Тема 6. Дифференцирование и интегрирование функций.

Пример 1. Численное дифференцирование.

- Определение функции:

- Определение значения аргумента (определение точки):

- Применение операторатора дифференцирования функции:

- Можно вывести значения производных на заданном отрезке:

- Можно выполнить дифференцирование и без предварительного определния функции:

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Пример 2. Символьное дифференцирование.

- Определение функции:

- Применение оператора символьного вычисления (панель "Вычисления", или клавиши <Ctrl>+<точка>:

- Здесь вместо символьного дифференцирования получили численное, т.к. переменной x выше присвоено значение 2. Чтобы избежать эту ошибку выполним следующее:

- Аналогично можно находить производные более высокого порядка:

- Можно также находить частные производные (дифференцировать функцию от нескольких переменных по одной из них):

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Пример 3. Численное интегрирование (вычисление определенного интеграла).

- Используем оператор определенного интеграла (клавиши <Shift>+<7>, или соответствующая кнопка на панели "Исчисление"):

- В чем дело?

- В некоторых случаях, для наглядности, надо построить график подынтегральной функции, чтобы увидеть вид графика, точки разрыва и др.:

В точке x=2 функция имеет точку разрыва (происходит деление на 0, а функция на отрезке интегрирования должна быть непрерывной.

Иногда в таком случае можно вычислить интеграл примерно, как сумму интегралов до и после точке разрыва, не включая саму точку.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Пример 4. Символьное интегрирование (нахождение неопределенного интеграла).

- Применение операторов неопределенного интеграла и символьного вычисления (панель "Вычисления", или клавиши <Ctrl>+<точка>:

- Необходимо учитывать, что нахождение неопределенного интеграла выполняется с точностью до константы, т.е. к правой части символьного выражения следовало бы дописать: + const.

- В физических задачах для определения этой константы задаются некоторые дополнительные условия, например, значение искомой функции в начальный момент времени (начальные условия).

- Покажем, что интегрирование и дифференцирование являются взаимно-обратными операциями с точностью до константы:

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Пример 5. Применение дифференциального и интегрального исчисления.

5.1 Задан закон движения тела как функция координаты (положения) от времени.

Найти уравнения скорости и ускорения движения тела как функции от времени.

Определить положение, скорость и ускорение в момент времени t=2 с.

Построить графики s(t), v(t), a(t).

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

5.2 Задан закон изменения ускорения движения тела как функция от времени.

Найти уравнения скорости движения и положения тела как функции от времени.

Начальные условия: v(0)=2.3 м/c; s(0)=1.5 м.

Определить положение, скорость и ускорение на отрезке времени t=[0;10] c шагом 2 с.

Чтобы отображать фиксированное количество цифр после десятичной точки можно использовать служебное слово float с указанием количества цифр после десятичной точки (см. использование ниже).


- Учитывая начальное условие v(0)=2.3 м/с переопределим функцию v(t):

- Учитывая начальное условие s(0)=1.5 м переопределим функцию s(t):

- Сравните результаты примера 5.2 с 5.1: Видим, что это взаимно обратные задачи!

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

5.3 Найти работу по перемещению тела вдоль оси Х от х1=0 м до х2=5 м под действием силы F(x), напрвленной под углом a к оси Х.

- Переведем значение угла из градусов в радианы:

- Работа выражается следующим интегралам:

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

5.4 Найти площадь фигуры, ограниченной линиями f(x), g(x).

- Найдем точки пересечения кривых, решая уравнение f(x)-g(x)=0:

- Найдем площадь криволинейной трапеции:

кв. ед.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

5.5 Найти длину дуги кривой заданной уравнением y = f(x), заключенной между вертикальными прямыми x = a и x = b.

Формула для нахождения длины кривой:

единиц длины

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

5.6 Вычислить длину кривой астроиды, заданной параметрическими уравнениями:

Т.к. кривая симметрична относительно обеих координатных осей, то вычислим сначала длину ее четвертой части, расположенной в первом квадранте.


Формула для нахождения длины кривой, заданной параметрическими уравнениями и ограниченной вертикальными линиями x = a и x = b. В нашем случае:

единиц длины

единиц длины

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------