|
Реферат: Сборник Лекций по матану (Математика)
Глава 2. Дифференциальное и интегральное исчисление функции одной переменной
§1. Основные понятия
Пусть D — некоторое множество чисел. Если задан закон, по которому каждому числу x из множества D ставится в соответствие единственное определенное число y, то будем говорить, что на множестве D задана функция, которую назовём f. Число y — это значение функции f в точке x, что обозначается формулой y = f(x). Число x называется аргументом функции, множество D — областью определения функции, а все значения y образуют множество E, которое называется множеством значений или областью изменения функции. Функция f называется возрастающей (убывающей) на множестве G, если для любых чисел х1 и х2 из множества G, таких что x1 < x2, выполняется условие f(x1) < f(x2) (f(x1) > f(x2)). Так как между множеством действительных чисел и множеством точек числовой оси можно установить взаимно-однозначное соответствие, в дальнейшем изложении понятиям “число х” и “точка х числовой оси” в некоторых случаях будет придаваться один и тот же смысл. Например, вместо “значение функции при значении аргумента, равном х1” будет говориться “значение функции в точке х1”. В нижеследующем определении можно везде заменить выражение “точка х” на выражение “число х”. Пусть ( — некоторое положительное число. (-окрестностью точки x0 называется множество всех точек x, принадлежащих промежутку (x0 - (, x0 + (), кроме самой точки x0. Принадлежность точки x (-окрестности точки [pic] можно выразить с помощью двойного неравенства
0 < (x – x0( < (.
Число ( называется радиусом окрестности.
§2. Предел и непрерывность функции
Рассмотрим функцию y = x2 в точке x0 = 2. Значение функции в этой точке равно 4. Отметим одну особенность поведения функции в этой точке. Можно [pic] выбрать какое-либо положительное число ( и построить (-окрестность точки y0 = 4. Очевидно, что найдется такая окрестность точки x0 = 2 (на рисунке 1 эта окрестность имеет радиус () , что если x будет лежать в этой окрестности, то соответствующее значение y, равное x2, попадет в (- окрестность точки y0 = 4. Это заключение справедливо для любого, сколь угодно малого числа (. Здесь точка x0 = 2 выбрана произвольно. Можно было бы для данной функции выбрать любую другую точку и сделать подобное заключение. Рассмотрим функцию [pic]. Эта функция не определена в точке x0 = 2. При x0 ( 2 её можно преобразовать:
[pic].
[pic] График функции представлен на рисунке 2. Хотя исходная функция не определена в точке x0 = 2 и естественно не равна 3 в этой точке, точка y0 = 3 имеет характерную особенность. Выбрав положительное число (, можно утверждать, что если рассматривать значения x, расположенные достаточно близко к точке x0 = 2 (или лежащие в некоторой окрестности точки x0 = 2, причем радиус этой окрестности зависит от (), то соответствующие значения y попадут в (-окрестность точки y0 = 3. Всё сказанное остаётся справедливым независимо от того, насколько малым выбрано положительное число (. Введем понятие предела функции. Число A называется пределом функции y = f(x) в точке x0 (иногда говорят, при x, стремящемся к x0), если для любого положительного числа ( можно найти такое положительное число (, что для всех x из (-окрестности точки x0 соответствующие значения y попадают в (-окрестность точки y = A. Можно сформулировать определение предела функции по-другому. Число A называется пределом функции y = f(x) в точке x0, если для любого положительного числа ( можно найти такое положительное число (, что для всех x, удовлетворяющих условию 0 < (x – x0( < (, выполняется условие
(y – A( < (.
Тот факт, что A есть предел функции y = f(x) в точке x = x0, записывается формулой [pic] [pic].
Как видно из второго из рассмотренных выше примеров, для того, чтобы функция имела предел в точке x = x0, не требуется, чтобы она была определена в этой точке. Рассмотрим функцию [pic]. Очевидно, что если x > 0, то y = 2x; если x < 0, то y = –2x; при x = 0 функция не определена. График функции изображен на рисунке 3. Легко убедиться в том, что, согласно приведенному выше определению предела, эта функция в точке x = 0 предела не имеет. Функция y = f(x) называется непрерывной в точке x = x0, если она определена в этой точке и ее значение f(x0) равно пределу функции в этой точке: [pic]. Функция y = x2 непрерывна в точке x = 2, как и во всех точках числовой оси. Функция [pic] не является непрерывной в точке x = 2. Функция [pic] не является непрерывной в точке x = 0. [pic]Функция, непрерывная в каждой точке открытого промежутка, называется непрерывной на этом промежутке. Приведем свойства предела функции. 1. Функция не может иметь в одной точке два разных предела. 2. [pic], если C — постоянная функция. 3. Если существует[pic] и C — постоянная функция, то
[pic].
4. Если существуют[pic] и [pic], то существует [pic], равный [pic], а также существует [pic], равный [pic]. Если при этом [pic], то существует[pic], равный [pic]. Введем определения так называемых “односторонних пределов”. Число B называется пределом функции f(x) в точке a справа (это записывается в виде формулы [pic] ), если для любого положительного числа ( найдется положительное число (, такое что из из условия 0 < x – a < ( будет следовать (B –f(x) ( < (. Согласно приведенному определению [pic]. Отметим, что обыкновенного предела функция [pic] в точке x = 0 не имеет. Число С называется пределом функции f(x) в точке b слева (это записывается в виде формулы [pic] ), если для любого положительного числа ( найдется положительное число ( такое, что из условия 0 < b – x < ( будет следовать (C – f(x)( < (. Очевидно, что функция [pic] (её график, изображен на рисунке 3) имеет два односторонних предела в точке x = 0:
[pic]; [pic].
Функция f(x) называется непрерывной в точке a справа (непрерывной в точке b слева), если
[pic] ([pic]).
Функция [pic] непрерывна справа в точке x=0. Функция называется непрерывной на замкнутом промежутке [a, b], если она непрерывна на открытом промежутке (a, b), непрерывна справа в точке a и непрерывна слева в точке b. Достаточно просто можно доказать теорему, связывающую понятия предела функции в точке и односторонних пределов. Мы ограничимся только формулировкой теоремы. Для того, чтобы выполнялось равенство [pic], необходимо и достаточно, чтобы одновременно выполнялись два равенства:
[pic]; [pic]
В дальнейшем нам понадобятся понятия предела функции в бесконечно удалённых точках. Рассмотрим сначала функцию f(x), определенную на полубесконечном промежутке (х0; (). Число А называется пределом функции f(x) при х, стремящемся к бесконечности:
[pic],
если для любого положительного числа ( можно найти такое положительное число M (зависящее от (), что для всех чисел х, превосходящих М, выполняется условие:
(f(x) – A( < (.
Пусть теперь функция f(x) определена на полубесконечном промежутке
(–(; х0). Число А называется пределом функции f(x) при х, стремящемся к минус бесконечности:
[pic],
если для любого положительного числа ( можно найти такое положительное число M (зависящее от (), что для всех чисел х, меньших, чем – М, выполняется условие:
(f(x) – A( < (.
Отметим два, так называемых, "замечательных предела". 1. [pic]. Геометрический смысл этой формулы заключается в том, что прямая [pic] является касательной к графику функции [pic] в точке [pic]. 2. [pic]. Здесь e — иррациональное число, приблизительно равное 2,72. Приведем пример применения понятия предела функции в экономических расчетах. Рассмотрим обыкновенную финансовую сделку: предоставление в долг суммы S0 с условием, что через период времени T будет возвращена сумма ST. Определим величину r относительного роста формулой
[pic]. (1)
Относительный рост можно выразить в процентах, умножив полученное значение r на 100. Из формулы (1) легко определить величину ST: ST = S0(1 + r) При расчете по долгосрочным кредитам, охватывающим несколько полных лет, используют схему сложных процентов. Она состоит в том, что если за 1-й год сумма S0 возрастает в (1 + r) раз, то за второй год в (1 + r) раз возрастает сумма S1 = S0(1 + r), то есть S2 = S0(1 + r)2. Аналогично получается S3 = S0(1 + r)3. Из приведенных примеров можно вывести общую формулу для вычисления роста суммы за n лет при расчете по схеме сложных процентов: Sn = S0(1 + r)n. В финансовых расчетах применяются схемы, где начисление сложных процентов производится несколько раз в году. При этом оговариваются годовая ставка r и количество начислений за год k. Как правило, начисления производятся через равные промежутки времени, то есть длина каждого промежутка Tk составляет [pic] часть года. Тогда для срока в T лет (здесь T не обязательно является целым числом) сумма ST рассчитывается по формуле
[pic] (2)
Здесь [pic] — целая часть числа [pic], которая совпадает с самим числом, если, например, T - целое число. Пусть годовая ставка равна r и производится n начислений в год через равные промежутки времени. Тогда за год сумма S0 наращивается до величины, определяемой формулой
[pic] (3)
В теоретическом анализе и в практике финансовой деятельности часто встречается понятие “непрерывно начисляемый процент”. Чтобы перейти к непрерывно начисляемому проценту, нужно в формулах (2) и (3) неограниченно увеличивать соответственно, числа k и n (то есть устремить k и n к бесконечности) и вычислить, к какому пределу будут стремиться функции ST и S1. Применим эту процедуру к формуле (3):
[pic].
Заметим, что предел в фигурных скобках совпадает со вторым замечательным пределом. Отсюда следует, что при годовой ставке r при непрерывно начисляемом проценте сумма S0 за 1 год наращивается до величины S1*, которая определяется из формулы
S1* = S0er. (4)
Пусть теперь сумма S0 предоставляется в долг с начислением процента n раз в год через равные промежутки времени. Обозначим re годовую ставку, при которой в конце года сумма S0 наращивается до величины S1* из формулы (4). В этом случае будем говорить, что re — это годовая ставка при начислении процента n раз в год, эквивалентная годовому проценту r при непрерывном начислении. Из формулы (3) получаем [pic]. Приравнивая правые части последней формулы и формулы (4), полагая в последней T = 1, можно вывести соотношения между величинами r и re:
[pic], [pic].
Эти формулы широко используются в финансовых расчётах.
Реферат на тему: Свойства усредненной функции с сильной осцилляцией
Министерство образования Российской Федерации Башкирский государственный педагогический университет
Кафедра математического анализа
Дипломная квалификационная работа
Автор: Гарипов Ильгиз. Тема: Свойства усредненной функции с сильной осцилляцией.
К защите допущен ____________ Заведующий кафедрой к.ф. м. н. доцент Сафаров Т.Г. Руководитель д.физ-мат. наук. профессор Султанаев Я.Т.
Уфа 2001
Содержание
Стр.
Введение 3
§ 1 Свойства функции [pic]. 4
§ 2 Свойства функции [pic] и ее производных. 5 2.1 [pic] 5 2.2 [pic] 6 2.3 [pic] где (>0 7 2.4 [pic] 9
§ 3 Поведение [pic] 11
3.1 [pic] 11 3.2 [pic] 11 3.3 [pic] 12 3.4 [pic] 13
§ 4 Поведение [pic] 14
4.1 [pic] 14 4.2 [pic] 15 4.3 [pic] 15 4.4 [pic] 16 Заключение 17 Литература 18
Введение
Пусть [pic] произвольная функция, определенная на [pic], и [pic] при [pic] Введем в рассмотрение функцию [pic] с помощью следующего равенства:
[pic] (1)
Назовем эту функцию усреднением функции [pic] Это название оправдано так как из (1) и теоремы о среднем для интегралов можем заключить [pic][pic][pic] [pic] § 2 Свойства функции [pic].
1. Если [pic], при [pic], то [pic] при [pic]
Доказательство:
[pic], [pic], [pic] [pic] ( N >0, [pic]: [pic] [pic]
2. [pic] (2)
3. [pic] (3) Дифференцируя формулу (1) по dx получаем [pic] (4) [pic](5)
§ 2 Свойства функции [pic] и ее производных.
I) Рассмотрим вид функции [pic] для случаев когда [pic]:
2.1 [pic] [pic] [pic] 2.2 [pic]
[pic] [pic] [pic] 2.3 [pic] где (>0; [pic] [pic] Разделим интеграл на два интеграла и вычислим их отдельно. [pic]
Второй интеграл не оказывает влияния на первый, так как при [pic]функция стремится к 0. Доказательство: [pic] Рассматривая второй интеграл, мы получаем: [pic]
Рассматривая первый интеграл, получаем: [pic] [pic] Последние два слагаемых полученных при интегрировании содержат в произведении [pic], то есть при возрастании x эти слагаемые будут очень быстро уменьшатся и весь интеграл при [pic] становится очень малым по сравнению с первой частью. Поэтому можно считать что при [pic] [pic]
Следовательно:
[pic][pic] [pic] 2.4. [pic] [pic] Наложить на[pic] ограничение, такое чтобы [pic]присутствие [pic] не влияло на поведение функции. [pic] [pic] Рассматривая полученное выражение можно заметить что [pic] становится пренебрежительно малым по отношению к остальной части как только [pic]. Ограничение №1 В тоже время [pic] Становится бесконечно малым как только [pic]. Ограничение №2
Раскрывая в оставшейся части скобки, по Биному Ньютона получаем, что
[pic] должен быть очень малым при [pic]то есть [pic] так как [pic] ограниченная функция, к 0 должен стремится [pic]. [pic] [pic] [pic] [pic] Ограничение №3
Учитывая ограничения 1, 2, 3 получаем:
[pic] Следовательно, [pic] ограничение на [pic] удовлетворяющее поставленной задаче, при котором присутствие [pic]не влияет на поведение функции [pic]. § 3 Рассмотрим поведение функции [pic]для случаев: 3.1) [pic] [pic] [pic] [pic] 3.2) [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] 3.3) [pic] [pic] Вычислим отдельно интегральное выражение, стоящее в числителе: [pic]= [pic]= [pic] [pic] [pic][pic] [pic][pic] [pic] рассматривая пределы при [pic] видим что на поведение функции оказывает влияние только главный член [pic] [pic] Поведение данной функции при [pic] эквивалентно поведению функции [pic] (*) Вычислим интеграл в знаменателе: [pic]= [pic] [pic] [pic] (**) Учитывая (*)и (**) получаем [pic] [pic] Следовательно, по формуле (2) получаем [pic]
3.4 [pic] [pic] Отдельно вычислим числитель и знаменатель:
[pic]
[pic]
По ранее доказанному в пункте 2.4 мы можем сказать что второй интеграл не оказывает влияния на поведение функции. Поэтому мы можем утверждать, что числитель эквивалентен выражению:
[pic] [pic] Вычислим знаменатель: [pic] Разделив интеграл на 2 интеграла, мы получаем: [pic] По пункту 2.4 можем вывести что второй интеграл не влияет на поведение функции при [pic] Следовательно, знаменатель: [pic] [pic] [pic] §4. Рассмотрим поведение второй производной [pic] Для облегчения вычислений введем обозначения: [pic] [pic] [pic] [pic] При этом формула для [pic]примет вид [pic] (6) 4.1 [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] Виду того, что d(x) очень мал то [pic] будет несравним с d(x) т.е. [pic] 4.2 [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] используя равенства, полученные в пункте 2.2 и 3.2, преобразуя данное равенство, приходим к выражению: [pic] (Все выкладки приводить не буду в виду их громоздкости и сложности для восприятия. Добавлю только что все выкладки, примененные в данном пункте полностью повторяют ограничения и эквивалентные выражения, использованные в пунктах 2.2 и 3.2). Отсюда следует что [pic]
4.3 [pic] [pic] [pic] Используя данные, полученные в п.3.3 получаем что [pic] [pic] Возвращаясь к п. 3.3 находим: [pic] [pic] [pic] Вычисляя [pic]по формуле 6, получаем: [pic] и [pic]
4.4 [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] и [pic]
Заключение В результате проведенного исследования поведения усредненной функции в случае осциллирующих коэфициентов, получены данные приведенные в следующей таблице: |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] | |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] | |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] | |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] | |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |
| |