Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/GeneralPunctuation.js
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

3.4: Похідні як темпи змін

  • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
  • OpenStax

Цілі навчання
  • Визначте нове значення величини зі старого значення та суми зміни.
  • Розрахуйте середню швидкість зміни і поясніть, чим вона відрізняється від миттєвої швидкості зміни.
  • Застосовуйте швидкість зміни до переміщення, швидкості та прискорення об'єкта, що рухається по прямій лінії.
  • Прогнозуйте майбутнє населення від теперішнього значення і темпів приросту населення.
  • Використовуйте деривативи для розрахунку граничних витрат і доходів у бізнес-ситуації.

У цьому розділі ми розглянемо деякі застосування похідної, зосередившись на інтерпретації похідної як швидкості зміни функції. Ці програми включають прискорення та швидкість у фізиці, темпи зростання населення в біології та граничні функції в економіці.

Сума зміни формули

Одним із застосувань для похідних є оцінка невідомого значення функції в точці за допомогою відомого значення функції в певній точці разом із швидкістю її зміни у заданій точці. Якщоf(x) функція визначена на інтервалі[a,a+h], то величина зміниf(x) за інтервал є зміноюy значень функції за цей інтервал і задається

f(a+h)f(a).

Середня швидкість зміни функціїf за той самий інтервал - це відношення величини зміни за цей інтервал до відповідної зміниx значень. Це дається

f(a+h)f(a)h.

Як ми вже знаємо, миттєва швидкість зміниf(x) ata є його похідною

f(a)=limh0f(a+h)f(a)h.

Для невеликих значень доситьh,f(a)f(a+h)f(a)h. Потім ми можемо вирішитиf(a+h) для отримання суми зміни формули:

f(a+h)f(a)+f(a)h.

Ми можемо використовувати цю формулу, якщо знаємо тількиf(a)f(a) і бажаємо оцінити значенняf(a+h). Наприклад, ми можемо використовувати поточне населення міста та темпи його зростання, щоб оцінити його населення найближчим часом. Як ми бачимо на малюнку3.4.1, миf(a+h) наближаємосяy координатою при a+h на лінії дотичній доf(x) atx=a. Зверніть увагу, що точність цієї оцінки залежитьh як від величини, так і від величиниf(a).

На декартовій координатній площині з a та a + h позначені на осі x графіком функції f. Вона проходить через (a, f (a)) і (a + h, f (a + h)). Пряма лінія проводиться через (a, f (a)), а її нахил є похідною в цій точці. Ця пряма проходить через (a + h, f (a) + f' (a) h). Існує відрізок лінії, що з'єднує (a + h, f (a + h)) і (a + h, f (a) + f' (a) h), і позначено, що це помилка у використанні f (a) + f' (a) h для оцінки f (a + h).
Малюнок3.4.1: Нове значення зміненої величини дорівнює початковому значенню плюс швидкість зміни на інтервал зміни:f(a+h)f(a)+f(a)h.
Приклад3.4.1: Estimating the Value of a Function

Якщоf(3)=2 іf(3)=5, прикиньтеf(3.2).

Рішення

Почніть з пошукуh. Ми маємоh=3.23=0.2. Таким чином,

f(3.2)=f(3+0.2)f(3)+(0.2)f(3)=2+0.2(5)=3.

Вправа3.4.1

Даноf(10)=5 іf(10)=6, кошторисf(10.1).

Підказка

Використовуйте той самий процес, що і в попередньому прикладі.

Відповідь

4.4

Рух вздовж лінії

Іншим використанням похідної є аналіз руху вздовж лінії. Ми описали швидкість як швидкість зміни положення. Якщо взяти похідну від швидкості, ми можемо знайти прискорення, або швидкість зміни швидкості. Також важливо ввести уявлення про швидкість, яка є величиною швидкості. Таким чином, можна викласти наступні математичні визначення.

Визначення

s(t)Дозволяти функція, що дає положення об'єкта в момент t.

  • Швидкість руху об'єкта в часіt задається за допомогоюv(t)=s(t).
  • Швидкість об'єкта в часіt задається по|v(t)|.
  • Прискорення об'єкта приt задається за допомогоюa(t)=v(t)=s.
Приклад\PageIndex{2}: Comparing Instantaneous Velocity and Average Velocity

М'яч скидається з висоти 64 футів. Його висота над землею (в футах)t секунди пізніше задаєтьсяs(t)=−16t^2+64.

На декартовій координатній площині графується функція s (t) = −16t2 + 64. Ця функція починається з (0, 64) і зменшується до (0, 2).

  1. Яка миттєва швидкість кулі при ударі про землю?
  2. Яка середня швидкість при її падінні?

Рішення

Перше, що потрібно зробити, це визначити, скільки часу потрібно м'ячу, щоб досягти землі. Для цього встановлюємоs(t)=0. Вирішуючи−16t^2+64=0, отримуємоt=2, тому потрібно 2 секунди, щоб м'яч досяг землі.

  1. Миттєва швидкість кулі, коли він б'є об землю, єv(2). Так якv(t)=s′(t)=−32t, отримуємоv(t)=−64 ft/s.
  2. Середня швидкість м'яча під час його падіння дорівнює

v_{ave}=\frac{s(2)−s(0)}{2−0}=\frac{0−64}{2}=−32фут/с.

Приклад\PageIndex{3}: Interpreting the Relationship between v(t) and a(t)

Частка рухається вздовж осі координат в позитивному напрямку вправо. Свою позицію в часіt задаєs(t)=t^3−4t+2. Знайдітьv(1)a(1) і використовуйте ці значення, щоб відповісти на наступні питання.

  1. Чи рухається частинка зліва направо або справа наліво під часt=1?
  2. Частинка прискорюється або сповільнюється в часіt=1?

Рішення

Почніть з пошукуv(t) іa(t).

v(t) = s'(t) = 3t^2 - 4іa(t)=v′(t)=s''(t)=6t.

Оцінюючи ці функції приt=1, отримаємоv(1)=−1 іa(1)=6.

  1. v(1)<0Тому що частка рухається справа наліво.
  2. Тому щоv(1)<0 іa(1)>0, швидкість і прискорення діють в протилежних напрямках. Іншими словами, частка прискорюється в напрямку, протилежному напрямку, в якому вона рухається, викликаючи|v(t)| зменшення. Частинка сповільнюється.
Приклад\PageIndex{4}: Position and Velocity

Положення частинки, що рухається вздовж осі координат, задаєтьсяs(t)=t^3−9t^2+24t+4,\; t≥0.

  1. Знайтиv(t).
  2. В який час (и) частинка знаходиться в стані спокою?
  3. На яких часових інтервалах частка рухається зліва направо? Справа наліво?
  4. Використовуйте отриману інформацію для ескізу шляху частинки вздовж координатної осі.

Рішення

а Швидкість є похідною від функції положення:

v(t)=s′(t)=3t^2−18t+24.

б. частинка знаходиться в стані спокоюv(t)=0, коли, так встановлено3t^2−18t+24=0. Факторинг лівої частини рівняння виробляє3(t−2)(t−4)=0. Вирішуючи, виявляємо, що частка знаходиться в спокої приt=2 іt=4.

c Частка рухається зліва направо, колиv(t)>0 і справа наліво, колиv(t)<0. Малюнок\PageIndex{2} дає аналіз знакаv(t) fort≥0, але він не представляє осі, по якій рухається частка.

Числовий рядок, позначений 0, 2 та 4. Між 0 і 2 є знак плюс. Вище 2 є 0. Між 2 і 4 є негативний знак. Над 4 є 0. Після 4 з'являється знак плюс і v (t).
Малюнок:\PageIndex{2} Знакv(t) of визначає напрямок частинки.
  • Починаючи з3t^2−18t+24>0[0,2)∪(4,+∞) цього моменту, частка рухається зліва направо на цих проміжках.
  • Починаючи з3t^2−18t+24<0 цього моменту(2,4), частка рухається справа наліво на цьому проміжку.

d Перш ніж ми зможемо намалювати графік частинки, нам потрібно знати її положення в той час, коли вона починає рухатися,(t=0) і в той час, коли вона змінює напрямок(t=2,4). У нас єs(0)=4s(2)=24, іs(4)=20. Це означає, що частка починається на осі координат4 і змінює напрямок на осі координат24 і20 на осі координат. Шляхи частинки показані на осі координат на рис\PageIndex{3}.

Задано числовий рядок і над ним рядок змій, починаючи з t = 0 вище 4 на числовому рядку. Тоді рядок при t = 2 вище 24 на числовому рядку. Потім лінія зменшується при t = 4, щоб бути вище 20 на числовій лінії, в цей момент лінія знову змінює напрямок і збільшується на невизначений час.
Малюнок\PageIndex{3}: Шляху частинки можна визначити шляхом аналізуv(t).
Вправа\PageIndex{2}

Частка рухається вздовж осі координат. Свою позицію в часіt задаєs(t)=t^2−5t+1. Чи рухається частинка справа наліво або зліва направо в той часt=3?

Підказка

Знайдітьv(3) і подивіться на знак.

Відповідь

зліва направо

Зміна населення

Окрім аналізу швидкості, швидкості, прискорення та положення, ми можемо використовувати похідні для аналізу різних типів популяцій, включаючи такі різноманітні, як колонії бактерій та міста. Ми можемо використовувати поточне населення разом із темпами зростання, щоб оцінити чисельність населення в майбутньому. Темпи приросту населення - це швидкість зміни популяції і, отже, можуть бути представлені похідною від чисельності населення.

Визначення

ЯкщоP(t) кількість суб'єктів, присутніх у популяції, то темпи приросту населення визначаються якP′(t).P(t)

Приклад\PageIndex{5}: Estimating a Population

Населення міста збільшується в три рази кожні 5 років. Якщо його нинішнє населення становить 10 000, якою буде його приблизна чисельність населення через 2 роки?

Рішення

НехайP(t) буде населення (в тисячах)t років відтепер. Таким чином, ми знаємо, щоP(0)=10 і виходячи з інформації, ми передбачаємоP(5)=30. ТеперP′(0) оцінюємо, поточні темпи зростання, використовуючи

P′(0)≈\frac{P(5)−P(0)}{5−0}=\frac{30−10}{5}=4.

Застосовуючи Equation\ ref {linprox} toP(t), ми можемо оцінити чисельність населення через 2 роки, написавши

P(2)≈P(0)+(2)P′(0)≈10+2(4)=18;

Таким чином, через 2 роки чисельність населення становитиме 18 000.

Вправа\PageIndex{3}

Нинішнє населення колонії комарів, як відомо, становить 3000; тобтоP(0)=3,000. ЯкщоP′(0)=100, оцінити чисельність популяції в 3 дні, деt вимірюється в днях.

Підказка

ВикористовуватиP(3)≈P(0)+3P′(0)

Відповідь

3 300

Зміни у витратах і доходах

Окрім аналізу руху вздовж лінії та зростання населення, похідні інструменти корисні для аналізу змін витрат, доходів та прибутку. Поняття граничної функції поширене в сферах бізнесу та економіки і має на увазі використання похідних. Гранична вартість є похідною від функції витрат. Маржинальний дохід є похідною від функції доходу. Маржинальний прибуток - це похідна від функції прибутку, яка базується на функції витрат та функції доходу.

Визначення
  • ЯкщоC(x) це собівартість виробництваx виробів, то гранична собівартістьMC(x) становитьMC(x)=C′(x).
  • ЯкщоR(x) це дохід, отриманий від продажуx предметів, то граничний дохідMR(x) становитьMR(x)=R′(x).
  • ЯкщоP(x)=R(x)−C(x) це прибуток, отриманий від продажуx предметів, то MP(x)граничний прибуток визначається якMP(x)=P′(x)=MR(x)−MC(x)=R′(x)−C′(x).

Ми можемо приблизно приблизні

MC(x)=C′(x)=\lim_{h→0}\frac{C(x+h)−C(x)}{h} \nonumber

вибравши відповідне значення дляh. Оскількиx представляє об'єкти, розумним і малим значенням дляh є 1. Таким чином, підставившиh=1, отримуємо наближенняMC(x)=C′(x)≈C(x+1)−C(x). Отже,C′(x) для даної вартостіx можна розглядати як зміну вартості, пов'язану з виробництвом однієї додаткової позиції. Аналогічним чиномMR(x)=R′(x) наближається дохід, отриманий від продажу однієї додаткової позиції, іMP(x)=P′(x) наближається прибуток, отриманий при виробництві і продажу одного додаткового предмета.

Приклад\PageIndex{6}: Applying Marginal Revenue

Припустимо, що кількість вечерь з барбекю, які можна продатиx, може бути пов'язана з ціною, що стягуєтьсяp, за рівняннямp(x)=9−0.03x,0≤x≤300.

В цьому випадку дохід в доларах, отриманий при продажу обідів зx барбекю, дає

R(x)=xp(x)=x(9−0.03x)=−0.03x^2+9x\;\text{ for }0≤x≤300.

Використовуйте функцію граничного доходу, щоб оцінити дохід, отриманий від продажу вечері з101^{\text{st}} барбекю. Порівняйте це з фактичним доходом, отриманим від продажу цього обіду.

Рішення

Спочатку знайдіть функцію граничного доходу:MR(x)=R′(x)=−0.06x+9.

Далі використовуйтеR′(100) для наближенняR(101)−R(100), виручку, отриману від продажу101^{\text{st}} обіду. Так якR′(100)=3, дохід, отриманий від продажу101^{\text{st}} вечері, становить приблизно 3 долари.

Фактична виручка, отримана від продажу101^{\text{st}} обіду, становить

R(101)−R(100)=602.97−600=2.97,або$2.97.

Маржинальний дохід є досить хорошою оцінкою в цьому випадку і має перевагу в тому, що його легко обчислити.

Вправа\PageIndex{4}

Припустимо, що прибуток, отриманий від продажуx рибних вечерь, даєP(x)=−0.03x^2+8x−50. Використовуйте функцію граничного прибутку для оцінки прибутку від продажу обіду з101^{\text{st}} риб'ячим смаженням.

Підказка

ВикористовуйтеP′(100) для наближенняP(101)−P(100).

Відповідь

$2

Ключові поняття

  • Використовуючиf(a+h)≈f(a)+f′(a)h, можна оцінитиf(a+h) даніf′(a) іf(a).
  • Швидкість зміни положення - швидкість, а швидкість зміни швидкості - прискорення. Швидкість - абсолютне значення, або величина швидкості.
  • Темпи приросту населення та теперішнє населення можуть бути використані для прогнозування чисельності майбутнього населення.
  • Функції граничних витрат, граничного доходу та граничного прибутку можуть бути використані для прогнозування, відповідно, витрат на виробництво ще одного предмета, доходу, отриманого від продажу ще одного предмета, і прибутку, отриманого шляхом виробництва та продажу ще одного предмета.

Глосарій

прискорення
це швидкість зміни швидкості, тобто похідна швидкості
сума змін
кількість функціїf(x) за інтервал[x,x+h] is f(x+h)−f(x)
середня швидкість зміни
є функцієюf(x) протягом інтервалу[x,x+h]\frac{f(x+h)−f(a)}{b−a}
гранична вартість
похідна від функції витрат, або приблизна вартість виробництва ще однієї позиції
граничний дохід
похідна від функції доходу, або приблизний дохід, отриманий від продажу ще одного предмета
граничний прибуток
похідна від функції прибутку, або приблизний прибуток, отриманий шляхом виробництва і продажу ще одного предмета
темпи приросту населення
є похідною від населення по відношенню до часу
швидкість
- абсолютне значення швидкості,|v(t)| тобто швидкість об'єкта в час, швидкістьt якого задаєтьсяv(t)