Основной принцип дифференциального исчисления
46
Основной принцип дифференциального исчисления
Часть I:
Линейная функция
Член-корреспондент АН СССР
Д. К. ФАДДЕЕВ,
кандидат физико-математических наук
М. С. НИКУЛИН,
И. Ф. СОКОЛОВСКИЙ
В этой статье автором хотелось подтвердить мысль о том, что математика в своей элементарной части является самой простой из наук, так как она изучает наиболее грубые стороны действительности. Это в полной мере относится к элементам математического анализа, основные идеи которого очень просты и наглядны, если их показывать на том интуитивном уровне, на котором они фактически возникли. К сожалению, очень不多
многих результатов математического анализа, их ясный геометрический и физический смысл зачастую уже при первом знакомстве приносятся в жертву проблем обоснования и так называемой математической строости.
По существу, основной идеей «высшей математики» является следующое процесс сообщения, которое мы называем основным принципом дифференциального исчисления:
На небольшим участке любой достаточно «хорошей» кривой она успешает мало изогнутся и тем меньше, чем меньше рассматриваемый участок. Поэтому малый кусочек кривой линейности совпадает с отрезком некоторых прямой, и их близость становится все более совершенной по мере стягивания участка кривой к некоторой точке. Примая, которая плотнее, чем другая прямая, прижимается к кривой близи данной точки, называется касательной к кривой в данной точке. В частиности, график достаточно «хорошей» функции на
47
малом участке почти прямолинеен, и малое изменение функций почти равно малому изменениюnekоторий линейной функции. Иными словами, «хорошая» функция почти линейна локально, т. е. в бесконечную уменьшенной окрестности любого значения аргумента. Угловой коэффициент касательной к графику функций называется значением произвольной от функций в рассматриваемой точке.
«Основной принцип» не является теоремой и не содержит в себе четких определений. Достаточно «хорошая» кривая и «хорошая» функция — понятия, которые можно определить точнее лишь после уччения и формиализации понятия произвольной. Однако рациональные, степенные, показательные и логарифмические, а также тригонометрические функции — все являются «хорошими». Более того, функция, возникающая при исследовании процессов естественного и технически, обычно оказывается «хорошими». В качестве «плюхой» можно назвать функцию в окрестности нуля.
В этой статье мы, оставив в стороне проблемы обоснования, получим основные результаты школьного курса математического анализа, исходя из «основного принципа» дифференциального исчисления. Но прежде чем перейти к решению этой задачи, который посвящена вторая часть этой статьи, мы обстоятлено рассмотрим линейную функцию. Это необходимо сделать по двум принципам. Первая состоит в том, что линейная функция в школьном курсе изучается очень рано и, как следствие этого, несколько упрощенно и оторванно от важнейших ее применений. Вторая причина — принципальная, она связана с особой ролью, которую играет понятие линейной функции в основных концепциях математического анализа.
Определение линейной функции
Линейной функцией называется функция вида , где и — постоянные. При функция принимает постоянное значение . При функция называется прямой пропорциональной, а параметр называется коэффициентом пропорциональной.
Характеристиское свойство линейной функции
Это свойство состоит в следующем: приращение линейной функции пропорционально приращению аргумента.
Действительно, пусту — данная функция и пусту аргумент изменяется от до . Выразим приращение функции через приращение аргумента :
Таким образом, , т. е. действительно приращение функция пропорционально приращению аргумента с коэффициентом пропорциональной, равным .
Справедливо обратное утверждение, а именно: если приращение функции пропорционально приращению аргумента, то — линейная функция.
Действительно, выберем (зафиксируем) некоторое значение . Тогда для любого в силу условия выполняется равенство
откуда
т. е. функция имеет вид:
где , значит, — линейная функция.
Итак, мы приходим к выводу, что отмещенным свойством обладает линейная и только линейная функция, поэтому и называют его характеристическим свойством линейной функции.
Monotонность линейной функции
При функция — возможность, при — убывающая.
Доказем это при ; пусту , тогда , т. е. , что и требовалось доказать.
Композиция линейных функций
Сложная функция, являющаяся композицией линейных функций, тоже
48
Линейная функция с коэффициентом пропорциональности, равным произведению коэффициентов пропорциональности составляющих ее функций.
Действительно, пусть
Тогда
где .
Очевидно, что утверждение справедливо для сложной функции, составленной из любого числа линейных функций.
График линейной функции
Теорема. График линейной функции — прямая.
Читатель без труда докажет эту теорему, пользоваться подобным прямогольным треугольником. Однако нетрудно построить и доказательство, не используя теории подбия, опираясь на монотносты линейной функции.
Пусть , и мы рассматрием точки на графике с абсциссами . Покажем, что эти точки лежат на одной прямой. Идея доказательства ясна из рисунка 1. Все розовые треугольники равны, и сумма углов при любой из точек рассматриемого ряда равна , так как сумма острых углов прямогольного треугольника равна , и третий угол при каждой из точек прямой. Следовательно, гипotenузы треугольников продолжают друг друг и составляют прямую. По то же причине точки графика с абсциссами , лежат на прямой, и она совпадает с предыдущей, либо содержит точку с абсциссой . Натуральное число можно взять сколь годно большем, так что найdenная прямая содержит точки графика со сколь годно густо расположенными абсциссами.
Покажем, что все точки графика лежат на той же прямой . Допустим, что точка графика лежит выше прямой . (Если точка расположена ниже, рассудение аналогично.) Тогда, как и предшеде, мы убедимся в том, что на прямой , соединяющей точку с точкой , точки графика с абсциссами , … расположены сколь годно густо. Таким образом, в этом предположении точки графика функции «прягали» бы сколь годно часть с прямой на прямую , что невозможно в силу монотности линейной функции. Итак, любая точка графика лежит на построенной ранее прямой.
Обратно, любая точка этой прямой принадлежит графику . Действительно, точки есть точка графика и, в силу доказаного, принадлежит прямой, а так как на прямой, не параллельной оси ordinат, есть только одна точка с абсциссой , то .
Из доказанной выше теоремы следует, что график прямой пропорциональности () — прямая, проходящая через начало координат.
При решении задач часто приходится прибегать к утверждению, обратному теореме о графике линейной функции: любая прямая, не параллельная оси ordinат, есть график некоторых линейной функции.
Докажем его.
Пусть данная прямая проходит через точки и , где (рис. 2). Всегда можно подобрать уравнение вида , для которого пары чисел и будут решены:
Для этого достаточно положить
Прямая — график линейной функции
проходит через точки и ; это — единственная прямая, проходящая через эти две точки, значит, она совпадает с данной прямой, что и доказывает наше утверждение.
Применение характеристического свойства линейной функции
Пример 1. Написать уравнение прямой с угловым коэффициентом , проходящей через точку , проходящей через точку и .
49
Решение. а) Пусть — произвольная точка искомой прямой; тогда и соответствующей приращение аргумента равно . Уравнение прямой имеет вид: .
- Вычислим угловой коэффициент .
Мы пришли к предыдущей задаче, но имеем одну «лишнюю» точку. Выбираем любую из двух и составляем уравнение прямой, например, ; можно было написать и .
Пример 2. Изучается зависимость, описываемая линейной функцией ; значения величины получаются в результате изменения. С какой точностью необходимо выполнять изменения величины , чтобы вычислить значения величины с точностью до ?
Решение. Ошибку в измерении величины можно считать приращением аргумента , т. е. принять за . Тогда в силу характеристического свойства линейной функции ошибка в определении величины будет равна . Требуется , откуда .
Это элементарный результат, но он находится применение в весма общих и совсем не элементарных ситуациях.
Геометрический и физический смысл параметров и в уравнения прямой
Геометрический смысл параметра состоит в том, что равен тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс (с учетом направления отчета угла). Модуль готовит о том, насолько кругто (близко к вертикали) проходит прямая, поэтому называют уравним коэффициентом прямой. Закккать показывает, в каком направлении идет прямая (возрастает или убывает линейная функция).
Остановимся более подробно на физическом смысле параметров и . Возьмем графики двух линейных функций (рис. 3 a, б) и будем присвяивать переменным (по осам координат) различных наименования так, чтобы каждый раз данной прямая описывала бы некий возможный процесс.
- Пусть графики изображают процесс изменения температуры неокторого физического тела. По оси ординат откладывается температура в градусах Цельсия, по оси абсцисс времени в секундах. Тогда
— скорость изменения температуры. В случае a) — скорость нагрева, в случае b) — скорость охлаждения, — начальная температура.
- Пусть — масса горючего в граммах, — время в секундах. Тогда
— скорость изменения работы — мощность, — работа, совершенная к началу отчета.