Дифференциальное исчисление

Дифференциальное исчисление — раздел математического анализа, в котором изучаются понятия производной и дифференциала и способы их применения к исследованию функций. Формирование дифференциального исчисления связано с именами Исаака Ньютона и Готфрида Лейбница. Именно они чётко сформировали основные положения и указали на взаимно-обратный характер дифференцирования и интегрирования. Создание дифференциального исчисления (вместе с интегральным) открыло новую эпоху в развитии математики, положив начало теории рядов, теории дифференциальных уравнений и многому другому. Методы математического анализа нашли применение во всех разделах математики и расширили применение математики в естественных науках и технике.

Дифференциальное исчисление базируется на важнейших понятиях математики, определение и исследование которых и составляют предмет введения в математический анализ: действительные числа (числовая прямая), функция, предел, непрерывность. Все эти понятия получили современную трактовку в ходе развития и обоснования дифференциального и интегрального исчислений.

Основная идея дифференциального исчисления состоит в изучении функции при малых изменениях. Точнее, дифференциальное исчисление даёт аппарат для исследования функций, поведение которых в достаточно малой окрестности каждой точки близко к поведению линейной функции или многочлена. Основу этого аппарата составляют центральные понятия дифференциального исчисления: производная и дифференциал.

Дифференциальное исчисление функций одной переменной

Производная

Пусть функция $g(h)$ определена в окрестности $h=0$ и для любого $\epsilon$ > 0 найдётся такое $\delta$ , что

|g(h)/h^{n}|<\epsilon

, лишь только

|h|<\delta ,

тогда говорят, что $g(h)$ — бесконечно малое порядка $o(h^{n})$ .

Пусть $f(x)$ — вещественнозначная функция, заданная на отрезке $(a,b)$ . Эту функцию называют бесконечно дифференцируемой на интервале $(a,b)$ , если

f(x+h)=f(x)+f'(x)h+{\frac {1}{2!}}f''(x)h^{2}+\dots {\frac {1}{n!}}f^{(n)}(x)h^{n}+o(h^{n})

для любого $x\in (a,b)$ и любого $n$ . Таким образом, локально, в окрестности любой точки отрезка, функция сколь угодно хорошо приближается многочленом. Гладкие на отрезке $(a,b)$ функции образуют кольцо гладких функций $C^{\infty }(a,b)$ .

Коэффициенты $f^{(n)}(x)$

f^{(m)}(x+h)=f^{(m)}(x)+f^{(m+1)}(x)h+\dots {\frac {1}{n!}}f^{(m+n)}(x)h^{n}+o(h^{n})

Эти функции называют производными функции $f(x)$ . Первая производная может быть вычислена как предел

f'(x)=\lim \limits _{h\to 0}{\frac {f(x+h)-f(x)}{h}}

.

Оператор, сопоставляющий функции $f(x)$ её производную $f'(x)$ обозначают как

D={\frac {d}{dx}}

При этом для двух гладких функций f и g верно

D(f+g)=Df+Dg

и

D(fg)=fDg+gDf

Оператор, обладающий указанными свойствами, называют дифференцированием кольца гладких функций.

Всякая аналитическая функция, голоморфная на отрезке $(a,b)$ , является гладкой функцией, но обратное неверно. Главное различие аналитических и гладких функций состоит в том, что первые полностью определяются своим поведением в окрестности одной точки, вторые — нет. Напр., гладкая функция может быть равна постоянной в окрестности одной точки, но не быть постоянной всюду. Элементарные функции в своей (открытой) области определения являются аналитическими, а, следовательно, и гладкими функциями. Однако, в отличие от аналитических функций, гладкие функции могут быть заданы на разных интервалах разными элементарными выражениями.

Касательная прямая

Прямая

y=f(c)+f'(c)(x-c)

пересекает кривую

y=f(x)

в точке $(c,f(c))$ таким образом, что знак выражения

f(x)-f(c)-f'(c)(x-c)={\frac {1}{2}}f''(c)(x-c)^{2}+o((x-c)^{2})

при условии $f''(c)\not =0$ всё время остаётся одним и тем же, поэтому кривая

y=f(x)

лежит по одну сторону от прямой

y=f(c)+f'(c)(x-c)

Прямую, обладающую указанным свойством, называют касательной к кривой в точке $x=c$ (по Б. Кавальери). Точку $x=c$ , в которой кривая

y=f(x)

не лежит по одну сторону от прямой

y=f(c)+f'(c)(x-c)

называют точкой перегиба, при этом прямую все равно именуют касательной. Для единообразия часто само понятие касательной вводят иначе с тем, чтобы оба случая подпадали под него.

Точки экстремума

Точка $x=c$ называется точкой локального максимума (минимума), если

f(c)-f(c+h)>0\quad (f(c)-f(c+h)<0)

для всех достаточно малых по модулю $h$ . Из соотношения

f'(c)h+{\frac {1}{2}}f''(c)h^{2}+o(h^{2})<0

сразу видно, что $f'(c)=0$ — необходимое условие максимума, а $f''(c)<0$ — достаточное условие максимума. Условие $f''(c)=0$ выделяет точки максимума, минимума и перегиба.

Непрерывные функции

Пусть $f$ определена и на концах интервала $[a,b]$ ; говорят, что она непрерывна на $[a,b]$ , если для любого $\epsilon$ найдётся такое $\delta$ , что

|f(x)-f(x+h)|<\epsilon

, лишь только

|h|<\delta ,

и точки $x,\,x+h$ не выходят за границы интервала $[a,b]$ . Теорема Вейерштрасса утверждает, что гладкая на отрезке функция достигает на отрезке своего минимального и максимального значений. Понятие непрерывности функции обычно увязывается с понятием предела функции. Непрерывные на интервале $[a,b]$ функции образуют кольцо непрерывных функций $C[a,b]$ .

История

В XII веке математик Шарафуддин ат-Туси тюрко-монгольского государства Хулагу был первым, кто нашёл производную от кубической функции, важный результат в дифференциальном исчислении. Был написан «Трактат об уравнениях», в котором были разработаны концепции, связанные с дифференциальным исчислением, такие, как производная функции и максимумы и минимумы кривых, для решения кубических уравнений, которая не может иметь положительного решения.

Основные теоремы дифференциального исчисления

Кольцо непрерывных на $[a,b]$ и гладких на $(a,b)$ функций обладает рядом важных свойств:

Теорема Ролля: если $f(a)=f(b)$ , то имеется точка $c\in (a,b)$ максимума или минимума, в которой $f'$ обращается в нуль.
Теорема Лагранжа: существует такая точка $c\in (a,b)$ , что

{\frac {f(b)-f(a)}{b-a}}=f'(c)

Теорема Коши: если $g'\not =0$ на $(a,b)$ , то существует такая точка $c\in (a,b)$ , что

{\frac {f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}}={\frac {f'(c)}{g'(c)}}

Из теоремы Лагранжа выводят формулу Тейлора с остаточным членом в форме Лагранжа: на любом отрезке $(a',b')\subset (a,b)$ найдутся такие точки $c_{n}$ , что

f(b')=f(a')+f'(a')(b'-a')+{\frac {1}{2!}}f''(a')(b'-a')^{2}+\dots {\frac {1}{n!}}f^{(n)}(a')(b'-a')^{n}+R_{n}

где

R_{n}={\frac {1}{(n+1)!}}f^{(n+1)}(c_{n})(b'-a')^{n+1}

При помощи этой формулы можно приближённо вычислять значения функции в точке $b'$ по известным значениям функции и её производных в точке $a'$ .

Из теоремы Коши выводят правило Лопиталя: если $f(b)=g(b)=0$ или $f(b)=g(b)=\infty$ , и $g'\not =0$ на $(a,b)$ , то

\lim \limits _{x\rightarrow b-0}{\frac {f(x)}{g(x)}}=\lim \limits _{x\rightarrow b-0}{\frac {f'(x)}{g'(x)}},

причём существование второго предела влечёт существование первого.

См. также

Вариационное исчисление
Анализ функций многих переменных
Интегральное исчисление
Исторический очерк и библиографию см. в статье Математический анализ.
Дифференциальное исчисление над коммутативными алгебрами

Литература

Граве Д. А. Дифференциальное исчисление // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
Виноградов И. М. (ред.) Математическая энциклопедия. Том 2. — Москва: Советская энциклопедия, 1977.
Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. — М.: Наука, 1981.

Дифференциальное исчисление