать в логическом порядке основные теоремы раздела, указывая, от каких более ранних результатов зависит каждая из них и в каких доказательствах снова используются теорема Вейерштрасса, теорема о среднем и монотонность по знаку производной.
- Отличать то, что раздел принимает, от того, что он доказывает, распознавать условия каждого результата и указывать, где используется аксиома полноты.
- Связывать результаты раздела с разделами о пределах и производных, с курсом «Алгебра и геометрия» и с тем, что изучает курс «Математический анализ II».
- Решать нестандартные задачи, сочетающие существование наибольшего и наименьшего значений, теорему о среднем, правило Лопиталя, монотонность, выпуклость, кривизну, оптимизацию и метод Ньютона-Рафсона.
Чего достиг раздел
Два предыдущих раздела работали в точке: предел в точке, непрерывность в точке, производная в точке. Этот раздел перешёл от точечного к глобальному, и мостом стала аксиома полноты. Теорема Вейерштрасса, доказанная с помощью точной верхней грани так же, как теорема Больцано, гарантирует, что функция, непрерывная на отрезке, достигает своего наибольшего и наименьшего значений; теорема Ферма, которая вытекает из знака производной в точке, говорит, где могут находиться внутренние экстремумы; и вместе они дают теорему Ролля, из которой следуют обе теоремы о среднем значении. Теорема Лагранжа записывается так:
Это равенство превращает сведения о производной во всех точках промежутка в сведения о значениях функции, и почти всё остальное в разделе есть прочтение этого равенства: монотонность, признаки экстремума, выпуклость, правило Лопиталя, через вариант Коши, и оценка погрешности метода Ньютона-Рафсона. Доказательства ссылаются на эти теоремы, а не воспроизводят рассуждение заново.
Существование и теорема о среднем
Урок о теореме Вейерштрасса доказал сначала теорему об ограниченности, взяв точную верхнюю грань точек, до которых функция ограничена, и продвинувшись за неё с помощью локальной ограниченности, которую даёт непрерывность; затем, что точная верхняя грань значений достигается, поскольку, если бы она не достигалась, величина, обратная расстоянию от значений до неё, была бы непрерывной и неограниченной. Он показал на контрпримерах, что ни одно условие не лишнее (интервал, неограниченный промежуток, разрывная функция и рациональные числа, где нет полноты), вывел с помощью теоремы о промежуточном значении, что образ отрезка есть снова отрезок, и что функция с равными значениями на концах отрезка достигает наибольшего или наименьшего значения во внутренней точке. Урок о теоремах Ферма, Ролля, Лагранжа и Коши определил локальные экстремумы как высказывания с кванторами, доказал с помощью знака производной в точке, что производная обращается в нуль во внутренней точке локального экстремума, и последовательно вывел одну из другой теорему Ролля, теорему Лагранжа о среднем значении и теорему Коши о среднем значении, показав необходимость их условий. Его следствия стали первыми глобальными выводами: функция с нулевой производной на промежутке постоянна, две функции с одинаковой производной отличаются на постоянную, оценка производной оценивает приращения, между двумя корнями функции лежит корень её производной, а предел производной, если он существует, есть производная. Урок о правиле Лопиталя доказал его с помощью теоремы Коши для неопределённости вида и, с большей осторожностью, для неопределённости вида , с одной стороны от точки, в точке и на бесконечности; свёл к ним неопределённости , , , и , показал, что правило ничего не даёт, когда отношение производных не имеет предела, предупредил, что оно не годится для пределов, с помощью которых были вычислены производные, и получил из него следствие о нулевых производных в точке, которое сравнивает приращение функции со степенью разности .
Монотонность, экстремумы и форма графика
Урок о монотонности доказал с помощью теоремы о среднем, что неотрицательная производная на промежутке даёт возрастающую функцию, а положительная строго возрастающую, и охарактеризовал строгую монотонность при неотрицательной производной: производная не должна обращаться в нуль на целом интервале. Так были выполнены обещания раздела о производных, например то, что положительной производной на промежутке достаточно, чтобы обратная функция существовала и была дифференцируема. Он определил критические точки, доказал признак экстремума по первой производной и теорему Дарбу, согласно которой производная принимает все промежуточные значения, даже если она не непрерывна, так что у неё нет разрывов типа скачка, и вывел, что производная без нулей на промежутке не меняет знака. Урок о максимумах и минимумах определил абсолютные и строгие экстремумы; доказал признак экстремума по второй производной и, с помощью правила Лопиталя и без многочлена Тейлора, признак по производным высших порядков, который решает дело по чётности первого порядка с ненулевой производной; и искал абсолютные экстремумы на отрезке среди концов отрезка и критических точек, а на интервале или неограниченном промежутке с помощью пределов на концах и монотонности, которая даёт также, что локальный экстремум в единственной критической точке является абсолютным. Урок о выпуклости вверх и вниз определил выпуклость вниз через положение графика относительно его хорд, с соглашением раздела (выпуклая вниз функция лежит под своими хордами), и доказал, что для дифференцируемой функции быть выпуклой вниз равносильно тому, что производная возрастает, и тому, что график лежит над своими касательными, а для дважды дифференцируемой тому, что вторая производная неотрицательна; определил точки перегиба, распознавал их по смене знака второй производной или по третьей производной, показал на примере , что нулевой второй производной недостаточно, и получил неравенство Йенсена и неравенство между средним геометрическим и средним арифметическим. Урок о кривизне определил соприкасающуюся окружность как окружность, имеющую в точке то же значение, ту же производную и ту же вторую производную, что и функция; доказал с помощью дифференцирования неявной функции, что она существует и единственна, когда вторая производная не обращается в нуль, с радиусом и центром на нормали, с той стороны, куда изгибается график, и показал, что этот центр есть предел точек пересечения близких нормалей.
Оптимизация и приближение
Урок о задачах оптимизации установил метод из пяти этапов (переменная, функция, область определения, абсолютные экстремумы с обоснованием и вывод), решающий момент которого состоит в том, чтобы обосновать, что найденный экстремум абсолютный: с помощью теоремы Вейерштрасса, если область определения есть отрезок, а иначе с помощью знака производной, выпуклости или пределов на концах. Он доказал, что функция и её композиция со строго возрастающей функцией достигают экстремумов в одних и тех же точках, что точка графика, ближайшая к данной точке, существует и лежит на нормали, и вывел из принципа наименьшего времени законы преломления и отражения. Урок о методе Ньютона-Рафсона заменил график его касательной, чтобы приблизить корень; рассматривал итерации как функцию, определённую на натуральных числах, с определением предела на бесконечности и без теории последовательностей; доказал с помощью выпуклости и точной нижней грани итераций, что с подходящей стороны они приближаются к корню, не переходя его, и сходятся к нему, а с неудачной стороны первая итерация перескакивает на подходящую сторону; оценил погрешность с помощью теоремы о среднем, показал неудачи метода (нулевая производная, зацикливание, убегающие итерации) и сравнил его с методом деления пополам, который выигрывает один двоичный знак за каждое деление, тогда как метод Ньютона-Рафсона вблизи простого корня в примерах удваивает число верных знаков.
Что принимается, что доказывается и что остаётся
Итог раздела можно подвести так:
- Принимаются аксиома полноты, которую раздел использует непосредственно в теореме об ограниченности, в теореме Вейерштрасса и в сходимости итераций Ньютона-Рафсона; теоремы разделов о пределах и о производных, в частности теорема Больцано, сохранение знака, локальный характер производной и знак производной в точке; и результаты курса «Алгебра и геометрия», такие как тригонометрические формулы, неравенство и свойства степеней и логарифмов.
- Доказываются факты, которые раздел о производных объявил, не имея возможности их доказать: что положительная производная на промежутке даёт возрастающую функцию, что функция с нулевой производной на промежутке постоянна и что погрешность приближения с помощью дифференциала можно оценить; а касательная становится инструментом, чтобы приближать корни, сравнивать график с самим собой и измерять, насколько он искривлён.
- Снова используются три инструмента вместо повторения рассуждений: теорема Вейерштрасса, которая даёт экстремумы; теорема о среднем, которая переводит знак производной в сведения о значениях; и монотонность по знаку производной, на которой держатся признаки экстремума и выпуклость.
- Курсу «Математический анализ II» остаётся то, что требует большего, чем производная: интеграл, длина дуги, с которой кривизна читается как скорость поворота касательной, равномерная непрерывность, последовательности и ряды, а также многочлен Тейлора; а курсу «Математический анализ III» экстремумы функций нескольких переменных и кривизна параметрически заданных кривых.
Рисунок ниже соединяет три участка в одну цепь. Каждый узел столбца есть определение или теорема, пронумерованные в логическом порядке и соединённые дугой с более ранними звеньями, которые использует их доказательство; вокруг расположены опоры, то есть принципы и инструменты, к которым цепь обращается снова и снова, и каждая соединена сплошной линией со звеньями, которые на неё опираются, и пунктирной со звеном, где она устанавливается, кроме тех, которые взяты из предыдущих разделов или из курса «Алгебра и геометрия»: они изображены кольцами. Нажатие на опору выделяет все звенья, которые её используют, а каждое звено ведёт к уроку, где оно доказывается.
Опоры цепи
- AАксиома полноты. Принимается, начиная с курса «Алгебра и геометрия I», что действительные числа образуют полное упорядоченное поле: всякое непустое ограниченное сверху множество действительных чисел имеет точную верхнюю грань, а всякое непустое ограниченное снизу множество имеет точную нижнюю грань. В этом разделе принимается без доказательства.
- BНаследие раздела 1. Результаты, доказанные в разделе о пределах и непрерывности: арифметические свойства пределов; односторонние пределы, пределы на бесконечности и бесконечные пределы; сохранение неравенств; непрерывность арифметических операций и композиции; локальная ограниченность и сохранение знака, для пределов и для непрерывных функций; и замечательные пределы. В этом разделе принимается без доказательства.
- CНаследие раздела 2. Результаты, доказанные в разделе о производных: определение производной и односторонние производные, то, что дифференцируемая функция непрерывна, локальный характер производной, правила дифференцирования и правило дифференцирования сложной функции, производные элементарных функций, производная обратной функции и дифференцирование неявной функции, а также производные высших порядков. В этом разделе принимается без доказательства.
- DПромежуточное значение. Доказано с помощью точной верхней грани в разделе о производных: если функция непрерывна на , а и имеют противоположные знаки, то обращается в нуль в некоторой точке интервала , что и есть теорема Больцано; и образ промежутка при непрерывной функции есть промежуток. В этом разделе принимается без доказательства.
- EЗнак производной в точке. Доказано в разделе о производных: если функция определена на интервале и , то существует , такое что при и при ; отсюда не следует, что возрастает вблизи . В этом разделе принимается без доказательства.
- FДостижение наибольшего и наименьшего значений. Функция, непрерывная на отрезке, достигает на нём своего наибольшего и наименьшего значений: инструмент, который обеспечивает существование экстремумов и промежуточных точек в следующих теоремах. Устанавливается в: 2. Теорема Вейерштрасса.
- GТеорема о среднем. Если функция непрерывна на и дифференцируема в каждой точке интервала , то существует в , для которого : сведения о производной во всех точках превращаются в сведения о значениях. Устанавливается в: 7. Теорема Лагранжа о среднем значении.
- HМонотонность по производной. На промежутке неотрицательная производная даёт возрастающую функцию, а положительная строго возрастающую: инструмент, с помощью которого исследуются экстремумы и выпуклость. Устанавливается в: 12. Монотонность по знаку производной.
Участок 1 Существование и теорема о среднем
- Доказывать с помощью точной верхней грани, что функция, непрерывная на отрезке, ограничена и достигает своего наибольшего и наименьшего значений, и показывать, что ни одно условие не лишнее.
- Находить внутренние локальные экстремумы с помощью теоремы Ферма и выводить из неё и из теоремы Вейерштрасса теоремы Ролля, Лагранжа и Коши.
- Получать из теоремы о среднем, что нулевая производная даёт постоянную функцию, оценивать приращения и подсчитывать корни.
- Доказывать с помощью теоремы Коши правило Лопиталя, сводить к нему остальные неопределённости и не применять его к пределам, с помощью которых были вычислены производные.
Теорема об ограниченности. Если функция непрерывна на отрезке , то существует число , такое что для всякого из .
Опирается на: A (Аксиома полноты), B (Наследие раздела 1). Доказывается в уроке: Теорема Вейерштрасса о наибольшем и наименьшем значениях.
Теорема Вейерштрасса. Если функция непрерывна на отрезке , то существуют и в , такие что для всякого из ; ни одно из условий нельзя отбросить.
Использует: 1. Теорема об ограниченности. Опирается на: A (Аксиома полноты), B (Наследие раздела 1). Доказывается в уроке: Теорема Вейерштрасса о наибольшем и наименьшем значениях.
Образ отрезка. Если функция непрерывна на , а и суть её наименьшее и наибольшее значения на нём, то образ отрезка есть отрезок .
Использует: 2. Теорема Вейерштрасса. Опирается на: F (Достижение наибольшего и наименьшего значений), D (Промежуточное значение). Доказывается в уроке: Теорема Вейерштрасса о наибольшем и наименьшем значениях.
Наибольшее или наименьшее значение во внутренней точке. Если функция непрерывна на , причём и , то она достигает своего наибольшего или наименьшего значения в некоторой точке интервала .
Использует: 2. Теорема Вейерштрасса. Опирается на: F (Достижение наибольшего и наименьшего значений). Доказывается в уроке: Теорема Вейерштрасса о наибольшем и наименьшем значениях.
Теорема Ферма. Если функция , определённая на , имеет локальный экстремум во внутренней точке множества , то есть если существует , такое что для всех из , для которых , или для всех таких точек, и дифференцируема в точке , то .
Опирается на: E (Знак производной в точке), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Теоремы Ферма, Ролля, Лагранжа и Коши.
Теорема Ролля. Если функция непрерывна на , где , дифференцируема в каждой точке интервала и , то существует в , для которого .
Использует: 4. Наибольшее или наименьшее значение во внутренней точке, 5. Теорема Ферма. Опирается на: F (Достижение наибольшего и наименьшего значений), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Теоремы Ферма, Ролля, Лагранжа и Коши.
Теорема Лагранжа о среднем значении. Если функция непрерывна на , где , и дифференцируема в каждой точке интервала , то существует в , для которого : некоторая касательная параллельна хорде.
Использует: 6. Теорема Ролля. Опирается на: B (Наследие раздела 1), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Теоремы Ферма, Ролля, Лагранжа и Коши.
Теорема Коши о среднем значении. Если функции и непрерывны на , где , и дифференцируемы в каждой точке интервала , то существует в , для которого ; если, кроме того, не обращается в нуль на , то и .
Использует: 6. Теорема Ролля. Опирается на: B (Наследие раздела 1), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Теоремы Ферма, Ролля, Лагранжа и Коши.
Следствия теоремы о среднем. Пусть функция непрерывна на промежутке и дифференцируема в каждой внутренней точке. Если обращается в них в нуль, то постоянна; две функции с одинаковой производной отличаются на постоянную; если в этих точках, то для всех , из ; и если дифференцируема на и имеет на нём различных корней, то у их не меньше .
Использует: 6. Теорема Ролля, 7. Теорема Лагранжа о среднем значении. Опирается на: G (Теорема о среднем), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Теоремы Ферма, Ролля, Лагранжа и Коши.
Правило Лопиталя. Если функции и дифференцируемы на , причём на нём, если и стремятся к или стремится к или к при , и если стремится к , действительному числу, или , то стремится к ; то же верно слева, с обеих сторон от точки и на бесконечности.
Использует: 8. Теорема Коши о среднем значении. Опирается на: B (Наследие раздела 1), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Правило Лопиталя.
Нулевые производные в точке. Пусть натуральное число, интервал, точка из , а функция, раз дифференцируемая на и раз дифференцируемая в точке , причём . Тогда стремится к при .
Использует: 10. Правило Лопиталя. Опирается на: C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Правило Лопиталя.
Участок 2 Монотонность, экстремумы и форма графика
- Исследовать монотонность по знаку производной, характеризовать строгую монотонность и доказывать теорему Дарбу.
- Классифицировать критические точки с помощью признаков экстремума по первой и по второй производной и по производным высших порядков и находить абсолютные экстремумы на отрезках, интервалах и неограниченных промежутках.
- Характеризовать выпуклость вниз через хорды, возрастание производной, касательные и вторую производную и распознавать точки перегиба.
- Измерять кривизну графика с помощью соприкасающейся окружности.
Монотонность по знаку производной. Пусть функция непрерывна на промежутке и дифференцируема в каждой внутренней точке. Если в этих точках, то возрастает на , а если , то строго возрастает; при или она убывает или строго убывает. Обратно, если возрастает на и дифференцируема во внутренней точке , то .
Использует: 7. Теорема Лагранжа о среднем значении. Опирается на: E (Знак производной в точке), G (Теорема о среднем), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Монотонность и признак экстремума по первой производной.
Строгая монотонность при неотрицательной производной. Если функция непрерывна на промежутке и в каждой внутренней точке, то строго возрастает на тогда и только тогда, когда не обращается в нуль во всех точках никакого интервала , содержащегося в ; в частности, если она обращается в нуль лишь в конечном числе точек.
Использует: 9. Следствия теоремы о среднем, 12. Монотонность по знаку производной. Опирается на: H (Монотонность по производной), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Монотонность и признак экстремума по первой производной.
Признак экстремума по первой производной. Если функция непрерывна на и дифференцируема в каждой точке, отличной от , причём слева от и справа, то она имеет в точке локальный максимум, строгий, если неравенства строгие; при обратных неравенствах она имеет локальный минимум; а если положительна с обеих сторон или отрицательна с обеих сторон, то экстремума в точке нет.
Использует: 12. Монотонность по знаку производной. Опирается на: H (Монотонность по производной). Доказывается в уроке: Монотонность и признак экстремума по первой производной.
Теорема Дарбу. Если функция дифференцируема на интервале , а суть точки из , то принимает на всякое значение, лежащее строго между и ; следовательно, у нет на ни устранимых разрывов, ни разрывов типа скачка.
Использует: 2. Теорема Вейерштрасса, 5. Теорема Ферма. Опирается на: E (Знак производной в точке), F (Достижение наибольшего и наименьшего значений), B (Наследие раздела 1), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Монотонность и признак экстремума по первой производной.
Производная без нулей. Если функция непрерывна на промежутке , содержащем более одной точки, и дифференцируема в каждой внутренней точке, причём в каждой из них, то имеет один и тот же знак во всех этих точках, а строго монотонна на .
Использует: 12. Монотонность по знаку производной, 15. Теорема Дарбу. Опирается на: H (Монотонность по производной). Доказывается в уроке: Монотонность и признак экстремума по первой производной.
Признак экстремума по второй производной. Если функция дифференцируема на интервале и дважды дифференцируема в точке из , причём , то она имеет в точке строгий локальный минимум, если , и строгий локальный максимум, если .
Использует: 14. Признак экстремума по первой производной. Опирается на: E (Знак производной в точке), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Максимумы и минимумы функции.
Признак экстремума по производным высших порядков. Если функция раз дифференцируема на интервале и раз дифференцируема в точке из , где , причём и , то при чётном функция имеет в точке строгий локальный минимум, если , и строгий локальный максимум, если ; а при нечётном она не имеет в точке никакого локального экстремума.
Использует: 11. Нулевые производные в точке. Опирается на: B (Наследие раздела 1). Доказывается в уроке: Максимумы и минимумы функции.
Абсолютные экстремумы на промежутке. Если функция непрерывна на , то она достигает своего абсолютного максимума и абсолютного минимума, и каждая точка, в которой она их достигает, есть , или критическая точка интервала ; если она непрерывна на интервале, ограниченном или нет, и некоторое её значение превосходит её пределы на обоих концах, то она достигает абсолютного максимума, причём в критических точках.
Использует: 2. Теорема Вейерштрасса, 5. Теорема Ферма. Опирается на: F (Достижение наибольшего и наименьшего значений), B (Наследие раздела 1). Доказывается в уроке: Максимумы и минимумы функции.
Абсолютные экстремумы по монотонности. Если функция непрерывна на промежутке , точка внутренняя, во внутренних точках, меньших , и в больших, то достигает в точке своего абсолютного максимума на ; а если есть единственная критическая точка функции на и имеет в ней локальный экстремум, то этот экстремум абсолютный и строгий на .
Использует: 12. Монотонность по знаку производной, 16. Производная без нулей. Опирается на: H (Монотонность по производной). Доказывается в уроке: Максимумы и минимумы функции.
Выпуклость вниз и возрастание производной. Функция выпукла вниз на промежутке , если для всех , из и всякого из . Если непрерывна на и дифференцируема в каждой внутренней точке, то она выпукла вниз тогда и только тогда, когда возрастает во внутренних точках, и строго выпукла вниз тогда и только тогда, когда строго возрастает в них.
Использует: 7. Теорема Лагранжа о среднем значении. Опирается на: G (Теорема о среднем), B (Наследие раздела 1), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Выпуклость вверх и вниз, точки перегиба.
График над своими касательными. Если функция непрерывна на промежутке , содержащем более одной точки, и дифференцируема в каждой внутренней точке, то она выпукла вниз тогда и только тогда, когда для всякой внутренней точки и всякого из ; в частности, если она выпукла вниз и , то она достигает в точке своего абсолютного минимума на .
Использует: 21. Выпуклость вниз и возрастание производной. Доказывается в уроке: Выпуклость вверх и вниз, точки перегиба.
Выпуклость вниз и вторая производная. Если функция непрерывна на промежутке , содержащем более одной точки, и дважды дифференцируема в каждой внутренней точке, то она выпукла вниз тогда и только тогда, когда в этих точках, и строго выпукла вниз, если, кроме того, не обращается в нуль во всех точках никакого интервала, содержащегося в .
Использует: 12. Монотонность по знаку производной, 13. Строгая монотонность при неотрицательной производной, 21. Выпуклость вниз и возрастание производной. Опирается на: H (Монотонность по производной), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Выпуклость вверх и вниз, точки перегиба.
Точки перегиба. Если функция непрерывна вблизи , дифференцируема в точке и меняет знак в точке , то точка есть точка перегиба; в точке перегиба, где дважды дифференцируема, , но этого недостаточно, как показывает в точке ; а если и , то есть точка перегиба и график пересекает свою касательную.
Использует: 5. Теорема Ферма, 18. Признак экстремума по производным высших порядков, 21. Выпуклость вниз и возрастание производной, 23. Выпуклость вниз и вторая производная. Опирается на: E (Знак производной в точке), B (Наследие раздела 1). Доказывается в уроке: Выпуклость вверх и вниз, точки перегиба.
Неравенство Йенсена. Если функция непрерывна и выпукла вниз на промежутке и дифференцируема в каждой внутренней точке, то для точек из и весов с суммой ; с логарифмом, выпуклым вверх, среднее геометрическое положительных чисел не превосходит среднего арифметического.
Использует: 22. График над своими касательными, 23. Выпуклость вниз и вторая производная. Опирается на: C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Выпуклость вверх и вниз, точки перегиба.
Соприкасающаяся окружность. Если функция дифференцируема на интервале и дважды дифференцируема в точке , причём и , то существует ровно одна окружность, имеющая в точке то же значение, ту же производную и ту же вторую производную, что и ; её радиус равен , величине, обратной кривизне , а её центр лежит на нормали, над точкой, если , и под ней, если .
Опирается на: C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Кривизна и радиус кривизны.
Участок 3 Оптимизация и приближение
- Переводить геометрическую или физическую задачу в поиск абсолютного экстремума функции на точно заданной области определения и обосновывать, что найденный экстремум абсолютный.
- Находить точку графика, ближайшую к данной точке, и выводить из принципа наименьшего времени законы отражения и преломления.
- Приближать корни методом Ньютона-Рафсона, обеспечивать его сходимость с помощью выпуклости и оценивать погрешность с помощью теоремы о среднем.
Расстояние от точки до графика. Если функция непрерывна на промежутке, содержащем более одной точки и содержащем свои концы, если они есть, то некоторая точка её графика находится на наименьшем расстоянии от точки ; если абсцисса этой точки внутренняя и дифференцируема в ней, то лежит на нормали: .
Использует: 2. Теорема Вейерштрасса, 5. Теорема Ферма. Опирается на: F (Достижение наибольшего и наименьшего значений), B (Наследие раздела 1), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Задачи оптимизации.
Закон Снеллиуса. Продолжительность пути, ведущего из в со скоростью и оттуда в со скоростью , достигает своего строгого абсолютного минимума в единственной точке, где ; отсюда кратчайший путь между двумя точками, касающийся прямой, образует равные углы с перпендикуляром к ней, что и есть закон отражения.
Использует: 22. График над своими касательными, 23. Выпуклость вниз и вторая производная. Опирается на: D (Промежуточное значение), C (Наследие раздела 2). Доказывается в уроке: Задачи оптимизации.
Сходимость метода Ньютона-Рафсона. Если функция дифференцируема и выпукла вниз на интервале , причём на всём , и , то итерации , начатые с из , для которого , приближаются к монотонно, не переходя его, и сходятся к ; при начальном , для которого , если лежит в , первая итерация приводит на подходящую сторону.
Использует: 16. Производная без нулей, 21. Выпуклость вниз и возрастание производной, 22. График над своими касательными. Опирается на: A (Аксиома полноты), B (Наследие раздела 1). Доказывается в уроке: Метод Ньютона-Рафсона.
Оценка погрешности. Если функция непрерывна на промежутке и дифференцируема в каждой внутренней точке, причём в этих точках, и для некоторого из , то для всякого из .
Использует: 7. Теорема Лагранжа о среднем значении. Опирается на: G (Теорема о среднем). Доказывается в уроке: Метод Ньютона-Рафсона.
К курсу «Математический анализ II». Цепь останавливается там, где заканчивается курс. В курсе «Математический анализ II» следствие, согласно которому две функции с одинаковой производной отличаются на постоянную, служит основой для первообразных, а интеграл соединяется с производной в основной теореме математического анализа; с длиной дуги, которая есть интеграл, кривизна читается как скорость поворота касательной. Последовательности, первым примером которых были итерации Ньютона-Рафсона, и ряды дают функциям, определённым на натуральных числах, собственную теорию. А многочлен Тейлора, остаточный член которого оценивается с помощью теорем Ролля и Коши, продолжает касательную прямую с помощью производных высших порядков, обобщает признак экстремума по производным высших порядков и доказывает, при условиях на вторую производную, квадратичную сходимость метода Ньютона-Рафсона, которую этот раздел лишь наблюдал на примерах.
Загрузка содержимого…