Дифференциал функции: определение, свойства, геометрический смысл, применение

Подготовка к экзамену «Элементы высшей математики» · Вопросы №6–7 · 50 задач

Часть I. Теория

1. Определение дифференциала

Пусть функция \(y=f(x)\) дифференцируема в точке \(x\). Тогда её приращение можно представить в виде \[\Delta y = f(x+\Delta x)-f(x) = f'(x)\,\Delta x + \alpha(\Delta x)\cdot \Delta x,\] где \(\alpha(\Delta x)\to 0\) при \(\Delta x\to 0\). Главная, линейная относительно \(\Delta x\) часть приращения называется дифференциалом функции.

Дифференциал функции \(y=f(x)\) в точке \(x\): \[dy = f'(x)\,\Delta x.\] Так как для функции \(y=x\) имеем \(dy=dx=\Delta x\), то дифференциал независимой переменной равен её приращению, и окончательно \[\boxed{\,dy = f'(x)\,dx\,}\qquad\Longrightarrow\qquad f'(x)=\dfrac{dy}{dx}.\]

2. Связь приращения \(\Delta y\) и дифференциала \(dy\)

Из равенства \(\Delta y = dy + \alpha(\Delta x)\,\Delta x\) следует, что при малых \(\Delta x\) разность \(\Delta y - dy\) есть бесконечно малая более высокого порядка, чем \(\Delta x\):

\[\Delta y \approx dy \quad \text{при } \Delta x\to 0, \qquad \Delta y - dy = o(\Delta x).\]

Именно эта близость и лежит в основе применения дифференциала к приближённым вычислениям.

3. Свойства дифференциала

Пусть \(u=u(x)\), \(v=v(x)\) — дифференцируемые функции, \(C\) — постоянная.

СвойствоФормула
Дифференциал постоянной\(dC = 0\)
Линейность\(d(u\pm v)=du\pm dv,\qquad d(Cu)=C\,du\)
Дифференциал произведения\(d(uv)=v\,du+u\,dv\)
Дифференциал частного\(d\!\left(\dfrac{u}{v}\right)=\dfrac{v\,du-u\,dv}{v^2},\quad v\neq 0\)

Инвариантность формы первого дифференциала. Если \(y=f(u)\), а \(u=\varphi(x)\) — дифференцируемая функция, то \[dy = f'(u)\,du,\] т.е. формула дифференциала сохраняет свой вид независимо от того, является ли аргумент \(u\) независимой переменной или функцией другой переменной. (Для дифференциалов высших порядков это свойство, вообще говоря, не выполняется.)

4. Геометрический смысл дифференциала

Проведём касательную к графику функции \(y=f(x)\) в точке \(M_0(x_0;\,f(x_0))\). Её угловой коэффициент равен \(f'(x_0)=\operatorname{tg}\alpha\). При переходе от абсциссы \(x_0\) к абсциссе \(x_0+\Delta x\) ордината касательной получает приращение \(\operatorname{tg}\alpha\cdot\Delta x = f'(x_0)\,\Delta x = dy\).

Геометрический смысл: дифференциал \(dy\) равен приращению ординаты касательной, проведённой к графику функции в точке \(x_0\), при изменении аргумента на \(\Delta x\). При этом \(\Delta y\) — приращение ординаты самой кривой, и \(\Delta y\approx dy\) при малых \(\Delta x\).

5. Применение дифференциала к приближённым вычислениям

Заменяя \(\Delta y\) на \(dy\), получаем основную формулу приближённых вычислений:

\[f(x_0+\Delta x)\approx f(x_0)+f'(x_0)\,\Delta x.\]

Частные случаи (при малых \(\alpha\), \(\alpha\) в радианах): \[\sqrt{1+\alpha}\approx 1+\frac{\alpha}{2},\qquad (1+\alpha)^n\approx 1+n\alpha,\qquad \sin\alpha\approx\alpha,\qquad \ln(1+\alpha)\approx\alpha.\]

Точку \(x_0\) выбирают так, чтобы значения \(f(x_0)\) и \(f'(x_0)\) вычислялись просто, а \(\Delta x\) было малым.

6. Дифференциалы высших порядков

Дифференциалом второго порядка называется дифференциал от первого дифференциала: \(d^2y=d(dy)\). Если \(x\) — независимая переменная, то \[d^2y=f''(x)\,dx^2,\qquad d^3y=f'''(x)\,dx^3,\qquad d^ny=f^{(n)}(x)\,dx^n,\] где \(dx^2=(dx)^2\). Отсюда \(f''(x)=\dfrac{d^2y}{dx^2}\).

Разобранные примеры

Пример 1. Найти дифференциал функции \(y=x^3\ln x\).

Находим производную по правилу произведения: \[y'=(x^3)'\ln x + x^3(\ln x)'=3x^2\ln x + x^3\cdot\frac{1}{x}=3x^2\ln x + x^2 = x^2(3\ln x+1).\] Следовательно, \[dy = y'\,dx = x^2(3\ln x+1)\,dx.\]

Пример 2. Вычислить приближённо \(\sqrt{4{,}02}\).

Рассмотрим функцию \(f(x)=\sqrt{x}\). Возьмём \(x_0=4\) (значение \(\sqrt{4}=2\) известно точно), тогда \(\Delta x=0{,}02\).

Производная: \(f'(x)=\dfrac{1}{2\sqrt{x}}\), поэтому \(f'(4)=\dfrac{1}{2\cdot 2}=0{,}25\).

По формуле \(f(x_0+\Delta x)\approx f(x_0)+f'(x_0)\,\Delta x\): \[\sqrt{4{,}02}\approx 2 + 0{,}25\cdot 0{,}02 = 2 + 0{,}005 = 2{,}005.\] Ответ: \(\sqrt{4{,}02}\approx 2{,}005\) (точное значение \(2{,}004993\ldots\)).

Пример 3. Найти \(d^2y\) для функции \(y=e^{2x}+\cos x\).

Первая производная: \(y'=2e^{2x}-\sin x\).

Вторая производная: \(y''=4e^{2x}-\cos x\).

Так как \(x\) — независимая переменная, то \[d^2y=y''\,dx^2=\bigl(4e^{2x}-\cos x\bigr)\,dx^2.\]

Часть II. Задачи (50)

Уровень А — базовый (№ 1–20)
  1. Найдите дифференциал функции \(y=x^5\).
  2. Найдите дифференциал функции \(y=3x^2-4x+7\).
  3. Найдите дифференциал функции \(y=\sqrt{x}\).
  4. Найдите дифференциал функции \(y=\dfrac{1}{x}\).
  5. Найдите дифференциал функции \(y=\sin x + \cos x\).
  6. Найдите дифференциал функции \(y=e^x-2x\).
  7. Найдите дифференциал функции \(y=\ln x + x^2\).
  8. Найдите дифференциал функции \(y=\operatorname{tg}x\).
  9. Найдите дифференциал функции \(y=x^3\cdot e^x\) (используйте формулу дифференциала произведения).
  10. Найдите дифференциал функции \(y=\dfrac{x}{x+1}\) (используйте формулу дифференциала частного).
  11. Найдите дифференциал функции \(y=x\sin x\).
  12. Найдите дифференциал функции \(y=5\sqrt[3]{x}\).
  13. Вычислите \(dy\) для функции \(y=x^2-3x\) в точке \(x_0=2\) при \(dx=0{,}1\).
  14. Вычислите \(dy\) для функции \(y=x^3\) в точке \(x_0=1\) при \(dx=0{,}05\).
  15. Вычислите \(dy\) для функции \(y=\sqrt{x}\) в точке \(x_0=9\) при \(dx=0{,}6\).
  16. Вычислите \(dy\) для функции \(y=\ln x\) в точке \(x_0=e\) при \(dx=0{,}2\).
  17. Для функции \(y=x^2\) в точке \(x_0=3\) при \(\Delta x=0{,}1\) найдите \(\Delta y\) и \(dy\) и сравните их (найдите разность \(\Delta y-dy\)).
  18. Для функции \(y=x^2\) в точке \(x_0=5\) при \(\Delta x=0{,}01\) найдите \(\Delta y\) и \(dy\). Во сколько раз уменьшилась разность \(\Delta y-dy\) по сравнению со случаем \(\Delta x=0{,}1\)?
  19. Для функции \(y=x^2\) выведите в общем виде выражения для \(\Delta y\) и \(dy\) и покажите, что \(\Delta y-dy=(\Delta x)^2\).
  20. Вычислите \(dy\) для функции \(y=\cos x\) в точке \(x_0=\dfrac{\pi}{6}\) при \(dx=0{,}02\).
Уровень Б — средний (№ 21–40)
  1. Найдите дифференциал функции \(y=\sin 3x\).
  2. Найдите дифференциал функции \(y=(2x-1)^5\).
  3. Найдите дифференциал функции \(y=\sqrt{x^2+4}\).
  4. Найдите дифференциал функции \(y=\ln(x^2+1)\).
  5. Найдите дифференциал функции \(y=e^{-x^2}\).
  6. Найдите дифференциал функции \(y=\operatorname{arctg}2x\).
  7. Найдите дифференциал функции \(y=\cos^3 x\).
  8. Найдите дифференциал функции \(y=x\,e^{2x}\).
  9. Найдите дифференциал функции \(y=\dfrac{\ln x}{x}\).
  10. Найдите дифференциал функции \(y=\sqrt{\operatorname{tg}x}\).
  11. Вычислите приближённо \(\sqrt{25{,}3}\).
  12. Вычислите приближённо \(\sqrt[3]{27{,}54}\).
  13. Вычислите приближённо \(\sqrt{0{,}98}\).
  14. Вычислите приближённо \(\sin 1^\circ\) (переведите угол в радианы, \(\pi\approx 3{,}1416\)).
  15. Вычислите приближённо \(\ln 1{,}02\).
  16. Вычислите приближённо \(\operatorname{arctg}1{,}05\).
  17. Вычислите приближённо \(1{,}997^4\).
  18. Найдите \(d^2y\) для функции \(y=x^4-3x^2+2\).
  19. Найдите \(d^2y\) для функции \(y=\sin 2x\).
  20. Найдите \(d^2y\) для функции \(y=x\ln x\) и вычислите его значение в точке \(x_0=1\) при \(dx=0{,}1\).
Уровень В — повышенный (№ 41–50)
  1. Вычислите приближённо \(\cos 61^\circ\) (возьмите \(x_0=60^\circ\), переведите \(\Delta x\) в радианы).
  2. Вычислите приближённо \(\sqrt[5]{31{,}8}\).
  3. Вычислите приближённо значение выражения \(\dfrac{1}{\sqrt{1{,}04}}\), рассмотрев функцию \(f(x)=x^{-1/2}\).
  4. Вычислите приближённо \(e^{0{,}03}\) и \(\ln 0{,}97\); сравните, какая из оценок точнее по модулю поправки.
  5. Функция \(y=y(x)\) задана неявно уравнением \(x^2+y^2=25\). Найдите дифференциал \(dy\) и вычислите его в точке \(M(3;4)\) при \(dx=0{,}1\).
  6. Функция \(y=y(x)\) задана неявно уравнением \(x^3+y^3-3xy=0\). Выразите \(dy\) через \(x\), \(y\) и \(dx\).
  7. Найдите \(d^2y\) для функции \(y=e^{x}\sin x\).
  8. Найдите \(d^2y\) для функции \(y=\ln(1+x^2)\).
  9. Ребро куба, измеренное с точностью \(\Delta a=0{,}02\) см, оказалось равным \(a=10\) см. С помощью дифференциала оцените абсолютную и относительную погрешности вычисления объёма куба \(V=a^3\).
  10. Дана функция \(y=x^2-2x\) и точка \(x_0=3\). Составьте уравнение касательной в этой точке и покажите, что приращение ординаты касательной при переходе от \(x_0\) к \(x_0+\Delta x\) (\(\Delta x=0{,}5\)) равно дифференциалу \(dy\) в точке \(x_0\); сравните его с \(\Delta y\).