Примеры решения экономических задач математическими методами

Основы дифференциального исчисления

Понятие производной

Определение производной

Пусть функция f(x) определена на некотором промежутке X. Придадим значению аргумента в точке x0  Х произвольное приращение Δx так, чтобы точка x0 + Δx также принадлежала X. Тогда соответствующее приращение функции f(x) составит Δу = f(x0 + Δx) — f(x0).

Определение 1. Производной функции f(x) в точке x0 называется предел отношения приращения функции в этой точке к приращению аргумента при Δx  0 (если этот предел существует).

Для обозначения производной функции употребимы символы у' (x0) или f'(x0):

Если в некоторой точке x0 предел (4.1) бесконечен:

то говорят, что в точке x0 функция f(x) имеет бесконечную производную.

Если функция f(x) имеет производную в каждой точке множества X, то производная f'(x) также является функцией от аргумента х, определенной на X.

Понятие дифференциала функции Определение и геометрический смысл дифференциала

Понятие производной n-го порядка Производная f'(x) функции f(x) сама является функцией аргумента х, и по отношению к ней также можно ставить вопрос о производной. Производная от первой производной некоторой функции у = f(x) называется второй производной, или производной второго порядка этой функции. Производная от второй производной называется третьей производной, или производной третьего порядка. Этот процесс можно продолжить. Производные начиная со второй называются производными высших порядков. Для их обозначения используют символы: у", у'", у(4), у(5), ..., у(n) (для второй и третьей производных соответственно еще и у(2) и у(3)) или вместо у пишут f(x): f"(x), f"(х), ..., f(n)(x).

Применение производных в исследовании функций Раскрытие неопределенностей Правило Лопиталя

Исследование функций и построение графиков Признак монотонности функции Одной из существенных характеристик функции является ее поведение на отдельных интервалах — возрастание или убывание. Это определяется приводимой ниже теоремой, доказательство которой мы опускаем.

Схема исследования графика функции Приведем схему исследования поведения функции и построения ее графика. 1. Найти область определения функции. 2. Определить возможный тип симметрии функции: четность или нечетность функции. Функция f(x) называется четной, если выполнено условие симметрии ее графика относительно оси Оу:

Применение в экономике Предельные показатели в микроэкономике Приведем примеры двух предельных показателей в микроэкономике.

Максимизация прибыли Пусть Q — количество реализованного товара, R(Q) — функция дохода; C(Q) — функция затрат на производство товара. В реальности вид этих функций зависит в первую очередь от способа производства, организации инфраструктуры и т.п.

Неопределенный интеграл Первообразная и неопределенный интеграл Предыдущие главы были посвящены одной из основных задач дифференциального исчисления — нахождению производной заданной функции. Множество вопросов математического анализа и приложений в разнообразных науках приводит к другой задаче: по данной функции f(x) найти такую функцию F(x), производная которой равна функции f(x).

Интегрирование по частям Пусть функции и(х) и v(x) определены и дифференцируемы на промежутке Х и функция и'(x)v(x) имеет первообразную на этом промежутке.

Основные правила интегрирования Замена переменной в определенном интеграле Заметим, что при вычислении определенного интеграла с помощью замены переменной нет нужды возвращаться к прежней переменной, как это делалось при вычислении неопределенного интеграла, так как определенный интеграл представляет собой число, которое согласно формуле (7.12) равно значению каждого из рассматриваемых интегралов. Теперь при подстановке следует сначала найти новые пределы интегрирования и затем выполнить необходимые преобразования подынтегральной функции.

Некоторые приложения в экономике Вообще говоря, в экономических задачах переменные меняются дискретно. Для использования определенного интеграла нужно составить некоторую идеализированную модель, предполагающую непрерывное изменение зависимых переменных (функций) и независимых переменных (аргумента). Рассмотрим соответствующие примеры.

Геометрический смысл производной

Для выяснения геометрического смысла производной нам понадобится определение касательной к графику функции в данной точке.

Определение 2. Касательной к графику функции у = f(x) в точке М называется предельное положение секущей MN, когда точка N стремится к точке М по кривой f(x).

Пусть точка М на кривой f(x) соответствует значению аргумента x0, а точка N — значению аргумента x0 + Δx (рис. 4.1). Из определения касательной следует, что для ее существования в точке x0 необходимо, чтобы существовал предел , который равен углу наклона касательной к оси Оx. Из треугольника MNA следует, что

Если производная функции f(x) в точке x0 существует, то, согласно (4.1), получаем

Отсюда следует наглядный вывод о том, что производная f'(x0) равна угловому коэффициенту (тангенсу угла наклона к положительному направлению оси Ох) касательной к графику функции у = f(x) в точке М(x0, f(x0)). При этом угол наклона касательной определяется из формулы (4.2):

Физический смысл производной

Предположим, что функция l = f(t) описывает закон движения материальной точки по прямой как зависимость пути l от времени t. Тогда разность Δl = f(t + Δt) - f(t) — это путь, пройденный за интервал времени Δt, а отношение Δl/Δt — средняя скорость за время Δt. Тогда предел определяет мгновенную скорость точки в момент времени t как производную пути по времени.

В определенном смысле производную функции у = f(x) можно также трактовать как скорость изменения функции: чем больше величина f'(x), тем больше угол наклона касательной к кривой, тем круче график f(x) и быстрее растет функция.

Правая и левая производные

По аналогии с понятиями односторонних пределов функции вводятся понятия правой и левой производных функции в точке.

Определение 3. Правой (левой) производной функции у = f(x) в точке x0 называется правый (левый) предел отношения (4.1) при Δx  0, если этот предел существует.

Для обозначения односторонних производных используется следующая символика:

Если функция f(x) имеет в точке x0 производную, то она имеет левую и правую производные в этой точке, которые совпадают.

Приведем пример функции, у которой существуют односторонние производные в точке, не равные друг другу. Это f(x) = |x|. Действительно, в точке х = 0 имеем f’+(0) = 1, f'-(0) = -1 (рис. 4.2) и f’+(0) ≠ f’-(0), т.е. функция не имеет производной при х = 0.

Операцию нахождения производной функции называют ее дифференцированием; функция, имеющая производную в точке, называется дифференцируемой.

Связь между дифференцируемостью и непрерывностью функции в точке устанавливает следующая теорема.

ТЕОРЕМА 1. Если функция дифференцируема в точке x0, то она и непрерывна в этой точке.

Обратное утверждение неверно: функция f(x), непрерывная в точке, может не иметь производную в этой точке. Таким примером является функция у = |x|; она непрерывна в точке x = 0, но не имеет производной в этой точке.

Таким образом, требование дифференцируемости функции является более сильным, чем требование непрерывности, поскольку из первого автоматически вытекает второе.

Уравнение касательной к графику функции в данной точке

Как было указано в разделе 3.9, уравнение прямой, проходящей через точку М(x0, у0) с угловым коэффициентом k имеет вид 

Пусть задана функция у = f(x). Тогда поскольку ее производная в некоторой точке М(x0, у0) является угловым коэффициентом касательной к графику этой функции в точке М, то отсюда следует, что уравнение касательной к графику функции f(x) в этой точке имеет вид

Некоторые замечательные пределы.

Первый замечательный предел. , где P(x) = a0xn + a1xn-1 +…+an, 

Q(x) = b0xm + b1xm-1 +…+bm - многочлены.

Итого:

Второй замечательный предел.

Третий замечательный предел.

 Часто если непосредственное нахождение предела какой – либо функции представляется сложным, то можно путем преобразования функции свести задачу к нахождению замечательных пределов.

 Кроме трех, изложенных выше, пределов можно записать следующие полезные на практике соотношения:

  Пример. Найти предел.


На главную