Derivácia funkcie x sa rovná. Derivát mocninovej funkcie (mocniny a odmocniny)
Definícia. Nech je funkcia \(y = f(x) \) definovaná v nejakom intervale obsahujúcom bod \(x_0 \) vo vnútri. Zväčšíme \(\Delta x \) na argument, aby sme neopustili tento interval. Nájdite zodpovedajúci prírastok funkcie \(\Delta y \) (pri prechode z bodu \(x_0 \) do bodu \(x_0 + \Delta x \)) a zostavte vzťah \(\frac(\Delta y )(\Delta x) \). Ak existuje limita tohto vzťahu v \(\Delta x \rightarrow 0 \), potom sa zadaná limita nazýva derivačná funkcia\(y=f(x) \) v bode \(x_0 \) a označte \(f"(x_0) \).
$$ \lim_(\Delta x \to 0) \frac(\Delta y)(\Delta x) = f"(x_0) $$
Symbol y sa často používa na označenie derivácie. Všimnite si, že y" = f(x) je nová funkcia, ale prirodzene spojená s funkciou y = f(x), definovanou vo všetkých bodoch x, v ktorých existuje vyššie uvedená limita. Táto funkcia sa volá takto: derivácia funkcie y \u003d f (x).
Geometrický význam derivácie pozostáva z nasledujúceho. Ak je možné nakresliť dotyčnicu, ktorá nie je rovnobežná s osou y, ku grafu funkcie y \u003d f (x) v bode s os x \u003d a, potom f (a) vyjadruje sklon dotyčnice:
\(k = f"(a)\)
Keďže \(k = tg(a) \), platí rovnosť \(f"(a) = tg(a) \).
A teraz interpretujeme definíciu derivátu z hľadiska približných rovnosti. Nech funkcia \(y = f(x) \) má deriváciu v určitom bode \(x \):
$$ \lim_(\Delta x \to 0) \frac(\Delta y)(\Delta x) = f"(x) $$
To znamená, že v blízkosti bodu x je približná rovnosť \(\frac(\Delta y)(\Delta x) \približne f"(x)\), t.j. \(\Delta y \približne f"(x) \cdot \Deltax\). Zmysluplný význam získanej približnej rovnosti je nasledovný: prírastok funkcie je „takmer úmerný“ prírastku argumentu a koeficient úmernosti je hodnota derivácie v daný bod X. Napríklad pre funkciu \(y = x^2 \) platí približná rovnosť \(\Delta y \cca 2x \cdot \Delta x \). Ak dôkladne analyzujeme definíciu derivátu, zistíme, že obsahuje algoritmus na jeho nájdenie.
Poďme to sformulovať.
Ako nájsť deriváciu funkcie y \u003d f (x) ?
1. Opravte hodnotu \(x \), nájdite \(f(x) \)
2. Zvýšte \(x \) argument \(\Delta x \), presuňte sa do nového bodu \(x+ \Delta x \), nájdite \(f(x+ \Delta x) \)
3. Nájdite prírastok funkcie: \(\Delta y = f(x + \Delta x) - f(x) \)
4. Zostavte vzťah \(\frac(\Delta y)(\Delta x) \)
5. Vypočítajte $$ \lim_(\Delta x \to 0) \frac(\Delta y)(\Delta x) $$
Táto limita je deriváciou funkcie v x.
Ak funkcia y = f(x) má deriváciu v bode x, potom sa nazýva diferencovateľná v bode x. Zavolá sa postup na nájdenie derivácie funkcie y \u003d f (x). diferenciácia funkcie y = f(x).
Poďme diskutovať o nasledujúcej otázke: ako súvisí spojitosť a diferencovateľnosť funkcie v bode?
Nech je funkcia y = f(x) diferencovateľná v bode x. Potom je možné nakresliť dotyčnicu ku grafu funkcie v bode M (x; f (x)) a, pripomíname, sklon dotyčnice sa rovná f "(x). Takýto graf sa nemôže "zlomiť" v bod M, t.j. funkcia musí byť spojitá v x.
Bolo to uvažovanie „na prstoch“. Uveďme prísnejší argument. Ak je funkcia y = f(x) diferencovateľná v bode x, potom platí približná rovnosť \(\Delta y \cca f"(x) \cdot \Delta x \) nula, potom \(\Delta y \ ) bude mať tiež tendenciu k nule, a to je podmienka spojitosti funkcie v bode.
takže, ak je funkcia diferencovateľná v bode x, potom je v tomto bode aj spojitá.
Opak nie je pravdou. Napríklad: funkcia y = |x| je všade spojitá, najmä v bode x = 0, ale dotyčnica ku grafu funkcie v „spoločnom bode“ (0; 0) neexistuje. Ak v určitom bode nie je možné nakresliť tangens ku grafu funkcie, potom v tomto bode neexistuje žiadna derivácia.
Ešte jeden príklad. Funkcia \(y=\sqrt(x) \) je spojitá na celej číselnej osi, vrátane bodu x = 0. A dotyčnica ku grafu funkcie existuje v akomkoľvek bode, vrátane bodu x = 0 Ale v tomto bode sa dotyčnica zhoduje s osou y, to znamená, že je kolmá na os x, jej rovnica má tvar x \u003d 0. Svah taký riadok neexistuje, čo znamená, že neexistuje ani \(f"(0) \).
Zoznámili sme sa teda s novou vlastnosťou funkcie – diferencovateľnosťou. Ako môžete zistiť, či je funkcia diferencovateľná od grafu funkcie?
Odpoveď je vlastne uvedená vyššie. Ak sa v určitom bode dá nakresliť dotyčnica ku grafu funkcie, ktorá nie je kolmá na os x, potom je funkcia v tomto bode diferencovateľná. Ak v určitom bode dotyčnica ku grafu funkcie neexistuje alebo je kolmá na os x, potom v tomto bode funkcia nie je diferencovateľná.
Pravidlá diferenciácie
Operácia nájdenia derivátu sa nazýva diferenciácia. Pri vykonávaní tejto operácie musíte často pracovať s kvocientmi, súčtami, súčinmi funkcií, ako aj s „funkciami funkcií“, teda komplexnými funkciami. Na základe definície derivátu vieme odvodiť pravidlá diferenciácie, ktoré túto prácu uľahčujú. Ak je C konštantné číslo a f=f(x), g=g(x) sú niektoré diferencovateľné funkcie, potom platí nasledovné pravidlá diferenciácie:
$$ f"_x(g(x)) = f"_g \cdot g"_x $$
Tabuľka derivácií niektorých funkcií
$$ \left(\frac(1)(x) \right) " = -\frac(1)(x^2) $$ $$ (\sqrt(x)) " = \frac(1)(2\ sqrt(x)) $$ $$ \left(x^a \right) " = a x^(a-1) $$ $$ \left(a^x \right) " = a^x \cdot \ln a $$ $$ \left(e^x \right) " = e^x $$ $$ (\ln x)" = \frac(1)(x) $$ $$ (\log_a x)" = \frac (1)(x\ln a) $$ $$ (\sin x)" = \cos x $$ $$ (\cos x)" = -\sin x $$ $$ (\text(tg) x) " = \frac(1)(\cos^2 x) $$ $$ (\text(ctg) x)" = -\frac(1)(\sin^2 x) $$ $$ (\arcsin x) " = \frac(1)(\sqrt(1-x^2)) $$ $$ (\arccos x)" = \frac(-1)(\sqrt(1-x^2)) $$ $$ (\text(arctg) x)" = \frac(1)(1+x^2) $$ $$ (\text(arctg) x)" = \frac(-1)(1+x^2) $ $Ak budeme postupovať podľa definície, potom derivácia funkcie v bode je limita pomeru prírastku funkcie Δ r na prírastok argumentu Δ X:
Zdá sa, že všetko je jasné. Ale skúste vypočítať podľa tohto vzorca, povedzme, deriváciu funkcie f(X) = X 2 + (2X+ 3) · e X hriech X. Ak robíte všetko podľa definície, potom po niekoľkých stránkach výpočtov jednoducho zaspíte. Preto existujú jednoduchšie a efektívnejšie spôsoby.
Na začiatok si všimneme, že takzvané elementárne funkcie možno odlíšiť od celej škály funkcií. Ide o pomerne jednoduché výrazy, ktorých deriváty sú už dávno vypočítané a zapísané do tabuľky. Takéto funkcie sa dajú ľahko zapamätať spolu s ich derivátmi.
Deriváty elementárnych funkcií
Všetky základné funkcie sú uvedené nižšie. Deriváty týchto funkcií musia byť známe naspamäť. Navyše nie je ťažké si ich zapamätať – preto sú elementárne.
Takže deriváty elementárnych funkcií:
názov | Funkcia | Derivát |
Neustále | f(X) = C, C ∈ R | 0 (áno, áno, nula!) |
Stupeň s racionálnym exponentom | f(X) = X n | n · X n − 1 |
Sinus | f(X) = hriech X | cos X |
Kosínus | f(X) = cos X | − hriech X(mínus sinus) |
Tangenta | f(X) = tg X | 1/cos 2 X |
Kotangens | f(X) = ctg X | − 1/sin2 X |
prirodzený logaritmus | f(X) = log X | 1/X |
Ľubovoľný logaritmus | f(X) = log a X | 1/(X ln a) |
Exponenciálna funkcia | f(X) = e X | e X(nič sa nezmenilo) |
Ak sa elementárna funkcia vynásobí ľubovoľnou konštantou, potom sa derivácia novej funkcie tiež ľahko vypočíta:
(C · f)’ = C · f ’.
Vo všeobecnosti možno zo znamienka derivácie vyňať konštanty. Napríklad:
(2X 3)' = 2 ( X 3) = 2 3 X 2 = 6X 2 .
Je zrejmé, že elementárne funkcie možno navzájom sčítať, násobiť, deliť a mnoho ďalšieho. Takto sa objavia nové funkcie, už nie veľmi elementárne, ale aj diferencovateľné podľa určitých pravidiel. Tieto pravidlá sú uvedené nižšie.
Derivácia súčtu a rozdielu
Nechajte funkcie f(X) A g(X), ktorých deriváty sú nám známe. Môžete si napríklad vziať základné funkcie diskutované vyššie. Potom môžete nájsť deriváciu súčtu a rozdielu týchto funkcií:
- (f + g)’ = f ’ + g ’
- (f − g)’ = f ’ − g ’
Takže derivácia súčtu (rozdielu) dvoch funkcií sa rovná súčtu (rozdielu) derivácií. Termínov môže byť viac. Napríklad, ( f + g + h)’ = f ’ + g ’ + h ’.
Presne povedané, v algebre neexistuje koncept „odčítania“. Existuje pojem „negatívny prvok“. Preto ten rozdiel f − g možno prepísať ako súčet f+ (-1) g, a potom zostane len jeden vzorec - derivácia súčtu.
f(X) = X 2 + sinx; g(X) = X 4 + 2X 2 − 3.
Funkcia f(X) je súčet dvoch základných funkcií, takže:
f ’(X) = (X 2+ hriech X)’ = (X 2) + (hriech X)’ = 2X+ cosx;
Podobne argumentujeme aj pri funkcii g(X). Len už existujú tri pojmy (z hľadiska algebry):
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).
odpoveď:
f ’(X) = 2X+ cosx;
g ’(X) = 4X · ( X
2 + 1).
Derivát produktu
Matematika je logická veda, takže veľa ľudí verí, že ak sa derivácia súčtu rovná súčtu derivácií, potom derivácia súčinu štrajk"\u003e sa rovná súčinu derivátov. Ale pre vás! Derivát súčinu sa vypočíta pomocou úplne iného vzorca. Konkrétne:
(f · g) ’ = f ’ · g + f · g ’
Vzorec je jednoduchý, ale často zabudnutý. A to nielen školákov, ale aj študentov. Výsledkom sú nesprávne vyriešené problémy.
Úloha. Nájdite deriváty funkcií: f(X) = X 3 cosx; g(X) = (X 2 + 7X− 7) · e X .
Funkcia f(X) je produktom dvoch základných funkcií, takže všetko je jednoduché:
f ’(X) = (X 3 kos X)’ = (X 3)' cos X + X 3 (kos X)’ = 3X 2 kos X + X 3 (- hriech X) = X 2 (3 cos X − X hriech X)
Funkcia g(X) prvá násobilka je trochu zložitejšia, ale všeobecná schéma toto sa nemení. Je zrejmé, že prvý multiplikátor funkcie g(X) je polynóm a jeho derivácia je deriváciou súčtu. Máme:
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 .
odpoveď:
f ’(X) = X 2 (3 cos X − X hriech X);
g ’(X) = X(X+ 9) · e
X
.
Všimnite si, že v poslednom kroku sa derivácia faktorizuje. Formálne to nie je potrebné, ale väčšina derivátov sa nevypočítava sama o sebe, ale na preskúmanie funkcie. To znamená, že derivácia sa bude ďalej rovnať nule, zistia sa jej znamienka atď. Pre takýto prípad je lepšie mať výraz rozložený na faktory.
Ak existujú dve funkcie f(X) A g(X), a g(X) ≠ 0 na množine, ktorá nás zaujíma, môžeme definovať novú funkciu h(X) = f(X)/g(X). Pre takúto funkciu môžete nájsť aj deriváciu:
Nie slabé, však? Kde sa vzalo mínus? Prečo? g 2? A takto! Toto je jeden z najkomplexnejších vzorcov - bez fľaše to nezistíte. Preto je lepšie si to naštudovať konkrétne príklady.
Úloha. Nájdite deriváty funkcií:
V čitateli a menovateli každého zlomku sú elementárne funkcie, takže všetko, čo potrebujeme, je vzorec pre deriváciu kvocientu:
Podľa tradície započítavame čitateľa do faktorov - to výrazne zjednoduší odpoveď:
Komplexná funkcia nie je nevyhnutne vzorec dlhý pol kilometra. Napríklad stačí prevziať funkciu f(X) = hriech X a nahradiť premennú X povedzme ďalej X 2+ln X. Ukázalo sa f(X) = hriech ( X 2+ln X) je komplexná funkcia. Má tiež derivát, ale nebude fungovať nájsť ho podľa vyššie uvedených pravidiel.
Ako byť? V takýchto prípadoch pomôže nahradenie premennej a vzorec pre deriváciu komplexnej funkcie:
f ’(X) = f ’(t) · t', Ak X sa nahrádza t(X).
Spravidla je situácia s chápaním tohto vzorca ešte smutnejšia ako s deriváciou kvocientu. Preto je tiež lepšie vysvetliť to na konkrétnych príkladoch, s Detailný popis každý krok.
Úloha. Nájdite deriváty funkcií: f(X) = e 2X + 3 ; g(X) = hriech ( X 2+ln X)
Všimnite si, že ak vo funkcii f(X) namiesto výrazu 2 X+ 3 bude ľahké X, potom to bude fungovať elementárna funkcia f(X) = e X. Preto urobíme substitúciu: nech 2 X + 3 = t, f(X) = f(t) = e t. Hľadáme deriváciu komplexnej funkcie podľa vzorca:
f ’(X) = f ’(t) · t ’ = (e t)’ · t ’ = e t · t ’
A teraz - pozor! Vykonanie spätnej substitúcie: t = 2X+ 3. Dostaneme:
f ’(X) = e t · t ’ = e 2X+ 3 (2 X + 3)’ = e 2X+ 3 2 = 2 e 2X + 3
Teraz sa pozrime na funkciu g(X). Očividne treba vymeniť. X 2+ln X = t. Máme:
g ’(X) = g ’(t) · t' = (hriech t)’ · t' = cos t · t ’
Spätná výmena: t = X 2+ln X. potom:
g ’(X) = cos ( X 2+ln X) · ( X 2+ln X)' = cos ( X 2+ln X) · (2 X + 1/X).
To je všetko! Ako vidno z posledného výrazu, celý problém sa zredukoval na výpočet derivácie súčtu.
odpoveď:
f ’(X) = 2 e
2X + 3 ;
g ’(X) = (2X + 1/X) pretože ( X 2+ln X).
Veľmi často na svojich hodinách namiesto výrazu „derivát“ používam slovo „mŕtvica“. Napríklad zdvih súčtu sa rovná súčtu zdvihov. Je to jasnejšie? No to je dobre.
Výpočet derivátu teda vedie k zbaveniu sa práve týchto ťahov podľa vyššie uvedených pravidiel. Ako posledný príklad sa vráťme k derivačnej mocnine s racionálnym exponentom:
(X n)’ = n · X n − 1
Málokto to vie v úlohe n môže dobre konať zlomkové číslo. Napríklad koreň je X 0,5. Ale čo ak je pod koreňom niečo zložité? Opäť sa ukáže komplexná funkcia - radi dávajú takéto konštrukcie kontrolná práca a skúšky.
Úloha. Nájdite deriváciu funkcie:
Najprv prepíšme odmocninu s racionálnym exponentom:
f(X) = (X 2 + 8X − 7) 0,5 .
Teraz urobíme náhradu: nech X 2 + 8X − 7 = t. Deriváciu nájdeme podľa vzorca:
f ’(X) = f ’(t) · t ’ = (t 0,5)' t' = 0,5 t−0,5 t ’.
Urobíme opačnú substitúciu: t = X 2 + 8X− 7. Máme:
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 .
Nakoniec späť ku koreňom:
Pri odvodení úplne prvého vzorca tabuľky budeme vychádzať z definície derivácie funkcie v bode. Vezmime kam X- akékoľvek reálne číslo, tj. X– ľubovoľné číslo z oblasti definície funkcie . Napíšme limit pomeru prírastku funkcie k prírastku argumentu na:
Treba poznamenať, že pod znamienkom limity sa získa výraz, ktorý nie je neistota nuly delená nulou, pretože čitateľ neobsahuje nekonečne malú hodnotu, ale práve nulu. Inými slovami, prírastok konštantnej funkcie je vždy nula.
teda derivácia konštantnej funkciesa rovná nule na celej doméne definície.
Derivácia mocninovej funkcie.
Vzorec odvodenia výkonová funkcia má formu , kde exponent p je akékoľvek reálne číslo.
Dokážme najprv vzorec pre prirodzený exponent, teda pre p = 1, 2, 3, ...
Použijeme definíciu derivátu. Napíšme limitu pomeru prírastku mocninnej funkcie k prírastku argumentu:
Aby sme zjednodušili výraz v čitateli, obrátime sa na Newtonov binomický vzorec:
teda
To dokazuje vzorec pre deriváciu mocninnej funkcie pre prirodzený exponent.
Derivácia exponenciálnej funkcie.
Odvodený vzorec odvodíme na základe definície:
Došlo k neistote. Na jej rozšírenie uvádzame novú premennú , a pre . Potom . Pri poslednom prechode sme použili vzorec na prechod na nový základ logaritmu.
Vykonajte substitúciu v pôvodnom limite:
Ak si spomenieme na druhú pozoruhodnú limitu, dostaneme sa k vzorcu pre deriváciu exponenciálnej funkcie:
Derivácia logaritmickej funkcie.
Dokážme vzorec pre deriváciu logaritmickej funkcie pre všetkých X z rozsahu a všetkých platných základných hodnôt a logaritmus. Podľa definície derivátu máme:
Ako ste si všimli, v dôkaze boli transformácie vykonané pomocou vlastností logaritmu. Rovnosť platí kvôli druhej pozoruhodnej hranici.
Derivácie goniometrických funkcií.
Aby sme odvodili vzorce pre derivácie goniometrických funkcií, budeme si musieť pripomenúť niektoré trigonometrické vzorce, ako aj prvú pozoruhodnú limitu.
Podľa definície derivácie funkcie sínus máme .
Na rozdiel sínusov používame vzorec:
Zostáva sa obrátiť na prvý pozoruhodný limit:
Takže derivácia funkcie hriech x Existuje cos x.
Vzorec pre kosínusový derivát je dokázaný presne rovnakým spôsobom.
Preto derivácia funkcie cos x Existuje - hriech x.
Odvodenie vzorcov pre tabuľku derivácií pre tangens a kotangens sa uskutoční pomocou osvedčených pravidiel diferenciácie (derivácia zlomku).
Deriváty hyperbolických funkcií.
Pravidlá diferenciácie a vzorec pre deriváciu exponenciálnej funkcie z tabuľky derivácií nám umožňujú odvodiť vzorce pre derivácie hyperbolického sínusu, kosínusu, tangensu a kotangensu.
Derivácia inverznej funkcie.
Aby v prezentácii nedošlo k zámene, označme v dolnom indexe argument funkcie, ktorou sa derivácia vykonáva, teda je to derivácia funkcie. f(x) Autor: X.
Teraz formulujeme pravidlo na nájdenie derivácie inverznej funkcie.
Nechajte funkcie y = f(x) A x = g(y) vzájomne inverzné, definované na intervaloch resp. Ak v určitom bode existuje konečná nenulová derivácia funkcie f(x), potom v bode existuje konečná derivácia inverznej funkcie g(y), a . V inom zázname .
Toto pravidlo je možné preformulovať pre kohokoľvek X z intervalu , potom dostaneme .
Overme si platnosť týchto vzorcov.
Nájdite inverznú funkciu pre prirodzený logaritmus (Tu r je funkcia a X- argument). Riešenie tejto rovnice pre X, dostaneme (tu X je funkcia a r jej argument). teda a vzájomne inverzné funkcie.
Z tabuľky derivátov to vidíme A .
Uistime sa, že vzorce na nájdenie derivácií inverznej funkcie nás vedú k rovnakým výsledkom:
Výpočet derivátu sa často nachádza v USE priradenia. Táto stránka obsahuje zoznam vzorcov na hľadanie derivátov.
Pravidlá diferenciácie
- (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).
- Derivácia komplexnej funkcie. Ak y=F(u) a u=u(x), potom funkcia y=f(x)=F(u(x)) sa nazýva komplexná funkcia x. Rovná sa y′(x)=Fu′⋅ux′.
- Derivácia implicitnej funkcie. Funkcia y=f(x) sa nazýva implicitná funkcia daná vzťahom F(x,y)=0, ak F(x,f(x))≡0.
- Derivácia inverznej funkcie. Ak g(f(x))=x, potom funkcia g(x) sa nazýva inverzná funkcia pre funkciu y=f(x).
- Derivácia parametricky danej funkcie. Nech x a y sú dané ako funkcie premennej t: x=x(t), y=y(t). Hovorí sa, že y=y(x) parametricky danú funkciu na intervale x∈ (a;b), ak na tomto intervale možno rovnicu x=x(t) vyjadriť ako t=t(x) a funkciu y=y(t(x))=y(x) možno definovať.
- Derivát moci - exponenciálna funkcia. Nájde sa tak, že sa logaritmus prenesie na základňu prirodzeného logaritmu.