Холодков Юрий

§ 1. Производная

 

п. 1. Основные понятия

 Пусть дана функция f(x). Рассмотрим два значения ее аргумента: исходное х0 и новое х. Разности Dх = х-х0 и D = f(x)-f(x0) = y-y0 называются соответ­ственно приращением аргумента и приращением функции в точке х0. Оче­видно, что х = х0+Dх, у = у0+Dу, Dу = f(x0+Dx)-f(x0). В дальнейшем будем считать значение х0 фиксированным, а х – переменным. При этом Dх и Dу являются пе­ременными величинами.

Производной функции у f(x) в точке х0 называется  если этот предел существует. Производная обозначается у'(x0) или f'(x0). Таким образом, .

Пусть Х {х}-множество всех таких х, для которых существует y'(х). Очевидно, что (х) является функцией, определенной на множестве Х.

Нахождение производной функции называется дифференцированием этой функции. Функция, имеющая производную в точке х0, называется дифференци­руемой в этой точке. Функция, дифференцируемая в каждой точке интервала (a, b), называется дифференцируемой на интервале (a, b).

Из курса средней школы известен геометрический смысл производной. Пусть функция у = f(x) дифференцируема в точке х0, тогда угловой коэффициент касательной к графику функции, проведенной в точке (х0, f(х0)) равен у'(х0).

Из курса средней школы известен также физический смысл производной. Пусть материальная точка движется прямолинейно неравномерно по закону = f(t), где – время, S – путь, проходимый точкой за время t. Тогда скорость точки в момент времени t равна: = S'(t).

Теорема (о связи дифференцируемости и непрерывности). Если функция у = f(x) дифференцируема в точке х0, то она непрерывна в этой точке.

Доказательство. Пусть аргумент х получает в точке х0 приращение Dх ¹ 0. Ему соответствует некоторое приращение функции Dу. Вычислим предел:

а это и означает непрерывность функции в точке х0.

Заметим, что обратная теорема неверна: существуют непрерывные функции, которые в некоторых точках не дифференцируемы. Примерами могут слу­жить функции у = çх çи  в точке х = 0. В обоих случаях (0) не существует.

Заметим, что график у = çх çв точке х = 0 не имеет касательной, а график  в точке х=0 имеет вертикальную касательную – ось Оу.

 

 

п. 2. Вычисление производной

Формулы вычисления производной некоторых элементарных функций получены в курсе средней школы:

1.      С' = 0, где С – константа.

2.      (хn) ' = n×xn-1, где n – натуральное число

3.      (ax)'= axlna, где а>0, a ¹ 1. В частности, (ех)' = ех

4.      , где а>0, a ¹ 1. В частности, 

5.      (sinx)' = cosx

6.      (cosx)' = -sinx

В курсе средней школы установлены основные правила дифференцирования.

Пусть u = u(x) и v = v(x) – функции, дифференцируемые в точке х. Тогда в этой точке дифференцируемы функции u+v, u×v, . Последнее при условии, что v(x) ¹ 0. Причем

(u+v)' = u'+v'

(u×v)' = u'v+uv'

Следствием последних трех соотношений являются следующие два: (сu)' = cu', где с – константа, и (u-v)' = u'-v'

Используя правило нахождения производной частного, легко получаются формулы:  и , которые выполняются для любого х, при котором существует tgx и cosx ¹ 0 или существует ctgx и sinx¹0.

 

п. 3. Производная обратной функции

Теорема. Пусть функция х = f(y) монотонна и дифференцируема в некото­ром интервале (a, b) и имеет в точке у этого интервала производную f'(y), не равную нулю. Тогда в соответствующей точке х обратная функция у f--1(x) имеет производную [f--1(x)]', причем

 или 

Доказательство. По условию теоремы функция x = f(y) монотонна и дифференци­руема, следовательно, по теореме о существовании обратной функции функция у = f--1(x) существует, монотонна и непрерывна на соответствующем интервале. Дадим аргументу х приращение Δх¹0. Тогда функция у = f--1(x) получит приращение Δу, которое в силу ее монотонности отлично от нуля. Так как функция у f--1(x) непрерывна, то Δу®0 при Δх®0. Тогда .

Пользуясь доказанной теоремой, вычислим производные обратных триго­нометрических функций. Для функции у = arcsinx обратной является функция = siny, которая является в интервале  монотонной и дифференцируе­мой. Ее производная x' = cosy в этом интервале в нуль не обращается. Поэтому . Таким образом .

Аналогично получаются формулы

п. 4. Производная сложной функции

Пусть = f(u) и = g(x). Тогда функция = f(g(x)) называется сложной функ­цией от х.

Теорема 1. Если функция u=g(x) имеет производную u'x в точке х, а функ­ция = f(u) имеет производную у'u в соответствующей точке u, то сложная функция = f(g(x)) в точке х имеет производную у'xпричем у'= у'u× u'x.

Доказательство. Дадим х приращение Δх. Тогда u и у получат соответст­венно приращения Δu и Δу. Будем считать, что Δu при Δх®0 не принимает зна­чений, равных нулю. Тогда . Так как функция = g(x) дифференцируема, а следовательно, непрерывна, то Δu®0 при Δх®0. Поэтому . Тогда . Это означает, что у'= у'u× u'x.

Заметим, что теорема верна и в случае, когда при Δх®0 Δu принимает значения, равные нулю.

Примеры. Найти производную функции.

1.      у = lnarctgx

 .

2. y = cos3(x2)

y' = 3cos2(x2)(-sin(x2))2x = -6xsin(x2)cos2(x2)

3. 

.

 

 

п. 5. Производные гиперболических функций

, поэтому 

Аналогично: (chx)= shx.

Аналогично: 

п. 6. Производная степенной функции с любым действительным показателем

Известно, что (xn)' = nxn-1 для натурального n. Пусть теперь n любое дейст­вительное число и х>0. Справедливо тождество x= enlnx. Тогда у = enlnx – сложная функция и ее производная вычисляется следующим образом: y' = (enlnx)' = enlnx(nlnx)' = enlnx =  x= nxn-1. Итак, при любом действитель­ном n и х>0 верна формула (xn)' = nxn-1. Можно показать, что эта формула справедлива и при х<0, если при этом функция y = xn определена.

п. 7. Таблица формул дифференцирования

В таблице приняты обозначения: с, n – любые действительные числа; а – любое положительное действительное число, кроме единицы. u= u(x) – функция, дифференцируемая в точке х, = f (u) – функция, дифференцируемая в соответствующей точке u. Таблица составлена на основании формул дифференцирования основных элементарных функций и теоремы о производной сложной функции.

 

1.(с)' = 0

 

 

8. ,

2. (un)= nun-1u'

 

 

9. 

3(au) = aulnau'

10. 

 

3а. (eu= euu'

 

 

11. 

4. 

 

 

4а. 

13. (chu)= shu×u'

5(sinu)' = cosu×u'

14. 

6.(cosu)= -sin×u'

15. 

7.  

16. 

 

 

п. 8. Производные высших порядков

Предположим, что функция = f(x) дифференцируема в некотором интер­вале (а, в). Тогда ее производная f'(x) в этом интервале является функцией х. Пусть эта функция также имеет производную в (а, в). Эта производная называется второй производной или производной второго порядка функции f(x)и обозначается y'' или f''(x).

Таким образом, f''(x) = (f'(x)) '. При этом f'(x) называется первой произ­водной или производной первого порядка функции f(x).

Аналогично определяются производные третьего, четвертого и так далее порядков. Вообще, производной n –го порядка функции = f(x) в точке х называ­ется первая производная производной (n-1)-го порядка функции f(x) при ус­ловии, что в точке х существуют все производные от первого до n –го порядков. Обозначение: y(n) или f(n)(x). Таким образом, f(n)(x) = ( f(n-1)(x)) '.

Производные порядка выше первого называются производными высших порядков.

 

Примеры.

1.                 Найти у''' для функции y = cos2x.

y' = 2cosx(-sinx) = -sin2x

y'' = -2cos2x

y''' = 4sin2x

2.                 Найти y(n) для функции y = e3x, y' = 3e3x, y'' = 32e3x, y''' = 33e3x,…, y(n) = 3ne3x

Механический смысл второй производной.

Пусть материальная точка движется прямолинейно неравномерно по закону = f(t), где t-время, f(t) – путь, пройденный за время t. Из физики известно, что при этом ускорение точки в момент времени t равно производной скорости по t. Таким образом, ускорение w(t) = v'(t) = S''(t) равно второй производной пути по времени.

п. 9. Дифференцирование функций, заданных параметрически

Пусть функция у от х задана параметрическими уравнениями:

= x(t)= y(t)tÎ(a;b).

Предположим, что функции x(t), y(t), имеют производные на (a;b) и функция x(t) имеет обратную функцию = g(х), которая также имеет производную в соответствующих точках х. Тогда определенную параметрическими уравнениями функцию у от х можно рассматривать как сложную функцию = y(t), t = g(х), – промежуточный аргумент. По правилу дифференцирования сложной функции получаем y'= y't'= y'g'xПо теореме о дифференцировании обратной функции g'. Учитывая это, получаем y'=.

Если существует у''х, то рассуждая аналогично, получаем

Вообще,  при условии, что все производные существуют.

Пример. x = cos3ty=sin3t. Вычислить у''хx'= – 3cos2t sint, y't=3sin2tcost, поэтому  . Тогда .

 

 

п. 10. Дифференцирование функций, заданных неявно

Пусть значения переменных х и у связаны уравнением

F(xy) = 0.                                                                                                        (1)

Если функция = f(x), определенная на некотором интервале (а,в), такая, что уравнение (1) при подстановке в него вместо у выражения f(x) обращается в тождество, то говорят, что уравнение (1) задает функцию = f(x) неявно или что функция = f(x) есть неявная функция.

Укажем правило нахождения производной неявной функции, не преобразовывая ее в явную, то есть не представляя в виде = f(x), так как часто это преобразование бывает технически сложным или невозможным.

Для нахождения производной у'х неявной функции, нужно продифференцировать по х обе части равенства (1), учитывая, что у есть функция от х. Затем из полученного равенства выразить у'х.

Пример 1. Вычислить у'х.

У5+ху-х= 0

Продифференцируем обе части по х. Получим 5у4у'+у+ху'-2х=0Выразим у'. y'(5у4) = 2х-у, у' = (2х-у)/(5у4).

Пример 2.                                                                                                              

tg(x+yxy

Продифференцируем обе части по х. Получим  или . Отсюда или . Окончательно .

Заметим, что производная неявной функции выражается через х и у, то есть получается равенство

y= g(xy)                                                                                                       (2)

Для вычисления второй производной неявной функции, нужно продифференцировать обе части равенства (2) по х и затем подставить выражение g(x, y) вместо y'.

Аналогично можно вычислить производные любого порядка неявной функции.

Пример. х22-1=0. Найти у''.

Продифференцируем обе части данного равенства по х, получим 2х+2уу' = 0, откуда у' = -. Продифференцируем обе части последнего равенства по х, получим  или . Подставим , вместо у'. .

 

 

п. 11. Логарифмическое дифференцирование

Функция вида = [u(x)]v(x) называется степенно – показательной. Для вычисления ее производной (при условии, что у' существует), нужно прологарифмировать функцию по любому основанию (обычно по основанию е). Затем нужно вычислить производную полученной неявной функции.

Пример. Найти производную функции = (sinx)x

Логарифмируем функцию по основанию е:ln= x lnsinx. Дифференцируем обе части равенства по х, получаем

,

отсюда  или .

Рассмотренный прием называется логарифмическим дифференцированием. Он применяется не только для вычисления производных степенно-показательных функций, но и в случаях, когда аналитическое выражение функции содержит несколько множителей.

Пример. Найти производную функции . Логарифмируя, получаем . Дифференцируем обе части полученного равенства:

, отсюда  или .