Антонио Дуран - Истина в пределе. Анализ бесконечно малых

малых, лежат на стыке физики и инженерного дела, например, задача об определении центра тяжести тела (что крайне важно при постройке кораблей), о вычислении положения кабеля, висящего между двумя столбами (эта задача решается при прокладке воздушных линий электропередачи), о расчете распределения температуры на различных участках нагреваемой металлической пластины, об определении движения жидкостей (эта задача играет большую роль в авиационной промышленности и других отраслях) и многие другие. Этот список можно продолжать практически бесконечно.

Именно бесконечно малые величины являются основным предметом изучения анализа бесконечно малых. Понятие бесконечности придает анализу бесконечно малых удивительную мощь, подчас граничащую с волшебством. Бесконечность — это основа математического анализа, но чтобы осознать, насколько велика ее роль, сначала следует уделить несколько абзацев основным понятиям исчисления.

Как уже говорилось в предисловии, анализ бесконечно малых состоит из двух внешне различных направлений: дифференциального и интегрального исчисления, каждое из которых имеет свои понятия и методы. В дифференциальном исчислении рассматриваются задачи о вычислении угла наклона касательной к кривой и расчета скорости при известном пройденном пути. К интегральному исчислению относятся задачи о вычислении площадей и объемов, а также задачи расчета пройденного пути при известной скорости. Фундаментальным понятием дифференциального и интегрального исчисления является понятие функции.

Функции

Большинство изучаемых нами процессов, будь то природные, экономические или любые другие, можно смоделировать с помощью функций, а затем проанализировать математическими методами. Иными словами, функции — это язык, который используется в науке при изучении всех этих процессов.

Функция — это правило, сопоставляющее одному числу другое. Обычно (но не всегда) это правило выражается с помощью алгебраических операций над числами.

Так, функция может сопоставлять одному числу (обозначим его t) другое число по следующему закону:

(t² + 1)/(t⁴ + 5)

Так как число t может принимать различные значения, его называют переменной. Как правило, функции обозначаются буквами f, g, h, s или v, переменные — буквами x, у, z или t. Значение, которое функция сопоставляет произвольному числу t, записывается как f(t). Предыдущий пример будет выглядеть так:

f(t) = (t² + 1)/(t⁴ + 5)

В частности, когда мы присваиваем переменной t конкретные значения, мы определяем значения функции. Так, при t = 1 получим:

f(1) = (1² + 1)/(1⁴ + 5) = ²/6

при t = 2 имеем:

f(2) = (2² + 1)/(2⁴ + 5) = ⁵/21

В следующей таблице приведены несколько значений переменной и соответствующих им значений функции:

t …… F(t)

-1 …… ²/6

0 …… ¹/5

√2 …… ³/9

Простейшая физическая система — это движущееся тело. Его перемещение можно описать функцией s, которая сопоставляет каждому моменту времени t путь s(t), пройденный телом, или функцией v, которая сопоставляет каждому моменту времени t скорость v(t), с которой движется тело.

Рассмотрим конкретный пример. Если тело по истечении t секунд преодолело путь, точно равный квадратному корню из t метров, функция, описывающая это расстояние, будет выглядеть так: s(t) = √t. Эта функция, определяющая пройденный телом путь, также содержит информацию о том, с какой скоростью перемещается тело. Однако, чтобы получить доступ к этой информации, потребуется применить методы дифференциального исчисления.

Приведем еще один конкретный пример. Пусть дано тело, которое в течение t секунд двигалось со скоростью, равной t² м/с. Функция, описывающая скорость движения этого тела, выглядит так: v(t) = t². Этот пример похож на предыдущий: функция, описывающая скорость движения тела, также содержит информацию о пройденном пути. Однако, чтобы получить эту информацию, необходимо использовать интегральное исчисление.

Аналогично с помощью функций можно описать совершенно разные явления: изменение курса акций определенного банка или компании на фондовой бирже, плотность каждого участка тела человека (так мы сможем определить без хирургического вмешательства, где находятся кости, мышцы и внутренние органы) или силу, с которой потоки --">