Funktsiooni x tuletis on võrdne. Positiivse funktsiooni tuletis (astmed ja juured)
Definitsioon. Olgu funktsioon \(y = f(x) \) defineeritud mingis intervallis, mille sees on punkt \(x_0 \). Suurendame \(\Delta x \) argumendiks, et sellest intervallist mitte lahkuda. Leidke funktsiooni \(\Delta y \) vastav juurdekasv (punktist \(x_0 \) punktist \(x_0 + \Delta x \) liikumisel) ja koostage seos \(\frac(\Delta y) )(\Delta x) \). Kui \(\Delta x \paremnool 0 \ \) on selle seose piir, nimetatakse näidatud piirväärtust tuletisfunktsioon\(y=f(x) \) punktis \(x_0 \) ja tähistab \(f"(x_0) \).
$$ \lim_(\Delta x \to 0) \frac(\Delta y)(\Delta x) = f"(x_0) $$
Tuletise tähistamiseks kasutatakse sageli sümbolit y. Pange tähele, et y" = f(x) on uus funktsioon, kuid loomulikult seotud funktsiooniga y = f(x), mis on defineeritud kõigis punktides x, kus ülaltoodud piir on olemas. Seda funktsiooni nimetatakse järgmiselt: funktsiooni y \u003d f (x) tuletis.
Tuletise geomeetriline tähendus koosneb järgmisest. Kui funktsiooni y \u003d f (x) graafikule saab tõmmata puutuja, mis ei ole y-teljega paralleelne punktis, mille abstsiss on x \u003d a, siis f (a) väljendab puutuja kalle:
\(k = f"(a)\)
Kuna \(k = tg(a) \), on võrdus \(f"(a) = tg(a) \) tõene.
Ja nüüd tõlgendame tuletise määratlust ligikaudsete võrdsuste kaudu. Olgu funktsioonil \(y = f(x) \) tuletis konkreetses punktis \(x \):
$$ \lim_(\Delta x \to 0) \frac(\Delta y)(\Delta x) = f"(x) $$
See tähendab, et punkti x lähedal on ligikaudne võrdsus \(\frac(\Delta y)(\Delta x) \approx f"(x) \), st \(\Delta y \approx f"(x) \cdot \Deltax\). Saadud ligikaudse võrdsuse tähenduslik tähendus on järgmine: funktsiooni juurdekasv on "peaaegu proportsionaalne" argumendi juurdekasvuga ja proportsionaalsuskoefitsient on tuletise väärtus antud punkt X. Näiteks funktsiooni \(y = x^2 \) puhul kehtib ligikaudne võrdus \(\Delta y \umbes 2x \cdot \Delta x \). Kui tuletise definitsiooni hoolikalt analüüsime, leiame, et see sisaldab selle leidmise algoritmi.
Sõnastame selle.
Kuidas leida funktsiooni y \u003d f (x) tuletist?
1. Parandage väärtus \(x \), leidke \(f(x) \)
2. Suurendage argumenti \(x \) \(\Delta x \), liikuge uude punkti \(x+ \Delta x \), leidke \(f(x+ \Delta x) \)
3. Leidke funktsiooni juurdekasv: \(\Delta y = f(x + \Delta x) - f(x) \)
4. Koostage seos \(\frac(\Delta y)(\Delta x) \)
5. Arvutage $$ \lim_(\Delta x \to 0) \frac(\Delta y)(\Delta x) $$
See piirväärtus on funktsiooni x tuletis.
Kui funktsioonil y = f(x) on tuletis punktis x, siis nimetatakse seda punktis x diferentseeruvaks. Kutsutakse välja protseduur funktsiooni y \u003d f (x) tuletise leidmiseks eristamist funktsioonid y = f(x).
Arutleme järgmise küsimuse üle: kuidas on seotud funktsiooni pidevus ja diferentseeritavus punktis?
Olgu funktsioon y = f(x) punktis x diferentseeruv. Seejärel saab funktsiooni graafikule punktis M (x; f (x)) tõmmata puutuja ja meenutage, puutuja kalle on võrdne f "(x). Selline graafik ei saa "katkeneda" punktis punkt M, st funktsioon peab olema pidev punktis x.
See oli arutluskäik "näppude peal". Esitagem rangem argument. Kui funktsioon y = f(x) on punktis x diferentseeruv, siis kehtib ligikaudne võrdus \(\Delta y \umbes f"(x) \cdot \Delta x \). null, siis \(\Delta y \ ) kipub samuti olema null ja see on funktsiooni järjepidevuse tingimus punktis.
Niisiis, kui funktsioon on punktis x diferentseeruv, siis on ta ka selles punktis pidev.
Vastupidine ei vasta tõele. Näiteks: funktsioon y = |x| on pidev kõikjal, eriti punktis x = 0, kuid funktsiooni graafiku puutujat "ühendpunktis" (0; 0) ei eksisteeri. Kui mingil hetkel ei ole võimalik funktsioonigraafikule puutujat joonistada, siis selles punktis tuletist ei ole.
Üks näide veel. Funktsioon \(y=\sqrt(x) \) on pidev kogu arvteljel, sealhulgas punktis x = 0. Ja funktsiooni graafiku puutuja eksisteerib igas punktis, sealhulgas punktis x = 0 Kuid sellel hetkel langeb puutuja kokku y-teljega, see tähendab, et see on abstsissteljega risti, selle võrrandi kuju on x \u003d 0. Kalle sellist rida pole, mis tähendab, et ka \(f"(0) \) pole olemas
Niisiis tutvusime funktsiooni uue omadusega - diferentseeritavusega. Kuidas teha kindlaks, kas funktsioon on funktsiooni graafikust eristatav?
Vastus on tegelikult antud eespool. Kui funktsiooni graafikule saab mingil hetkel tõmmata puutuja, mis ei ole risti x-teljega, siis selles punktis on funktsioon diferentseeritav. Kui mingil hetkel funktsiooni graafiku puutujat ei eksisteeri või see on risti x-teljega, siis selles punktis funktsioon ei ole diferentseeruv.
Eristamise reeglid
Tuletise leidmise operatsiooni nimetatakse eristamist. Selle toimingu tegemisel peate sageli töötama jagatistega, summade, funktsioonide korrutistega, aga ka "funktsioonide funktsioonidega", see tähendab keerukate funktsioonidega. Tuletise definitsiooni põhjal saame tuletada seda tööd hõlbustavad diferentseerimisreeglid. Kui C on konstantne arv ja f=f(x), g=g(x) on mõned diferentseeruvad funktsioonid, siis on tõesed järgmised diferentseerimisreeglid:
$$ f"_x(g(x)) = f"_g \cdot g"_x $$
Mõnede funktsioonide tuletiste tabel
$$ \left(\frac(1)(x) \right) " = -\frac(1)(x^2) $$ $$ (\sqrt(x)) " = \frac(1)(2\ sqrt(x)) $$ $$ \left(x^a \right) " = a x^(a-1) $$ $$ \left(a^x \right) " = a^x \cdot \ln a $$ $$ \left(e^x \right) " = e^x $$ $$ (\ln x)" = \frac(1)(x) $$ $$ (\log_a x)" = \frac (1)(x\ln a) $$ $$ (\sin x)" = \cos x $$ $$ (\cos x)" = -\sin x $$ $$ (\text(tg) x) " = \frac(1)(\cos^2 x) $$ $$ (\text(ctg) x)" = -\frac(1)(\sin^2 x) $$ $$ (\arcsin x) " = \frac(1)(\sqrt(1-x^2)) $$ $$ (\arccos x)" = \frac(-1)(\sqrt(1-x^2)) $$ $$ (\text(arctg) x)" = \frac(1)(1+x^2) $$ $$ (\text(arctg) x)" = \frac(-1)(1+x^2) $ $Kui järgime definitsiooni, siis funktsiooni tuletis punktis on funktsiooni Δ juurdekasvu suhte piir y argumendi Δ juurdekasvuni x:
Kõik näib olevat selge. Kuid proovige arvutada selle valemiga, ütleme, funktsiooni tuletis f(x) = x 2 + (2x+ 3) · e x patt x. Kui teete kõike definitsiooni järgi, siis pärast paari lehekülge arvutusi jääte lihtsalt magama. Seetõttu on lihtsamaid ja tõhusamaid viise.
Alustuseks märgime, et nn elementaarfunktsioone saab eristada kõigist funktsioonidest. Need on suhteliselt lihtsad avaldised, mille tuletised on juba ammu arvutatud ja tabelisse kantud. Selliseid funktsioone on piisavalt lihtne meeles pidada koos nende tuletistega.
Elementaarfunktsioonide tuletised
Elementaarsed funktsioonid on kõik allpool loetletud. Nende funktsioonide tuletised peavad olema peast teada. Pealegi pole neid raske pähe õppida – seepärast on need elementaarsed.
Niisiis, elementaarfunktsioonide tuletised:
Nimi | Funktsioon | Tuletis |
Püsiv | f(x) = C, C ∈ R | 0 (jah, jah, null!) |
Kraad ratsionaalse astendajaga | f(x) = x n | n · x n − 1 |
Sinus | f(x) = patt x | cos x |
Koosinus | f(x) = cos x | − patt x(miinus siinus) |
Tangent | f(x) = tg x | 1/cos 2 x |
Kotangent | f(x) = ctg x | − 1/sin2 x |
naturaallogaritm | f(x) = log x | 1/x |
Suvaline logaritm | f(x) = log a x | 1/(x ln a) |
Eksponentfunktsioon | f(x) = e x | e x(midagi ei muutunud) |
Kui elementaarfunktsiooni korrutada suvalise konstandiga, on ka uue funktsiooni tuletis kergesti arvutatav:
(C · f)’ = C · f ’.
Üldjuhul saab konstandid tuletise märgist välja võtta. Näiteks:
(2x 3)' = 2 ( x 3)' = 2 3 x 2 = 6x 2 .
Ilmselgelt saab elementaarfunktsioone omavahel liita, korrutada, jagada ja palju muud. Nii tekivad uued funktsioonid, mis pole enam väga elementaarsed, vaid ka teatud reeglite järgi eristatavad. Neid reegleid käsitletakse allpool.
Summa ja vahe tuletis
Laske funktsioonidel f(x) Ja g(x), mille tuletised on meile teada. Näiteks võite võtta ülalpool käsitletud elementaarfunktsioonid. Seejärel leiate nende funktsioonide summa ja erinevuse tuletise:
- (f + g)’ = f ’ + g ’
- (f − g)’ = f ’ − g ’
Seega on kahe funktsiooni summa (erinevus) tuletis võrdne tuletiste summaga (erinevus). Tingimusi võib olla rohkem. Näiteks, ( f + g + h)’ = f ’ + g ’ + h ’.
Rangelt võttes pole algebras "lahutamise" mõistet. On olemas mõiste "negatiivne element". Seetõttu erinevus f − g saab summaks ümber kirjutada f+ (-1) g, ja siis jääb järele ainult üks valem - summa tuletis.
f(x) = x 2 + sinx; g(x) = x 4 + 2x 2 − 3.
Funktsioon f(x) on kahe elementaarfunktsiooni summa, seega:
f ’(x) = (x 2+ patt x)’ = (x 2)' + (patt x)’ = 2x+ cosx;
Me vaidleme funktsiooni kohta sarnaselt g(x). Ainult seal on juba kolm terminit (algebra seisukohalt):
g ’(x) = (x 4 + 2x 2 − 3)’ = (x 4 + 2x 2 + (−3))’ = (x 4)’ + (2x 2)’ + (−3)’ = 4x 3 + 4x + 0 = 4x · ( x 2 + 1).
Vastus:
f ’(x) = 2x+ cosx;
g ’(x) = 4x · ( x
2 + 1).
Toote tuletis
Matemaatika on loogikateadus, nii et paljud inimesed usuvad, et kui summa tuletis on võrdne tuletiste summaga, siis korrutise tuletis streikima"\u003e võrdne tuletisinstrumentide korrutisega. Aga teile viigimarjad! Toote tuletis arvutatakse täiesti erineva valemi abil. Nimelt:
(f · g) ’ = f ’ · g + f · g ’
Valem on lihtne, kuid sageli unustatakse. Ja mitte ainult kooliõpilased, vaid ka üliõpilased. Tulemuseks on valesti lahendatud probleemid.
Ülesanne. Leia funktsioonide tuletised: f(x) = x 3 cosx; g(x) = (x 2 + 7x– 7) · e x .
Funktsioon f(x) on kahe elementaarfunktsiooni korrutis, seega on kõik lihtne:
f ’(x) = (x 3 cos x)’ = (x 3)' cos x + x 3 (maks x)’ = 3x 2 cos x + x 3 (-sin x) = x 2 (3 cos x − x patt x)
Funktsioon g(x) esimene kordaja on natuke keerulisem, kuid üldine skeem see ei muutu. Ilmselgelt funktsiooni esimene kordaja g(x) on polünoom ja selle tuletis on summa tuletis. Meil on:
g ’(x) = ((x 2 + 7x– 7) · e x)’ = (x 2 + 7x– 7)" · e x + (x 2 + 7x– 7) ( e x)’ = (2x+ 7) · e x + (x 2 + 7x– 7) · e x = e x(2 x + 7 + x 2 + 7x −7) = (x 2 + 9x) · e x = x(x+ 9) · e x .
Vastus:
f ’(x) = x 2 (3 cos x − x patt x);
g ’(x) = x(x+ 9) · e
x
.
Pange tähele, et viimases etapis on tuletis faktoriseeritud. Formaalselt pole see vajalik, kuid enamik tuletisi ei arvutata iseseisvalt, vaid funktsiooni uurimiseks. See tähendab, et edaspidi võrdsustatakse tuletis nulliga, selgitatakse välja selle märgid ja nii edasi. Sellisel juhul on parem, kui avaldis on jagatud teguriteks.
Kui on kaks funktsiooni f(x) Ja g(x) ja g(x) ≠ 0 meid huvitaval hulgal, saame defineerida uue funktsiooni h(x) = f(x)/g(x). Sellise funktsiooni jaoks leiate ka tuletise:
Pole nõrk, eks? Kust tuli miinus? Miks g 2? Ja niimoodi! See on üks keerulisemaid valemeid - ilma pudelita ei saa te sellest aru. Seetõttu on parem seda uurida konkreetseid näiteid.
Ülesanne. Leia funktsioonide tuletised:
Iga murdosa lugejas ja nimetajas on elementaarfunktsioonid, seega vajame ainult jagatise tuletise valemit:
Traditsiooniliselt arvestame lugeja tegurite hulka - see lihtsustab vastust oluliselt:
Keeruline funktsioon ei pruugi olla poole kilomeetri pikkune valem. Näiteks piisab funktsiooni võtmisest f(x) = patt x ja asendada muutuja x, ütleme, edasi x 2+ln x. Selgub f(x) = patt ( x 2+ln x) on keeruline funktsioon. Tal on ka tuletis, kuid selle leidmine ülalkirjeldatud reeglite järgi ei tööta.
Kuidas olla? Sellistel juhtudel aitab muutuja asendamine ja kompleksfunktsiooni tuletise valem:
f ’(x) = f ’(t) · t', Kui x asendatakse t(x).
Reeglina on olukord selle valemi mõistmisega veelgi kurvem kui jagatise tuletisega. Seetõttu on parem seda ka konkreetsete näidetega selgitada, koos Täpsem kirjeldus igal sammul.
Ülesanne. Leia funktsioonide tuletised: f(x) = e 2x + 3 ; g(x) = patt ( x 2+ln x)
Pange tähele, et kui funktsioonis f(x) avaldise 2 asemel x+3 saab olema lihtne x, siis see toimib elementaarne funktsioon f(x) = e x. Seetõttu teeme asendused: olgu 2 x + 3 = t, f(x) = f(t) = e t. Otsime kompleksfunktsiooni tuletist valemiga:
f ’(x) = f ’(t) · t ’ = (e t)’ · t ’ = e t · t ’
Ja nüüd - tähelepanu! Pöördasenduse teostamine: t = 2x+ 3. Saame:
f ’(x) = e t · t ’ = e 2x+ 3 (2 x + 3)’ = e 2x+ 3 2 = 2 e 2x + 3
Nüüd vaatame funktsiooni g(x). Ilmselgelt tuleb välja vahetada. x 2+ln x = t. Meil on:
g ’(x) = g ’(t) · t' = (patt t)’ · t' = cos t · t ’
Vastupidine asendamine: t = x 2+ln x. Seejärel:
g ’(x) = cos( x 2+ln x) · ( x 2+ln x)' = cos ( x 2+ln x) · (2 x + 1/x).
See on kõik! Nagu viimasest avaldisest näha, on kogu probleem taandatud summa tuletise arvutamisele.
Vastus:
f ’(x) = 2 e
2x + 3 ;
g ’(x) = (2x + 1/x) cos( x 2+ln x).
Väga sageli kasutan oma tundides termini "tuletis" asemel sõna "insult". Näiteks summa löök on võrdne löökide summaga. Kas see on selgem? See on hea.
Seega taandub tuletise arvutamine just nendest löökidest vabanemisele vastavalt ülalkirjeldatud reeglitele. Viimase näitena pöördume tagasi ratsionaalse astendajaga tuletusastme juurde:
(x n)’ = n · x n − 1
Seda teavad rollis vähesed n võib hästi tegutseda murdarv. Näiteks juur on x 0,5 . Aga mis siis, kui juure all on midagi keerulist? Jällegi selgub keeruline funktsioon - neile meeldib selliseid konstruktsioone edasi anda kontrolltööd ja eksamid.
Ülesanne. Leia funktsiooni tuletis:
Esmalt kirjutame juure ümber ratsionaalse astendajaga astmeks:
f(x) = (x 2 + 8x − 7) 0,5 .
Nüüd teeme asendus: las x 2 + 8x − 7 = t. Leiame tuletise valemiga:
f ’(x) = f ’(t) · t ’ = (t 0,5)" t' = 0,5 t−0,5 t ’.
Teeme pöördasenduse: t = x 2 + 8x− 7. Meil on:
f ’(x) = 0,5 ( x 2 + 8x– 7) –0,5 ( x 2 + 8x− 7)' = 0,5 (2 x+ 8) ( x 2 + 8x − 7) −0,5 .
Lõpuks tagasi juurte juurde:
Tabeli kõige esimese valemi tuletamisel lähtume funktsiooni tuletise definitsioonist punktis. Võtame kuhu x- mis tahes reaalarv, see tähendab x– suvaline arv funktsiooni määratlusalast . Kirjutame funktsiooni juurdekasvu ja argumendi juurdekasvu suhte piiriks :
Tuleb märkida, et piirimärgi all saadakse avaldis, mis ei ole nulliga jagatud nulli määramatus, kuna lugeja ei sisalda lõpmata väikest väärtust, vaid täpselt nulli. Teisisõnu, konstantse funktsiooni juurdekasv on alati null.
Seega konstantse funktsiooni tuletison võrdne nulliga kogu määratluspiirkonnas.
Võimsusfunktsiooni tuletis.
Tuletisvalem toitefunktsioon on vorm , kus eksponent lk on suvaline reaalarv.
Tõestame esmalt naturaalse astendaja valemit, see tähendab for p = 1, 2, 3, ...
Kasutame tuletise määratlust. Kirjutame võimsusfunktsiooni juurdekasvu ja argumendi juurdekasvu suhte piiri:
Lugeja avaldise lihtsustamiseks pöördume Newtoni binoomvalemi poole:
Seega
See tõestab loomuliku astendaja astmefunktsiooni tuletise valemit.
Eksponentfunktsiooni tuletis.
Tuletame tuletisvalemi definitsiooni põhjal:
Jõudis ebakindluseni. Selle laiendamiseks tutvustame uut muutujat ja jaoks. Siis . Viimases üleminekus kasutasime logaritmi uuele alusele ülemineku valemit.
Tehkem asendus algses limiidis:
Kui meenutada teist tähelepanuväärset piiri, siis jõuame eksponentsiaalfunktsiooni tuletise valemini:
Logaritmilise funktsiooni tuletis.
Tõestame logaritmilise funktsiooni tuletise valemit kõigi jaoks x ulatusest ja kõigist kehtivatest baasväärtustest a logaritm. Tuletise definitsiooni järgi on meil:
Nagu märkasite, viidi tõestuses teisendused läbi logaritmi omadusi kasutades. Võrdsus kehtib teise tähelepanuväärse limiidi tõttu.
Trigonomeetriliste funktsioonide tuletised.
Trigonomeetriliste funktsioonide tuletiste valemite tuletamiseks peame meelde tuletama mõned trigonomeetria valemid ja ka esimese tähelepanuväärse piiri.
Siinusfunktsiooni tuletise definitsiooni järgi on meil .
Siinuste erinevuse jaoks kasutame valemit:
Jääb üle pöörduda esimese tähelepanuväärse piiri poole:
Seega funktsiooni tuletis sin x Seal on cos x.
Koosinustuletise valem on tõestatud täpselt samal viisil.
Seega funktsiooni tuletis cos x Seal on – sin x.
Tangensi ja kotangensi tuletiste tabeli valemite tuletamine toimub tõestatud diferentseerimisreeglite (murru tuletis) abil.
Hüperboolsete funktsioonide tuletised.
Diferentseerimisreeglid ja eksponentsiaalfunktsiooni tuletise valem tuletiste tabelist võimaldavad tuletada hüperboolse siinuse, koosinuse, puutuja ja kotangensi tuletisi valemeid.
Pöördfunktsiooni tuletis.
Et esitluses segadust ei tekiks, tähistame alumises indeksis selle funktsiooni argumendi, mille järgi diferentseerimist teostatakse ehk see on funktsiooni tuletis f(x) Kõrval x.
Nüüd sõnastame pöördfunktsiooni tuletise leidmise reegel.
Laske funktsioonidel y = f(x) Ja x = g(y) vastastikku pöördvõrdeline, määratletud vastavalt intervallidel ja. Kui mingis punktis eksisteerib funktsiooni lõplik nullist erinev tuletis f(x), siis punktis eksisteerib pöördfunktsiooni lõplik tuletis g(y) ja . Teises sissekandes .
Seda reeglit saab mis tahes jaoks ümber sõnastada x intervallist , siis saame .
Kontrollime nende valemite kehtivust.
Leiame naturaallogaritmi pöördfunktsiooni (Siin y on funktsioon ja x- argument). Selle võrrandi lahendamine jaoks x, saame (siin x on funktsioon ja y tema argument). See on, ja vastastikku pöördfunktsioonid.
Tuletisinstrumentide tabelist näeme seda Ja .
Veenduge, et pöördfunktsiooni tuletiste leidmise valemid viivad meid samadele tulemustele:
Tuletise arvutamine on sageli leitud KASUTADA ülesandeid. Sellel lehel on tuletisinstrumentide leidmise valemite loend.
Eristamise reeglid
- (k⋅f(x))′=k⋅f′(x).
- (f(x)+g(x))′=f′(x)+g′(x).
- (f(x)⋅ g(x))′=f′(x)⋅ g(x)+f(x)⋅ g′(x).
- Kompleksfunktsiooni tuletis. Kui y=F(u) ja u=u(x), siis funktsiooni y=f(x)=F(u(x)) nimetatakse x kompleksfunktsiooniks. võrdub y′(x)=Fu′⋅ ux′.
- Implitsiitse funktsiooni tuletis. Funktsiooni y=f(x) nimetatakse kaudseks funktsiooniks, mille annab seos F(x,y)=0, kui F(x,f(x))≡0.
- Pöördfunktsiooni tuletis. Kui g(f(x))=x, siis funktsiooni g(x) nimetatakse funktsiooni y=f(x) pöördfunktsiooniks.
- Parameetriliselt etteantud funktsiooni tuletis. Olgu x ja y antud muutuja t funktsioonidena: x=x(t), y=y(t). Nad ütlevad, et y=y(x) parameetriliselt antud funktsioon intervallil x∈ (a;b), kui sellel intervallil saab võrrandit x=x(t) väljendada kujul t=t(x) ja funktsiooni y=y(t(x))=y(x) saab määratleda.
- Võimu tuletis- eksponentsiaalne funktsioon. See leitakse, võttes logaritmi naturaallogaritmi alusele.