当前课程知识点:微积分I > 第三章 导数与微分 > 3.4 函数的微分 > 3.4.7 微分的应用近似计算
前面我们已经学习了
微分的计算和微分的应用
那么微分还有其他的应用吗
我们现在来看第二十二讲
微分的近似计算
由前面的实例我们知道
微分的引入源于增量的计算
我们先回顾一下相关的实例
实例1
一圆形薄片受温度变化的影响
其半径由r变化到 r +Δ r
问 此时圆形薄片的面积改变了多少
由前面的求解
我们知道
假设圆形薄片的面积为S
面积函数S=πr²
在r处的增量假设为Δs
我们可以得出
ΔS=π(r+Δr)²-π r²
整理可以得出 2πr*Δr+π(Δr)²
取r=1 Δr=0.01的时候
则有ΔS的改变量
近似约等于0.02π
由此可见
面积的改变量的值
可近似的由线性部分2πr*Δr
及A*Δr来表示
而函数y=f(x)
如果在点x₀ 处可微
则其在点x₀ 的微分
等于A*Δx
其中
当x≈x₀的时候
我们可以写成
dy=f'(x₀)dx
由此可见
微分可以近似计算函数的增量
那我们看一下
微分在近似计算中的应用
如果y=f(x) 在点x₀处的导数值为f'(x₀)≠0
并且当自变量改变量|Δx|很小的时候
就有函数在x=x₀处的改变量
等于终值减初值
约等于函数在该点处的微分
f'(x₀)*Δx
基于此式
可以求函数f(x) 在点x=x₀附近的近似值
即 f(x₀+Δx) ≈f(x₀)+f'(x₀)*Δx
如果我们令x=x₀+Δx
则 x-x₀=Δx
原式就可以改为f(x) ≈f(x₀)+f'(x₀)*(x-x₀)
第二 当我们的x取特殊的数字0的时候
可以求f(x) 在点x=0附近的近似值
令x₀=0 则Δx=x
所以f(x)≈f(0)+f'(0)*x
我们由微分的近似计算公式
当x≈x₀的时候
f(x)≈f(x₀)+f'(x₀)*(x-x₀)
应用一下来计算一下近似值
例1
假设半径为10厘米的金属圆片加热后
半径伸长了0.05厘米
问面积增大了多少
解 圆的面积S为πr ²
当r = 10厘米
Δr改变量为0.05厘米的时候
基于前面的计算公式 我们ΔS≈ds
也就是2πr*Δr
代入r=10 Δr=0.05得出π
因此
此面积增大了π平方厘米
又我们在计算中
往往容易遇上一些不容易计算的数
那也可以借用微分的近似计算
来计算相应的数
例如
我们知道
三角函数中特殊三角函数的函数值
但是非特殊的函数值又是怎么计算呢
例如2
计算 cos 60°30' 的近似值
60°的余弦我们是知道的
假设cos 60°30' 是函数f(x) =cosx
在x₀等于60°的时候增量为30'
得出来的近似值
所以假设f(x) =cosx
求出它相应的导函数为-sin x
其中x为弧度值
便于计算
我们求出f(x)在π/3的值f(π/3)
也就是cosπ/3=1/2
f(x) 在π/3的导数值
也就是-sinπ/3=-√3/2
角度的改变量Δx转化为弧度值为
π/360
所以 cos 60°30' 可以转换成
cos(π/3 +π/360)
那它的近似计算就可以转化成
cosπ/3-sinπ/3* π/360
利用的f(x₀)+f'(x₀)*Δx
代入相应的值得出为
1/2-√3/2*π/360 ≈0.4924
我们通过近似计算出 cos 60°30' 的近似值
那它的精确值是多少
为0.49242356
可以看出
近似值和精确值相差无几
所以我们可以用微分来求近似值
特别的
f(x) 当x的绝对值很小的时候
f(x) ≈f(0)+f'(0)*x
由此式可以推出常用的计算公式
其中常用的计算公式都是
当x的绝对值很小的时候
第一个
e ˣ ≈1+x
我们来证明一下
假设函数为f(x) =e ˣ
f(x)的一阶导函数仍然是e ˣ
当x取0的时候
一阶导数值和函数值分别为1和1
所以e ˣ就约等于
f(x) 在0的值加上f'(x)在0的值乘上改变量X
所以 因此e ˣ≈1+x
同理可以得出
(1+x) ᵃ≈1+ax
ln(1+x)≈x
sinx≈x 其中x为弧度制
tan x≈x
x也为弧度制
cos x≈1-x²/2
其中x也是弧度制
上式印证了前面x趋于0的时候
上式中左右等价的关系
所以大家回顾一下当x趋于0的时候
上式两边是不等价的呀
下面再应用一下 例3
计算下列各数的近似值
(1) ³√998.5
(2) e⁻ ⁰˙ ⁰³
解 第一个求 ³√998.5
因为这个是三次方根的问题 是幂的问题
所以因此如果应用求近似值的公式的话
我们应该运用的是
(1+x) ᵃ≈1+ax
因为a=1/3
就应用的是³√(1+x)≈1+x/3
将³√998.5转化为
³√(1+x)
那如何转换呢
998.5可以转化成1000-1.5
然后提取1000出来就转换成
³√1000*(1-1.5/1000)
把1000开三次方根拿出来
就转换成10³√(1-0.0015)
这就转换成一个³√(1+x)
其中 x为-0.0015
代相应的近似计算公式
约等于值为9.995
精确值为9.994997
那可见精确值和近似值很接近
e ⁻⁰˙⁰³
按照公式应该套用的是
eˣ ≈1+x
所以e ⁻⁰˙⁰³≈1-0.03=0.97
而相应的精确值为0.97044
可见近似值和精确值很接近
由此来看
微分的近似计算
可以求出相应的近似值和精确值很接近
但是在上述的应用过程中
要求的是x≈0
也就是说
x要很微小
那我们总结一下本小节主要是
微分的近似计算
也就是利用微分来近似计算一些
不常见的计算
那常用的这个公式一个是
计算f (x) 在点 x=x₀ 附近的近似值
运用的是
f(x₀+Δx) ≈ f(x₀)+ f'(x₀) * Δx
其中Δx改变量很微小
或者可以写成f(x) ≈ f(x₀)+ f'(x₀) * (x-x₀)
其中x≈x₀
2 求 f (x) 在点 x=0 附近的近似值
相应的公式就转化为
f(x) ≈ f(0)+ f'(0) * x
微分在近似计算是微分的一个应用
此应用做一个理解
好本小结微分在近似计算讲到这里
谢谢
谢谢
-1.1 预备知识
--1.1.2本节作业
-1.2 函数的概念
--1.2.2 本节作业
-1.3 函数的基本特性
--1.3.2 本节作业
-1.4 反函数与复合函数
--1.4.2 本节作业
-1.5 基本初等函数与初等函数
--1.5.2 本节作业
-1.6 经济学中几个常见的函数
--1.6.2 本节作业
-第一章单元练习
--习题训练
-2.1 数列的极限
--2.1.3 本节作业
-2.2 函数的极限
--课堂思考
--2.2.4 本节作业
-2.3 无穷小量与无穷大量
--课堂思考
--2.3.4 本节作业
-2.4 极限的性质
--课堂思考
--2.4.4 本节作业
-2.5 两个重要极限
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--2.5.9 本节作业
-2.6 函数的连续性
--课堂思考
--2.6.6 本节作业
-第二章单元练习
--习题训练
-3.1 导数的概念
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--3.1.7 本节作业
-3.2 求导法则
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--课堂思考(三)
--3.2.8 本节作业
-3.3 高阶导数
--3.3.3 本节作业
-3.4 函数的微分
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--3.4.8本节作业
-3.5 导数与微分的简单应用
--3.5.4本节作业
-第三章单元练习
--习题训练
-4.1 中值定理
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--4.1.7 本节作业
-4.2 洛必达法则
--课堂思考
--4.2.4 本节作业
-4.3 函数的单调性与极值
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--4.3.5 本节作业
-4.4 函数的最值及应用
--4.4.3 本节作业
-4.5 函数曲线的凹凸性与拐点
--课堂思考
--4.5.4 本节作业
-4.6 函数的微分法作图
--课堂思考
--4.6.5 本节作业
-第四章单元练习
--习题训练
-5.1 不定积分的概念与性质
--5.1.4 本节作业
-5.2 换元积分法
--课堂思考(一)
--课堂思考(二)
--5.2.5 本节作业
-5.3 分部积分法
--课堂思考
--5.3.2 本节作业
-5.4 有理函数的积分
--5.4.3 本节作业
-第五章单元练习
--习题训练