Том 14. Истина в пределе. Анализ бесконечно малых - [2]

Как уже говорилось в предисловии, анализ бесконечно малых состоит из двух внешне различных направлений: дифференциального и интегрального исчисления, каждое из которых имеет свои понятия и методы. В дифференциальном исчислении рассматриваются задачи о вычислении угла наклона касательной к кривой и расчета скорости при известном пройденном пути. К интегральному исчислению относятся задачи о вычислении площадей и объемов, а также задачи расчета пройденного пути при известной скорости. Фундаментальным понятием дифференциального и интегрального исчисления является понятие функции.

Функции

Большинство изучаемых нами процессов, будь то природные, экономические или любые другие, можно смоделировать с помощью функций, а затем проанализировать математическими методами. Иными словами, функции — это язык, который используется в науке при изучении всех этих процессов.

Функция — это правило, сопоставляющее одному числу другое. Обычно (но не всегда) это правило выражается с помощью алгебраических операций над числами.

Так, функция может сопоставлять одному числу (обозначим его t) другое число по следующему закону:

(t >2 + 1)/(t >4 + 5)

Так как число t может принимать различные значения, его называют переменной. Как правило, функции обозначаются буквами f, g, h, s или v, переменные — буквами x, у, z или t. Значение, которое функция сопоставляет произвольному числу t, записывается как f(t). Предыдущий пример будет выглядеть так:

f(t) = (t >2 + 1)/(t >4 + 5)

В частности, когда мы присваиваем переменной t конкретные значения, мы определяем значения функции. Так, при t = 1 получим:

f(1) = (1 >2 + 1)/(1 >4 + 5) = >2 / >6

при t = 2 имеем:

f(2) = (2 >2 + 1)/(2 >4 + 5) = >5 / >21

В следующей таблице приведены несколько значений переменной и соответствующих им значений функции:

t …… F(t)

-1 …… >2 / >6

0 …… >1 / >5

√2 …… >3 / >9

Простейшая физическая система — это движущееся тело. Его перемещение можно описать функцией s, которая сопоставляет каждому моменту времени t путь s(t), пройденный телом, или функцией v, которая сопоставляет каждому моменту времени t скорость v(t), с которой движется тело.

Рассмотрим конкретный пример. Если тело по истечении t секунд преодолело путь, точно равный квадратному корню из t метров, функция, описывающая это расстояние, будет выглядеть так: s(t) = √t. Эта функция, определяющая пройденный телом путь, также содержит информацию о том, с какой скоростью перемещается тело. Однако, чтобы получить доступ к этой информации, потребуется применить методы дифференциального исчисления.

Приведем еще один конкретный пример. Пусть дано тело, которое в течение t секунд двигалось со скоростью, равной t²м/с. Функция, описывающая скорость движения этого тела, выглядит так: v(t) = t². Этот пример похож на предыдущий: функция, описывающая скорость движения тела, также содержит информацию о пройденном пути. Однако, чтобы получить эту информацию, необходимо использовать интегральное исчисление.

Аналогично с помощью функций можно описать совершенно разные явления: изменение курса акций определенного банка или компании на фондовой бирже, плотность каждого участка тела человека (так мы сможем определить без хирургического вмешательства, где находятся кости, мышцы и внутренние органы) или силу, с которой потоки воздуха воздействуют на крылья самолета во время полета.

Чтобы использовать анализ бесконечно малых при решении задач, сначала требуется описать задачу на языке функций.

После того как природные, физические или экономические процессы, которые мы хотим изучить, представлены в виде функций, в дело вступают фундаментальные понятия анализа бесконечно малых. С их помощью можно извлечь из функций интересующую нас информацию.

Производные

Основное понятие дифференциального исчисления — это понятие производной. В действительности это один из краеугольных камней не только математики, но и науки в целом, ведь за ним скрываются такие фундаментальные понятия, как скорость или сила в физике, угол наклона касательной к кривой в геометрии и многие другие.

Производная функции f в точке а показывает, как изменится функция в этой точке по сравнению с тем, как изменяется значение переменной. Рассмотрим две функции из прошлых примеров: s(t) = √t и v(t) = t². При t = 1 обе эти функции принимают значение 1: s(l) = 1 и v(1) = 1. Однако из таблицы значений видно, что поведение функций вблизи t = 1 существенно различается:

t — s(t) — v(t)

0,8 — 0,8944… — 0,64

0,9 — 0,9486… — 0,81

1 — 1 — 1

1,1 — 1,0488… — 1,21

1,2 — 1,0954… — 1,44

Заметьте, что функция v вблизи 1 изменяется более резко, чем функция s.

Чтобы измерить эти изменения, то есть чтобы определить производную, выберем произвольное число а и близкое к нему число a + h. Рассмотрим, как изменяется значение функции в этих точках по сравнению с изменением значения переменной. Для этого разделим разность значений функции f(a + h) — f(а) на разность значений переменных, а + h — a = h. Искомая дробь будет иметь вид:

(f(a+h) — f(a))/h

Продолжим рассматривать функции s(t) = √t и v(t) = t². Вычислим значения этой дроби для а = 1:

Наибольшее значение этой дроби для функции