Правила дифференцирования функций

ЛИНЕЙНАЯ АЛГЕБРА,

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ,

НАЧАЛА МАТЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА.

Учебно-методическое пособие

по специальным разделам высшей математики

Самара 2005

Составители: Л.В. Лиманова, Л.А. МУРАТОВА

УДК 517.531, 519.2

Линейная алгебра, аналитическая геометрия, начала математического анализа.Учебно-метод. пособ. по спец. главам высш. матем./ Самар. гос. техн. ун-т. Сост. Л.В. Лиманова,

Л.А. Муратова. Самара, 2005. 49 с.

Представлены задачи и их решения из следующих разделов курса высшей математики: линейная алгебра, аналитическая геометрия, математический анализ.

Пособие предназначено для студентов всех специальностей СамГТУ.

Ил. . Библиогр.: 6 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ

В соответствии с программой курса высшей математики для 1 семестра СамГТУ пособие охватывает такие разделы, как линейная алгебра, аналитическая геометрия, теория пределов, дифференциальное исчисление.

Пособие содержит тренировочный тест (стр.37) с типовыми задачами из указанных разделов.

Представлены подробные решения всех задач тренировочного теста, а также необходимый теоретический материал.

Пособие рекомендуется использовать для подготовки к экзамену по высшей математике. Внимательное изучение настоящего пособия позволит успешно справиться с этой задачей.

ЗАДАЧИ И РЕШЕНИЯ

Задача 1.Найти сумму элементов 3-его столбца матрицы В, если

Решение. При умножении матрицы размера на матрицу размера получится матрица размера (3 строки и 4 столбца). Таким образом, в 3-м столбце будет 3 элемента: . Далее, умножение матриц осуществляется по правилу: элемент матрицы , стоящий в i-той строке и к-том столбце, равен сумме произведений соответствующих элементов i-той строки матрицы А и к-го столбца матрицы С. То есть, чтобы найти нужно 1-ю строку матрицы А умножить на 3-й столбец матрицы С:

Аналогично, находим

Тогда сумма этих элементов

Задача 2.Найти , если

Решение. Вычислим определитель матрицы А:

Так как , то - существует. Обратную матрицу находим по схеме

Здесь - транспонированная матрица, получается из матрицы А, если поменять местами строки и столбцы:

- союзная матрица, состоит из алгебраических дополнений элементов .

Найдем алгебраические дополнения элементов по формуле

где - минор - определитель, остающийся после вычеркивания строки i и столбца j матрицы .

Получим

Итак,

Наконец, находим обратную матрицу

Задача 3.Найти сумму элементов 3-ей строки матрицы , если

Решение. Вычислим определитель матрицы А:

Запишем транспонированную матрицу

Так как надо найти сумму элементов 3-ей строки матрицы , достаточно определить алгебраические дополнения для 3-ей строки матрицы :

Тогда элементы 3-ей строки матрицы :

Их сумма равна

Задача 4.Дана система уравнений

Найти

Решение. Согласно формулам Крамера решение системы определяется соотношениями

Найдем

- определитель из коэффициентов, стоящих перед неизвестными

Чтобы найти , необходимо элементы 3-его столбца определителя заменить на столбец свободных членов системы:

Находим z:

Задача 5.Решить систему уравнений, приняв в качестве базисных переменных y и z:

Решение. Решаем систему методом Гаусса. Запишем расширенную матрицу системы – матрицу из коэффициентов при неизвестных и свободных членов.

Среди коэффициентов при неизвестных есть 1, ей соответствует переменная z. Назовем z базисной переменной. Исключим базисную переменную z из 2-го уравнения, для чего умножим 1-е уравнение на 5 и сложим со вторым. Получим эквивалентную исходной систему уравнений с матрицей

Умножим 2-е уравнение на (-1):

Считая новой базисной переменной у, исключим её из 1-го уравнения. Для этого умножим 2-е уравнение на 2 и сложим с первым:

В каждом уравнении выбирают одну базисную переменную, оставшиеся переменные называют свободными (в данном случае это х).

Запишем систему уравнений, соответствующую последней матрице:

Выразив базисные переменные (у и z) через свободную (х), получим общее решение системы уравнений

Задача 6. Найти

Решение. Воспользуемся формулой

где - скалярное произведение векторов и .

Вычислим :

Найдем модули векторов

Тогда

Задача 7.

Векторортогоналенвектору Найти

Решение.

Так как вектор ортогонален вектору ,то , и, значит, скалярное произведение этих векторов тоже равно нулю:

С другой стороны

Итак,

Задача 8.

Найти ,если

Решение. Проекция вектора на вектор определяется по формуле

Найдем координаты вектора :

Вычислим скалярное произведение векторов и

и модуль вектора

Тогда

Задача 9.

Известно, что а угол между иравен Найти .

Решение.

Согласно определению векторного произведения имеет место формула

Тогда

Подставив исходные данные, получим

Задача 10.

Найти площадь треугольника с вершинами в точках

Решение.

Площадь треугольника, построенного на векторах и ,может быть найдена по формуле:

где

векторное произведение векторов и .

Примем , Вычислим координаты векторов и :

Найдем векторное произведение этих векторов

Тогда

Следовательно,

Задача 11.

Определить , при котором компланарны векторы и

Решение.

Условие компланарности трех векторов имеет вид

где -смешанное произведение векторов и - вычисляется по формуле

Подставляя исходные данные, получим

откуда

Задача 12.

Найти объём треугольной пирамиды с вершинами в точках

Решение. Найдем координаты векторов , , , на которых построена пирамида:

Вычислим смешанное произведение этих векторов

Объём треугольной пирамиды, построенной на векторах , , , равен

Задача 13.

Записать уравнение прямой, проходящей через точки

Решение. Уравнение прямой, проходящей через две точки имеет вид

Подставляя координаты точек А и В, получим

Задача 14.

Написать уравнение прямой, проходящей через точку , перпендикулярно плоскости

Решение. Так как прямая перпендикулярна плоскости, то в качестве направляющего вектора прямой можно взять нормальный вектор плоскости.

Тогда

Поскольку уравнение прямой, проходящей через точку с направляющим вектором , имеет вид

получим

Задача 15.

Определить, при каких и параллельны прямые

Решение. Условие параллельности двух прямых – это условие коллинеарности их направляющих векторов и

Подставляя координаты и получим

Тогда

Задача 16.

Составить уравнение плоскости, проходящей через точки

Решение. Уравнение плоскости, проходящей через три точки имеет вид

Вычисляем определитель

и получаем уравнение плоскости

Задача 17.

Определить, при каком А прямая параллельна плоскости

Решение. Условие параллельности прямой и плоскости – это условие ортогональности направляющего вектора прямой и нормального вектора плоскости:

Применяя эту формулу для и получим

то есть

Задача 18.

Найти точку пересечения прямой

и плоскости

Решение. Перейдем к параметрическим уравнениям прямой

откуда

Найдем значение t, соответствующее точке пересечения прямой и плоскости, для чего подставим полученные выражения в уравнение плоскости

Подставляя в параметрические уравнения прямой, найдем координаты точки пересечения прямой и плоскости

Задача 19.

Найти канонические уравнения прямой пересечения двух плоскостей

Решение. Уравнение прямой пересечения двух плоскостей получим, решив совместно систему уравнений методом Гаусса.

-3

Составим расширенную матрицу системы уравнений

~

Возьмем у в качестве базисной переменной и исключим у из 2-го уравнения, для чего умножим 1-е уравнение на (-3) и сложим со вторым уравнением. Получим

~

Разделим 2-е уравнение на (-4)

-3

~

Возьмем в качестве следующей базисной переменной х и исключим её из первого уравнения, умножив 2-е уравнение на (-3) и сложив с первым уравнением

Запишем получившуюся систему уравнений:

Выразим базисные переменные х и у через свободную переменную z:

Обозначив , получим параметрические уравнения прямой:

Исключив параметр , перейдем к каноническим уравнениям прямой

Задача 20.

Составить уравнение плоскости, проходящей через точки параллельно вектору

Решение. Пусть - произвольная точка искомой плоскости. Тогда векторы - компланарны. Запишем условие компланарности трех векторов:

Так как

то

Тогда уравнение искомой плоскости будет иметь вид

, или

Задача 21.

Составить уравнение плоскости, проходящей через прямые

Решение. Пусть - произвольная точка искомой плоскости. Обозначим - направляющие векторы прямых, Уравнение искомой плоскости получим, записав условие компланарности векторов где А – точка, лежащая в искомой плоскости (в качестве такой точки можно взять любую точку, принадлежащую любой из двух прямых, например, А(-1; 0; 3). Так как получим

или

Задача 22.

Найти собственные значения матрицы

Решение. Собственные значения и матрицы А находим, решая характеристическое уравнение:

Задача 23.

Найти координаты вектора в базисе

Решение. При разложении вектора по базису , , необходимо представить в виде

Здесь - есть координаты вектора в базисе , .

Запишем это равенство в координатной форме

Оно равносильно системе уравнений

Решим систему, например, по формулам Крамера.

Тогда

Значит, координаты вектора в базисе ,

Задача 24.

Определить вид и расположение кривой

Решение.

Чтобы определить, какая кривая представлена данным уравнением, необходимо привести уравнение к каноническому виду. Для этого выделим полные квадраты при переменных x и y.

Полученное уравнение соответствует уравнению эллипса

с полуосями и центром в точке

Задача 25.

Составить уравнение гиперболы, фокусы которой расположены на оси ординат симметрично относительно начала координат, если её действительная полуось равна 3, а расстояние между фокусами

Решение. Уравнение гиперболы, фокусы которой расположены на оси ординат симметрично относительно начала координат, имеет вид

Действительная полуось этой гиперболы . Найдем а из соотношения:

Так как и

Итак, искомое уравнение гиперболы

или

Задача 26.

Вычислить

Решение.

Числитель и знаменатель дроби неограниченно возрастают при В этом случае говорят, что имеет место неопределенность вида Разделим числитель и знаменатель дроби на старшую степень переменной, то есть на

Так как при каждая из дробей , стремится к нулю, получим

Задача 27.

Вычислить

Решение.

При числитель и знаменатель дроби стремятся к 0. Это неопределенность вида Разложим на множители числитель и знаменатель дроби и выполним сокращение:

Задача 28.

Вычислить

Решение.

В данном случае имеет место неопределенность вида так как при числитель и знаменатель стремятся к нулю. Умножим числитель и знаменатель дроби на выражения, сопряженные к ним, то есть на

Задача 29.

Вычислить

Решение. При числитель и знаменатель – бесконечно малые величины. Заменим их эквивалентными бесконечно малыми.

Так как при ~ , ~ , то ~ ~6x.

Теперь можно воспользоваться формулой

где

- бесконечно малые, причем ~ , ~ .

Тогда

Задача 30.

Вычислить

Решение.

Это неопределенность . Раскрываем её с помощью второго замечательного предела

В данном случае Поэтому

Задача 31.

Вычислить

Решение. При имеем неопределенность .

Преобразуем выражение, используя свойства логарифмов:

Так как , , имеем неопределенность , которую раскрываем по правилу Лопиталя:

Тогда

Так как получили неопределенность Её можно раскрыть, ещё раз применив правило Лопиталя, но проще использовать таблицу эквивалентных бесконечно малых:

при ~х, ~х.

Тогда

Задача 32.

Найти

Решение.

Применяя формулы дифференцирования произведения и частного

получим

Подставим в производную

Замечание. Здесь и далее используются формулы дифференцирования, приведенные в конце пособия.

Задача 33.

. Найти

Решение.

Применим правило дифференцирования сложной функции: если то

В данном случае

поэтому

Тогда

Задача 34.

Вычислить

Решение. Это показательно-степенная функция. Преобразуем её в показательную, используя свойства логарифмов:

Получившуюся функцию дифференцируем как сложную

Тогда

Задача 35.

Вычислить в точке

Решение. Преобразуем данную функцию

Вычислим частную производную , считая у константой:

Найдем , считая х константой:

Подставим вместо х и у координаты точки

Тогда

Задача 36.

Найти , если

Решение.

Функция задана в неявном виде – уравнением Воспользуемся формулой дифференцирования неявно заданной функции:

Так как

то

Задача 37.

, где Найти при

Решение. Согласно формуле дифференцирования сложной функции

где

имеем

Так как

то

Тогда

Задача 38.

Найти , если

Решение.

Функция заданапараметрически – уравнениями .

В этом случае можно воспользоваться формулой

Так как

то

Задача 39.

Найти асимптоты кривой

Решение.

Асимптоты бывают вертикальные и наклонные.

Прямая является вертикальной асимптотой кривой если

Прямая является наклонной асимптотой кривой если существуют конечные пределы

Так как знаменатель дроби никогда не обращается в 0 (D=-3<0), значит, не существует точек, обращающих саму дробь в бесконечность, и вертикальных асимптот нет.

Ищем наклонные асимптоты:

Тогда наклонная асимптота имеет вид

Задача 40.

Найти интервалы убывания функции

Решение.

Функция убывает, если , и возрастает, если Найдем

Определим знаки производной и промежутки монотонности функции:

-

Итак, функция убывает на интервале .

Задача 41.

Найти интервалы выпуклости функции

Решение.

Функция является выпуклой, если и вогнутой, если . Найдем

Определим знаки , а также промежутки выпуклости и вогнутости функции:

-3

- + -

Итак, функция выпукла при

Задача 42.

Дана функция

Найти точки разрыва и установить их характер.

Решение. Функция называется непрерывной в точке , если определена в некоторой окрестности этой точки и имеет в ней конечный предел, причем

Последнее равенство означает, что

Точки, в которых не выполняется, хотя бы одно из перечисленных условий, называются точками разрыва функции . Различают точки разрыва I и II рода.

Если - точка разрыва и хотя бы один из односторонних пределов не существует или равен , то это разрыв II рода.

В том случае, когда - точка разрыва, но односторонние пределы конечны, имеем разрыв I рода:

устранимый, если

со скачком, если

(величина скачка ).

Рассмотрим заданную функцию при . Здесь Функция не определена в точке , значит в этой точке разрыв.

Вычислим односторонние пределы:

Итак, значит, при имеем устранимый разрыв I рода.

Если то Функция не определена в точке значит это точка разрыва.

Вычислим односторонние пределы.

Так как - точка разрыва II рода.

В качестве точки, подозрительной на разрыв, следует рассмотреть , так как при переходе через эту точку функция меняет свой вид.

В этой точке функция определена:

Найдем односторонние пределы:

Итак, для точки односторонние пределы конечны и различны, значит это разрыв I рода со скачком

Таким образом, заданная функция имеет 3 точки разрыва: устранимый разрыв I рода при ; разрыв II рода при разрыв I рода со скачком при .