Методы решения физико-математических задач

Производная функции в точке – определения, теоремы и свойства

Определение производной функции
Определения, теоремы и свойства производной и дифференциала функции одной переменной в точке. Методы вычислений и формулы производных элементарных функций. Производные и дифференциалы высших порядков.
()(\newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arctg}{\mathop{\mathrm{arctg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arcctg}{\mathop{\mathrm{arcctg}}\nolimits})() ()(\newcommand{\sh}{\mathop{\mathrm{sh}}\nolimits})() ()(\newcommand{\ch}{\mathop{\mathrm{ch}}\nolimits})() ()(\newcommand{\th}{\mathop{\mathrm{th}}\nolimits})() ()(\newcommand{\cth}{\mathop{\mathrm{cth}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arsh}{\mathop{\mathrm{arsh}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arch}{\mathop{\mathrm{arch}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arth}{\mathop{\mathrm{arth}}\nolimits})() ()(\newcommand{\arcth}{\mathop{\mathrm{arcth}}\nolimits})() ()(\newcommand{\Im}{\mathop{\mathrm{Im}}\nolimits})()

Определение производной

Производная функции в точке
Пусть функция f(x) определена в некоторой окрестности точки x0.
Производной функции f(x) в точке x0 называется конечный предел отношения приращения функции к приращению ее аргумента, когда последний стремится к нулю:
(1)    f (x0) = limΔx → 0Δ f Δx =limΔx → 0 f (x0 + Δx) –  f (x0)Δx =limx1 → x0 f (x1) –  f (x0)x1 – x0.
Приращение аргумента функции
 f (x) в точке x0 – это разность значений аргумента в некоторой точке x1 и точке x0:
Δx = x1 – x0.
Приращение аргумента является независимой переменной.
Приращение функции
 f (x) в точке x0 – это разность значений функции в некоторой точке x1 = x0 + Δx и точке x0: Δ f  =  f (x0 + Δx) –  f (x0) = f (x1) –  f (x0).
Приращение функции является зависимой переменной. Оно зависит от x0 и Δx, или от x0 и x1.
Дифференцирование
– это процесс вычисления производной.

Обозначение производной

Производная функции y =  f (x) может обозначаться так:
y,  yx,  yx,  dydx,   f (x),  ( f (x)),  df dx (x),  Dy,  D f (x).

Односторонние производные

Правая (левая) производная функции f в точке x0
Пусть функция f(x) определена в правой окрестности точки x0. Тогда правой производной функции f в точке x0 называется правый предел
 f +(x0) = limΔx → 0 + 0Δ f Δx =limΔx → 0 + 0 f (x0 + Δx) –  f (x0)Δx =limx1 → x0 + 0 f (x1) –  f (x0)x1 – x0.
Соответственно, если функция определена в левой окрестности x0, то левой производной функции f в точке x0 называется левый предел
 f (x0) = limΔx → 0 – 0Δ f Δx =limΔx → 0 – 0 f (x0 + Δx) –  f (x0)Δx =limx1 → x0 – 0 f (x1) –  f (x0)x1 – x0.
Правую (левую) производную также называют производной справа (слева) в точке x0, или правосторонней (левосторонней) производной в точке x0.
Лемма об односторонних производных
Функция  f (x) имеет в точке x0 производную  f (x0) тогда и только тогда, когда
она имеет в этой точке производные справа и слева, и они равны:
 f +(x0) =  f (x0).
При этом
 f (x0) =  f +(x0) =  f (x0).
Доказательство
Следствие о неравных односторонних производных
Если функция  f (x) имеет в точке x0 не равные односторонние производные:
 f +(x0) ≠  f (x0),
то она не имеет производной в этой точке.
Доказательство

Дифференцируемые функции в точке

Дифференцируемая функция в точке
Пусть функция f(x) определена в некоторой окрестности точки x0.
Функция  f  называется дифференцируемой в точке x0, если ее приращение в этой точке можно представить в виде суммы линейной функции от Δx и о-малого по сравнению с Δx:
(1)   Δ f (x0, Δx) ≡  f (x0 + Δx) –  f (x0) =A(x0x + ox).
Здесь A(x0) – действительная величина, зависящая от x0, но не от Δx; A(x0) ∈ R;
ox) – о-малое по сравнению с Δx при Δx → 0. То есть
Δ f (x0, Δx) =A(x0x + ε(x0, Δx),   где limΔx → 0ε(x0, Δx)Δx = 0.
Теорема о существовании производной дифференцируемой функции
Функция  f (x) дифференцируема в точке x0 тогда и только тогда, когда
в этой точке существует производная  f (x0). При этом
Δ f (x0, Δx) ≡ f (x0 + Δx) –  f (x0) = f (x0x + ox).
Доказательство
Теорема о непрерывности дифференцируемой функции
Пусть функция  f (x) дифференцируема в точке x0.
Тогда она непрерывна в этой точке.
Доказательство
Теорема. Арифметические свойства производных
Пусть функции  f (x) и g(x) дифференцируемы в точке x0; C – постоянная.
Тогда в этой точке
( f (x) ± g(x)) =  f (x) ± g(x)   производная суммы функций
( f (x) ⋅ g(x)) =g(x) ⋅  f (x) +  f (x) ⋅ g(x)   производная произведения
( f (x)g(x)) =g(x)  f (x) –  f (x) g(x)g 2 (x),   при g(x) ≠ 0   производная частного
(Cf (x)) = C f (x)   вынесение постоянной за знак производной
Теорема. Производная сложной функции
Пусть функция t = t(x) имеет производную при некотором значении переменной x = x0, а функция y = g(t) имеет производную при значении переменной t0 = t(x0).
Тогда сложная (составная) функция y =  f (x) = g(t(x)) имеет производную в точке x0, которая определяется по формуле:
 f (x0) = g(t0) ⋅ t(x0).
Доказательство

Производную сложной функции также можно записать так:
dydx = dydt ⋅ dtdx.

Дифференциал функции в точке

Определение

Дифференциал функции в точке
Пусть функция y =  f (x) дифференцируема в некоторой точке x0.
Тогда ее приращение в этой точке можно представить в виде суммы линейной функции от приращения ее аргумента Δx и бесконечно малой функции по сравнению с Δx:
Δ f (x0, Δx) ≡ f (x0 + Δx) –  f (x0) = f (x0x + ox).
Дифференциалом df  функции  f (x) в точке x0 называется главная линейная часть приращения функции, соответствующая приращению Δx независимой переменной x:
df  =  f (x0x.
То есть это приращение функции, в котором опущены слагаемые, содержащие бесконечно малые величины по сравнению с приращением аргумента Δx.
Дифференциал в точке x обозначается как dy,  df  или df (x), и является функцией двух переменных: x и Δx. Он также называется дифференциалом первого порядка или первым дифференциалом.
Дифференциал независимой переменной
– это приращение аргумента функции:
dx = Δx.
Он является независимой переменной.

Дифференциал функции y =  f (x) в точке x можно записать в одной из следующих форм.
df (x) =  f (x) dx;
df  =  f (x) dx;
dy =  f (x) dx;
dy = dydx dx.

Что такое дифференциал функции? В чем суть дифференциала?
Дифференциал функции в точке – это приращение функции в точке, в котором отброшены о - малые функции по сравнению с приращением независимой переменной, при ее стремлении к нулю.
Первый дифференциал функции – это выражение, в котором оставлена только линейная часть приращения независимой переменной.
Также говорят, что
Дифференциалы – это бесконечно малые приращения.

Свойства

Теорема. Арифметические свойства дифференциалов
Пусть функции  f (x) и g(x) дифференцируемы в точке x0; C – постоянная.
Тогда в этой точке
d( f (x) ± g(x)) = df (x) ± dg(x)   (дифференциал суммы функций);
d( f (x) ⋅ g(x)) =g(x) ⋅ df (x) +  f (x) ⋅ dg(x)   (дифференциал произведения);
d( f (x)g(x)) =g(x) df (x) –  f (x) dg(x)g 2 (x),   при g(x) ≠ 0   (дифференциал частного).
Постоянный множитель можно выносить из-под знака дифференциала:
d(Cf (x)) = Cdf (x).
Доказательство
Теорема. Инвариантность формы первого дифференциала
Пусть функцию y =  f (x) можно представить как сложную: y = g(t(x)).
При этом функция t(x) имеет производную в точке x0, а функция g имеет производную в точке t0 = t(x0).
Тогда дифференциал первого порядка функции, выраженный через переменную x имеет ту же форму, что и дифференциал, выраженный через переменную t:
dy =  f x (x0) dx = gt (t0) dt.
Эту формулу можно записать так:
dy = dydx dx = dydt dt.
Доказательство

Геометрический смысл производной и дифференциала

Геометрический смысл производной
Геометрический смысл производной
1. Если существует конечная производная функции  f (x) в точке x = x0,
то она равна тангенсу угла между осью абсцисс x и наклонной касательной, проведенной к графику функции в точке x0. При этом угол считается положительным, если график касательной возрастает; угол отрицательный – если убывает. Другими словами, производная функции в точке x0 равна угловому коэффициенту касательной графика функции в точке x0, а уравнение касательной имеет вид:
y =  f (x0) +  f (x0)(x – x0).
2. Если производная функции  f (x) в точке x = x0 равна бесконечности:  f (x0) = ∞,
то в этой точке график имеет вертикальную касательную, описываемую уравнением
x = x0.
Доказательство
Геометрический смысл дифференциала функции
Дифференциал функции в точке x0 – это приращение ординаты касательной, проведенной к графику в этой точке.
Геометрический смысл дифференциала
Если существует конечная производная функции y =  f (x) в точке x = x0,
то дифференциал dy функции в точке x0 – это приращение ординаты касательной, проведенной к графику функции в точке x0, соответствующее приращению аргумента Δx.
Дифференциал dx независимой переменной x – это приращение аргумента функции: dx = Δx.
Доказательство

Методы вычисления производных

Пусть u,  v – функции от x; и пусть они имеют производную в точке x0; C – постоянная, не зависящая от x величина.

Тогда в точке x0 имеют место следующие формулы.
(u ± v) = u ± v   суммы и разности
(uv) = uv + uv   произведения
(uv) (n) = nΣk = 0n!(n – k)!k! u (n – k) v (k)   формула Лейбница
(uv) = uv – uvv 2,   при v(x) ≠ 0   дроби
C = 0;  (Cu) = Cu   постоянной
d(u ± v) = du ± dv
d(u ⋅ v) = vdu + udv
d(uv) = vdu – udvv 2,   при v(x) ≠ 0
dC = 0;  d(Cu) = Cdu
dydx = dydu ⋅ dudx,   где y =  f (x) = g(u(x))   сложной функции
dydx = 1dxdy   обратной функции
( ln y) = 1y y;   y = y( ln y)   логарифмическая производная
(uv) = vuv – 1 u + uv v ln u   степенно-показательной функции
Пусть x = x(t);  y = y(t). Тогда
dydx = dydtdxdt   производная функции, заданной параметрическим способом
Пусть зависимость y от x задана уравнением   F(x, y) = 0.
Тогда
dydx = – FxFy   неявной функции

Производные элементарных функций

Теорема о производных элементарных функций

Далее C и a являются постоянными.
(C) = 0
(xa) = axa – 1   степенной функции
(ex) = ex;
(ax) = ax ln a   экспоненты и показательной функции
( ln x) = 1x;     ( ln | x |  ) = 1x
( loga x) = 1x ln a;     ( loga | x |  ) = 1x ln a   логарифма
( sin x) = cos x   синуса
( cos x) = –sin x   косинуса
( tg x) = 1cos 2 x   тангенса
( ctg x) = – 1sin 2 x   котангенса
( arcsin x) = 1 1 – x 2
( arccos x) = – 1 1 – x 2   арксинуса и арккосинуса
( arctg x) = 11 + x 2
( arcctg x) = – 11 + x 2   арктангенса и арккотангенса
( sh x) = ch x
( ch x) = sh x
( th x) = 1ch 2 x
( cth x) = – 1sh 2 x
( arsh x) = ( ln(x + x 2 + 1 )) =1x 2 + 1 
( arch x) = ( ln(x ± x 2 – 1 )) = ± 1x 2 – 1 
( arth x) = (  12 ln 1 + x1 – x  ) =11 – x 2
( arcth x) = (  12 ln x + 1x – 1  ) =11 – x 2

Производные и дифференциалы высших порядков

Производные высших порядков

Определение

Поскольку производная  f (x) сама является функцией от переменной x, то можно дать определение производной от производной, которая называется производной второго порядка.

Производная второго порядка функции
Пусть для функции  f (x), в окрестности некоторой точки x0, определена ее производная  f (x). И пусть  f (x) имеет производную в этой точке.
Второй производной функции  f (x) в точке x0 называется производная от первой производной в этой точке:
 f ′′(x0) = limΔx → 0 f (x0 + Δx) –  f (x0)Δx.
Вторую производную также называют производной второго порядка функции.
Производная n-го порядка функции
Пусть для функции  f (x), в окрестности некоторой точки x0, определена ее n–1-я производная  f  (n – 1) (x). И пусть функция  f  (n – 1) (x) имеет производную в этой точке.
n-й производной функции  f (x) в точке x0 называется производная от n-1-й производной в этой точке:
 f  (n) (x0) =limΔx → 0 f  (n – 1) (x0 + Δx) –  f  (n – 1) (x0)Δx.
n-ю производную также называют производной n-го порядка функции или производной порядка n функции.

Обозначения

Производная функции y =  f (x) второго порядка в точке x может обозначаться так:
y′′,  y′′xx,  yxx,  d 2 ydx 2,   f ′′(x),  d 2  f dx 2 (x).
Третьего порядка:
y′′′,  y′′′xxx,  yxxx,  d 3 ydx 3,   f ′′′(x),  d 3  f dx 3 (x).
Для производных более высоких порядков вместо штрихов используются римские цифры. Например, для четвертого порядка:
yIV,  d 4 ydx 4,   f IV (x),  d 4  f dx 4 (x).
Для произвольного n-го порядка:
y (n),  dn ydxn,   f  (n) (x),  dn  f dxn (x).

При этом стоит иметь в виду, что обозначение dn ydxn является принятым сокращением, под которым подразумевают следующее:
dn ydxn ≡ dn y(dx)n ≡ (ddx)n y ≡ddx(ddx(⋅ ⋅ ⋅(dydxnраз)⋅ ⋅ ⋅)).

Арифметические свойства

Здесь  f ,  f 1,  f 2, . . . f m – функции, зависящие от переменной x; C – постоянная.

Производная суммы и разности:
( f 1 ±  f 2) (n) =  f  (n)1 ±  f  (n)2.
Вынесение постоянной за знак производной:
(Cf ) (n) = Cf  (n).
Производная произведения (формула Лейбница)
( f 1 ⋅  f 2) (n) =nΣk = 0n!(n – k)!k!  f  (n – k)1  f  (k)2 = f  (n)1 + nf  (n – 1)1  f 2 +n(n – 1)2  f  (n – 2)1  f ′′2 + ⋅ ⋅ ⋅ +  f  (n)2.
Производная произведения m функций:
( f 1 ⋅  f 2 ⋅ ⋅ ⋅ f m) (n) =ΣΣ ki = nn!k1 !k2 !⋅ ⋅ ⋅km !  f  (k1)1 ⋅  f  (k2)2 ⋅ ⋅ ⋅ f  (km)m.
Суммирование ведется по всем возможным целым неотрицательным значениям k1, k2, . . .km, сумма которых равна n.

Производные высших порядков элементарных функций

(ax) (n) = ax  lnn a   показательной функции
( ln x) (n) = (–1)n – 1 (n – 1)!xn   натурального логарифма
(xm) (n) = m (m – 1) ...   (m – n + 1) xm – n   степенной функции
( sin x) (n) = sin(x + 2)   синуса
( cos x) (n) = cos(x + 2)   косинуса
y (n) = [( 1 + y 2)ddy  ]n y, где y = tg x   тангенса
y (n) = (–1)n[( 1 + y 2)ddy  ]n y, где y = ctg x   котангенса
(arcsin x) (n) = pn (x)( 1 – x 2)n – 12,
где pn (x) – многочлен степени n – 1. Он определяется по формулам:
p2m + 1 (x) =A[1 + mΣk = 1(m!) 2(2k)!( (m – k)! ) 2 (2x) 2k];
p2m (x) = Ax[1 +m – 1Σk = 1((m – 1)!) 2(2k + 1)!( (m – k – 1)! ) 2 (2x) 2k].
Здесь A = [1 ⋅ 3 ⋅ 5⋅ ⋅ ⋅(2m – 1)] 2 ≡[(2m – 1)!!] 2
(arccos x) (n) = –(arcsin x) (n)   арксинуса и арккосинуса
(arctg x) (n) = (–1)n + 1  (n – 1)! ⋅ Im (x + i)n(1 + x 2)n
(arcctg x) (n) = –(arctg x) (n) = (–1)n  (n – 1)! ⋅ Im (x + i)n(1 + x 2)n   арктангенса и арккотангенса

Дифференциалы высших порядков

Определение

Дифференциал n-го порядка функции в точке
Пусть функция y =  f (x) n раз дифференцируема в точке x0.
Дифференциалом n-го порядка dn  f  функции в точке x0 называется дифференциал от дифференциала n – 1 - го порядка в этой точке при следующих ограничениях.
1. Считается, что дифференциал n – 1 - го порядка является функцией, зависящей только от одной переменной – аргумента функции x. То есть дифференциал независимой переменной dx рассматривается как постоянная.
2. Приращение аргумента δx приравнивается к приращению аргумента dx дифференциала n – 1-го порядка.
Дифференциал n-го порядка также называют n-м дифференциалом функции в точке. Он обозначается одним из способов:
dn y ≡ dn  f  ≡ dn  f (x0),
и определяется по формуле:
(2.4)   dn y =  f  (n) (x0)(dx)n ≡  f  (n) (x0)dxn.

Значение выражения dxn зависит от контекста, в котором оно применяется.
Если оно применяется при вычислении n - го дифференциала, то
dxn ≡ (dx)n.
Если это первый дифференциал функции  f (x) = xn, то
dxn ≡ d(xn) = (xn)dx = nxn – 1 dx.

Свойства

Арифметические свойства дифференциалов высших порядков
Здесь  f ,  f 1,  f 2, . . . f m – дифференцируемые функции в точке x; C – постоянная.
Дифференциал суммы и разности.
dn ( f 1 ±  f 2) = dn  f 1 + dn  f 2.
Вынесение постоянной за знак дифференциала.
dn (Cf ) = Cdn  f .
Дифференциал произведения двух функций.
dn ( f 1 ⋅  f 2) =dn  f 1 ⋅  f 2 + ndn – 1  f 1 ⋅ df 2 +n(n – 1)2! dn – 2  f 1 ⋅ d 2  f 2 + ⋅ ⋅ ⋅ +
n!(n – k)!k! dn – k  f 1 ⋅ dk  f 2 + ⋅ ⋅ ⋅ + f 1 ⋅ dn  f 2.
Дифференциал произведения m функций.
dn ( f 1 ⋅  f 2 ⋅ ⋅ ⋅ f m) =ΣΣ ki = nn!k1 !k2 !⋅ ⋅ ⋅km ! dk1 f 1 ⋅ dk2 f 2 ⋅ ⋅ ⋅dkm f m.
Суммирование ведется по всем возможным целым значениям k1, k2, . . .km, сумма которых равна n, и каждое из которых заключено в пределах 0 ≤ ki ≤ n.

Связь дифференциалов с формулой Тейлора
Δ f  = df  + 12! d 2  f  + 13! d 3  f  + ⋅ ⋅ ⋅ + 1n! dn  f  + ⋅ ⋅ ⋅.
Здесь Δ f  =  f (x0 + Δx) –  f (x0) – приращение функции в точке x0;
dx = Δx – дифференциал независимой переменной, который по определению является ее приращением.

Теорема. Не инвариантность формы дифференциала высшего порядка
Пусть функцию y =  f (x) можно представить как сложную: y = g(t(x)).
При этом функции  f , t и g дифференцируемы n раз в точках x0, x0 и t0 = t(x0), соответственно.
И пусть n > 1.
Тогда форма дифференциала n - го порядка функции, выраженной через переменную x, при n > 1, не совпадает с формой дифференциала этого же порядка, выраженного через переменную t:
dn y = dn ydxn (dx)n ≠ dn ydtn (dt)n.
Доказательство

Использованная литература:
О.И. Бесов. Лекции по математическому анализу. Часть 1. Москва, 2004.
А.М. Тер-Крикоров, М.И. Шабунин. Курс математического анализа. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2001.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню