Понятие производной для начинающих
Движение, путь и скорость
Рассмотрим поступательное движение тела вдоль некоторой прямой линии;
расстояние определённой точки тела от определённой точки на этой прямой
обозначим , причём в одну сторону это расстояние будем считать
положительным, а в другую - отрицательным. Пусть, например, прямая, вдоль
которой движется тело, расположена вертикально, точки выше 0 соответствуют
положительным , точки ниже 0 - отрицательным .
При движении координата зависит от времени (мы будем сокращённо
говорить: "координата " вместо "расстояние определённой точки тела от
определённой точки на прямой"). Движение тела определяется зависимостью
от времени , т.е. заданием функции . Зная функцию
, можно найти положение тела в любой момент времени.
Функцию можно изобразить графически, откладывая по оси абсцисс
время (ось t), а по оси ординат - величину , характеризующую положение
тела.
При равномерном движении с постоянной скоростью путь , пройденный
за время , равен произведению . Обозначим
координату тела в момент . Путь, пройденный за время , равен
разности . Значит,
Следовательно, при равномерном движении зависимость координаты от времени
даётся линейной функцией. График зависимости при равномерном
движении представляет собой прямую линию на координатной плоскости, у
которой по оси абсцисс (горизонтальной) отложено время , а по оси
ординат (вертикальной) отложена координата
Если же тело движется неравномерно, зависимость выражается более
сложными формулами и соответствующий график представляет собой ту или иную
кривую
Разберём подробно следующую задачу: задана функция , т.е.
зависимость координаты тела от времени, нужно найти скорость движения тела
. В общем случае неравномерного движения скорость не остаётся
постоянной, она меняется с течением времени. Значит, скорость есть
также функция времени , и задача заключается в том, чтобы выразить
через известную функцию .
В частном случае равномерного движения (с постоянной скоростью) всё просто.
Скорость определяется как путь, пройденный за единицу времени. Так как
скорость постоянна, то безразлично, какой именно участок пути и какой
промежуток времени выбран для определения скорости.
Найдём путь, пройденный за одну секунду от момента секунд до
момента секунд. Этот путь равен разности координат
и :
и численно оказался равным скорости. Можно взять произвольный промежуток
времени между и и разделить пройденный путь
на величину промежутка :
Именно потому, что скорость постоянна, мы могли выбирать для её вычисления
любой интервал , и ответ не зависел ни от момента ,
ни от величины этого интервала. В общем случае движения с переменной
скоростью это уже не так.
Прежде чем переходить к более общему случаю удобно переменить обозначения.
Назовём , , так что разность ,
т.е. промежуток времени, обозначена
1↓. Подобно этому обозначим разность
В этих обозначениях средняя скорость в интервале от до равна
[A]
[A] Отметим, что - это не
множитель, а знак, заменяющий слово «приращение», так что сокращать
в числителе и знаменателе дроби нельзя. Сам знак -
это прописная буква «дельта» греческого алфавита, так что
читается «дельта тэ», - «дельта зэт»; часто читают - «приращение времени», - «приращение пути».
Мы говорим здесь о средней скорости потому, что общем случае сама скорость
может меняться на протяжении интервала .
Рассмотрим второй пример, когда задаётся формулой
Отсюда получается
Сравним результаты
2↑ и
5↑ для средней скорости при движении
по закону 1↑ и по закону
4↑. Второй пример отличается тем, что
в нём средняя скорость зависит и от самого момента , и от промежутка
времени .
Как же найти мгновенную скорость?
Скорость меняется постепенно, поэтому чем меньше промежуток времени, в
течение которого производится измерение пройденного пути, тем меньше успеет
измениться скорость, тем ближе будет средняя скорость к её мгновенному
значению.
В формуле
5↑ содержит два
члена, не зависящих от величины промежутка , и один член,
пропорциональный . При очень маленьких этим членом
можно пренебречь, а при этом даёт величину мгновенной
скорости
Внимательный читатель, вероятно, уже узнал в выражениях
4↑ и
6↑ известные из школьного учебника
физики формулы для равноускоренного движения:
Для этого нужно лишь вместо подставить - начальную
скорость (т.е. скорость в момент ), а вместо подставить
, где - ускорение.
Мы вычислили мгновенную скорость в момент , исходя из средней
скорости в промежутке от до . Попробуем теперь
вычислить её, выбирая промежуток несколько по-иному. Найдём среднюю
скорость в промежутке от до ; длительность промежутка по-прежнему равна .
Из формулы
4↑ получим
Отсюда следует, что
Если сравнить формулы
5↑ и
8↑, то видно, что средние скорости
на интервале от до и на интервале от
до отличаются на величину . Но если мы хотим найти мгновенную скорость, то
нужно брать очень маленький интервал ; при этом различие
пропадает, и мы снова получаем для мгновенной скорости
.
Мы рассмотрели понятие мгновенной скорости для двух конкретных примеров:
для равномерного и для равноускоренного движения. В следующем параграфе мы
дадим более точное определение мгновенной скорости при произвольном законе
движения.
Производная функции - предел отношения приращений
В предыдущем параграфе в связи с задачей о мгновенной скорости мы пришли к
рассмотрению отношений вида
при очень близких между собой значениях и .
Выражение «очень близкие» является неопределённым, нестрогим. Точная
формулировка такова: необходимо найти
предел, к которому стремится отношение
при , стремящимся к . Используя обозначения
и , это отношение можно переписать в виде
В формуле
10↑ величины и
зависимы: можно выбрать любой промежуток времени , но после того, как промежуток времени , стоящий в
знаменателе, выбран, подразумевается, что в числителе - не
любой отрезок пути, а именно тот, который соответствует промежутку времени
. В формуле 9↑ это было
очевидно из самого написания аргументов функции ,
в числителе, формула 10↑ есть
просто другая запись формулы 9↑.
Интересующая нас величина мгновенной скорости в момент времени
есть предел отношения при , стремящемся к нулю. Очевидно, стремление к нулю
равносильно стремлению к , поскольку . Приведённая формулировка записывается так:
Буквы lim
[B]
[B] начальные буквы латинского
слова «limes» - «лимес» - «предел»
обозначают «предел»; внизу записано, о каком именно пределе идёт речь -
при , стремящемся к нулю, стрелка заменяет слово «стремится»,
в скобках указана та величина , предел
который ищется.
Что значит «предел», «стремление к пределу»? Те расчёты, которые мы
производили в предыдущем параграфе, как раз и служили наглядным пояснением
этих понятий. Мы видели, что при малых промежутках величина
во втором примере отличалась от значения
на малую величину, пропорциональную . Хотя
коэффициент пропорциональности при мог быть различным при
разных способах выбора интервала, для малых значений в
выражении для мы всегда могли пренебречь членом с
.
Итак, отношение
стремится к определённому пределу, когда
стремится к нулю; при , стремящемся к нулю, и
неограниченно сближаются между собой, и общую их величину мы
обозначаем (когда ) .
Предел отношения, т.е. мгновенная скорость , есть определённая
функция ,
Почему при вычислении скорости по заданной формуле приходится
проводить такой длинный расчёт, находить для различных
и затем только находить предел ? Нельзя ли сразу взять значение
? При этом мы получили бы , так как , и если , то и и
. Значит, при таком бездумном способе
действий мы получили бы , т.е. не
получили бы никакого определённого ответа.
При вычислении скорости вся суть заключается в том, чтобы брать малые
и
соответствующие им малые . При этом получается каждый
раз вполне определённое отношение ; когда
уменьшается, стремится к нулю, то уменьшается
приблизительно пропорционально величине , а поэтому отношение
остаётся приблизительно постоянным.
Отношение стремится к определённому
пределу при стремлении к нулю.
Величина этого предела -
мгновенная скорость в случае движения или в общем случае
производная функции - зависит от вида функции и
от значения переменной . В следующем параграфе мы проведём
алгебраически вычисление производной нескольких простейших функций и для
них найдём точное значение предела, т.е. производной.
Обозначения производной. Производная степенной функции
Предел отношения приращения функции к приращению независимой переменной
при стремлении к нулю приращения независимой переменной имеет
первостепенное значение и для высшей математики и для её приложений: выше
мы видели, например, что такое важнейшее понятие, как мгновенная скорость
движения, находится именно с помощью предела такого отношения. Поэтому
предел этого отношения имеет специальное название:
производная функция или короче производная. Первое название
связано с тем, что если есть функция , , то и предел
отношения также
есть функция (другая) переменной - зависит от значения
, к которому стремятся и , или, как иначе говорят,
зависит от значения , «при котором берётся производная ».
Для производной имеются специальные обозначения.
Один способ обозначения:
При этом величина
[C]
[C] читается: «дэ-зэт по дэ-тэ»
рассматривается на как дробь, а просто как сокращённая запись предела,
стоящего справа. Величина записана в
форме дроби для того, чтобы напоминать, что эта величина получена из дроби
путём перехода к пределу.
Обратите внимание, что
не одно и то же, что
Источники
[ 1] Я.Б.Зельдович «Высшая математика для начинающих»