Методы решения физико-математических задач

Производные элементарных функций. Доказательство теоремы

Производные элементарных функций
Доказательство теоремы о производных элементарных функций. Доказательство основывается на методах вычисления пределов функций и правилах дифференцирования.
Содержание
См. также:
()( \newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits} )() ()( \newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits} )() ()( \newcommand{\arctg}{\mathop{\mathrm{arctg}}\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} )()

Теорема. Производные элементарных функций

Элементарные функции, перечисленные ниже, каждая на своей области определения, имеют производные, которые определяются по приведенным ниже формулам.
1) (C) = 0, где C – постоянная, C = const;
2) (ax) = ax ⋅ ln a,  a > 0,  a ∈ R;
3) (ex) = ex;
4.1) (loga x) = 1x ln a,  a > 0,  a ≠ 1,  x > 0;
4.2) (loga | x | ) = 1x ln a,  a > 0,  a ≠ 1,  x ≠ 0;
5.1) (ln x) = 1x,  x > 0;
5.2) (ln | x | ) = 1x,  x ≠ 0;
6) (xa) = axa – 1,  a ∈ R,  x > 0;
7) (xn) = nxn – 1,  n ∈ N,  n > 1,  x ∈ R;
8) (x) = 1,  x ∈ R;
9) (sin x) = cos x,   (cos x) = –sin x;
10) (tg x) = 1cos 2 x,   (ctg x) = – 1sin 2 x;
11) (arcsin x) = 1 1 – x 2,   (arccos x) = – 1 1 – x 2;
12) (arctg x) = 11 + x 2,   (arcctg x) = – 11 + x 2;
13) (sh x) = ch x,  (ch x) = sh x;
14) (th x) = 1ch 2 x,   (cth x) = – 1sh 2 x;
15) (arsh x) = 1x 2 + 1 ,   (arch x) = 1x 2 – 1 ;
16) (arth x) = 11 – x 2,   (arcth x) = – 1x 2 – 1.

Доказательство

Все, что нам требуется сделать – это вычислить предел:
(1)    f (x) = limΔx → 0 f (x + Δx) –  f (x)Δx,
где  f (x) – одна из элементарных функций. Заметим, что функция за знаком предела зависит от двух переменных, x и Δx:
(2)    f (x + Δx) –  f (x)Δx = F(x,  Δx).
Сама элементарная функция  f (x) и ее производная  f (x) зависят только от одной переменной x. Функция F(x,  Δx), определяемая по формуле (2), зависит от двух переменных. Но при вычислении производной, мы считаем, что переменная x принимает произвольное фиксированное значение, принадлежащее области определения функции. То есть мы считаем, что x является постоянной. Таким образом мы вычисляем предел от функции одной переменной:
(3)   φx) = F(x,  Δx), где x = const.

Для вычислений таких пределов нам нужно знать свойства элементарных функций. Они приводятся в разделе «Основные элементарные функции и их свойства». Доказательство свойств приводится в разделе «Непрерывность функций». Также нам нужно уметь вычислять пределы. Применяемые при этом методы изложены в разделе «Методы вычисления пределов функций и раскрытия неопределенностей». И наконец, нужно знать правила вычисления производных. См. «Правила дифференцирования».

1) Производная постоянной функции

Докажем, что производная постоянной функции равна нулю:
(C) = 0, где C – постоянная, C = const.
Пусть  f (x) = C – постоянная функция. Ее значения определены для всех x и не зависят от переменной x. Поэтому
φx) =  f (x + Δx) –  f (x)Δx =C – CΔx = 0, при Δx ≠ 0.
Таким образом, функция φx) определена для всех значений переменной Δx, кроме точки Δx = 0. Она является постоянной, равной нулю, φx) = 0, на всей области определения – то есть в любой проколотой окрестности точки Δx = 0. Тогда согласно теореме о пределе постоянной функции,
(C) = limΔx → 0 φx) = 0.

2) Производная показательной функции

Докажем, что производная показательной функции пропорциональна самой функции:
(ax) = ax ⋅ ln a,  a > 0,  a ∈ R.

Воспользуемся свойствами показательной функции:
ax + Δx – ax = ax ⋅ a Δx – ax =ax (a Δx – 1).
Применим следствие второго замечательного предела, согласно которому limΔx → 0a Δx – 1Δx = ln a:
(ax) = limΔx → 0ax + Δx – axΔx =limΔx → 0(ax ⋅ a Δx – 1Δx) =ax ⋅ limΔx → 0a Δx – 1Δx = ax ⋅ ln a.
Здесь мы также воспользовались арифметическими свойствами предела функции.

3) Производная экспоненты

Докажем, что производная экспоненты равна самой экспоненте:
(ex) = ex.

Для доказательства, подставим в формулу производной показательной функции, значение основания степени, равного числу e. Также воспользуемся тем, что ln e ≡ loge e = 1:
(ex) = ex ⋅ ln e = ex ⋅ 1 = ex.

Среди всех показательных функций (с различными значениями основания a), производная экспоненты имеет наиболее простой вид. Многие вычисления в математическом анализе оказываются более простыми, если в качестве основания показательной функции использовать число e. Поэтому в математическом анализе, показательную функцию стремятся привести к основанию e, то есть к экспоненте.

4.1) Производная логарифма

Докажем, что
(loga x) = 1x ln a,  a > 0,  a ≠ 1,  x > 0.

Воспользуемся свойствами логарифма:
loga (x + Δx) – loga x = logax + Δxx = loga( 1 + Δxx).
Преобразуем отношение приращения функции к приращению ее аргумента:
loga (x + Δx) – loga xΔx =loga( 1 + Δxx)Δx =1x ⋅ loga( 1 + Δxx)Δx / x.
Сделаем подстановку t = Δx / x, и применим следствие второго замечательного предела, согласно которому   limt → 0loga (1 + t)t = 1ln a:
(loga x) =limΔx → 0loga (x + Δx) – loga xΔx =limΔx → 0(  1x ⋅ loga( 1 + Δxx)Δx / x) =
limt → 0(  1x ⋅ loga (1 + t)t) =1x ⋅ limt → 0loga (1 + t)t =1x ⋅ 1ln a = 1x ln a.
Здесь мы также воспользовались арифметическими свойствами предела функции.

4.2) Производная логарифма модуля

Докажем часто используемую формулу:
(loga | x | ) = 1x ln a,  a > 0,  a ≠ 1,  x ≠ 0.

Рассмотрим функцию  f (x) = loga | x |  как сложную, составленную из двух функций:
 f (x) = g(t(x)),  g(t) = loga t,  t = t(x) = | x | .
Найдем производную модуля x.
При x > 0,  t(x) = | x |  = x;  t(x) = limΔx → 0x + Δx – xΔx =limΔx → 0ΔxΔx = 1.
При x < 0,  t(x) = | x |  = –x;  t(x) = –limΔx → 0x + Δx – xΔx = –limΔx → 0ΔxΔx = –1.
Тогда t(x) = ( | x | ) =  | x | x,  x ≠ 0.
Применяем формулу производной сложной функции:
(loga | x | ) = gt(t) ⋅ tx(x) =1t ln a ⋅  | x | x =1 | x | ln a ⋅  | x | x = 1x ln a.

5) Производная натурального логарифма

Натуральный логарифм – это логарифм с основанием, равным числу e. Подставляя в формулы 4.1) и 4.2) a=e, имеем:
(ln x) = 1x ln e = 1x ⋅ 1 = 1x,  x > 0;
(ln | x | ) = 1x ln e = 1x ⋅ 1 = 1x,  x ≠ 0.

6) Производная степенной функции

Докажем, что
(xa) = axa – 1,  a ∈ R,  x > 0.

Для доказательства, представим степенную функцию как сложную, составленную из экспоненты и натурального логарифма:
 f (x) = xa = (e ln x)a = ea ln x;
или  f (x) = g(t(x)),  g(t) = et,  t = t(x) = a ln x.
Применяем правило дифференцирования сложной функции:
 f (x) = gt(t) ⋅ tx(x) = (et)t ⋅ (a ln x)x =et ⋅ a(ln x)x = aet ⋅ 1x =
aea ln x ⋅ 1x = a(e ln x)a ⋅ 1x =axa ⋅ 1x = axa – 1.
Здесь мы воспользовались свойствами степенной функции и правилом вынесения постоянной за знак производной, согласно которому (a ln x) = a(ln x).

7) Производная степенной функции с натуральным показателем степени

В предыдущем пункте мы считали, что показатель степени a является действительным числом, а переменная x больше нуля. Но если a является натуральным (a = 1, 2, 3,...), то степенная функция определена для всех действительных x. Докажем, что и в этом случае, производная степенной функции определяется по той же формуле, что и для действительных значений показателя степени:
(xn) = nxn – 1,  n ∈ N,  n > 1,  x ∈ R.
Случай линейной функции с n = 1 рассмотрен ниже, поскольку при x = 0 и n = 1, приведенная формула приводит к неопределенному значению 0 0.

Пусть x ≠ 0,  n > 1. Используем формулу бинома Ньютона:
(a + b)n = an + nan – 1 b +n!2!(n – 2)! an – 2 b 2 + ⋅ ⋅ ⋅.
Тогда (x + Δx)n =xn + nxn – 1 Δx + ox),
где ox) = n!2!(n – 2)! xn – 2 (Δx) 2 +n!3!(n – 3)! xn – 3 (Δx) 3 + ⋅ ⋅ ⋅.
(xn) = limΔx → 0(x + Δx)n – xnΔx =limΔx → 0xn + nxn – 1 Δx + ox) – xnΔx =
limΔx → 0nxn – 1 Δx + ox)Δx =limΔx → 0(nxn – 1 + ox)Δx) =
nxn – 1 + limΔx → 0ox)Δx =nxn – 1 + 0 = nxn – 1.

Выше мы предполагали, что x ≠ 0,  n > 1. Теперь рассмотрим случай x = 0,  n > 1.
(xn)|x = 0 =limΔx → 0(  (x + Δx)n – xnΔx|x = 0) =limΔx → 0(0 + Δx)n – 0nΔx =
limΔx → 0x)n – 1 = 0n – 1 = 0 = n ⋅ 0n – 1.

Таким образом и при x ≠ 0, и при x = 0, производная определяется по одной и той же формуле: (xn) = nxn – 1.

8) Производная линейной функции

Докажем, что производная линейной функции  f (x) = x равна единице:
(x) = 1,  x ∈ R.

(x) =limΔx → 0x + Δx – xΔx = limΔx → 0ΔxΔx.
Функция φx) = ΔxΔx определена для всех значений аргумента, кроме точки Δx = 0. При Δx ≠ 0, φx) = 1, то есть является постоянной. Применяем теорему о пределе постоянной функции:
(x) = limΔx → 0ΔxΔx = 1.

9) Производные синуса и косинуса

Докажем, что производная синуса равна косинусу:
(sin x) = cos x.

Преобразуем приращение функции синус, применяя формулы тригонометрии:
cos Δx – 1 = 1 – 2 sin 2Δx2 – 1 = –2 sin 2Δx2;
sin(x + Δx) – sin x = sin x cos Δx + cos x sin Δx – sin x =
 sin x(cos Δx – 1) + cos x sin Δx = –2 sin x sin 2Δx2 + cos x sin Δx.
Выписываем отношение приращения функции синус к приращению ее аргумента и выполняем преобразования:
sin(x + Δx) – sin xΔx = –2 sin xsin 2Δx2Δx + cos xsin ΔxΔx =
 –sin x ⋅ Δx2 ⋅ (sin Δx2Δx2) 2 + cos xsin ΔxΔx.
Применяем арифметические свойства предела функции и первый замечательный предел: (sin x) =limΔx → 0sin(x + Δx) – sin xΔx =
 –sin x ⋅ (limΔx → 0Δx2  ) ⋅(limΔx → 0sin Δx2Δx2  ) 2 + cos x ⋅ limΔx → 0sin ΔxΔx =
 –sin x ⋅ 0 ⋅ 1 2 + cos x ⋅ 1 = cos x.

Аналогичным образом докажем, что производная косинуса равна минус синусу:
(cos x) = –sin x.

cos Δx – 1 = 1 – 2 sin 2Δx2 – 1 = –2 sin 2Δx2;
cos(x + Δx) – cos x = cos x cos Δx – sin x sin Δx – cos x =
 cos x(cos Δx – 1) – sin x sin Δx = –2 cos x sin 2Δx2 – sin x sin Δx;
cos(x + Δx) – cos xΔx = –2 cos xsin 2Δx2Δx – sin xsin ΔxΔx =
 –cos x ⋅ Δx2 ⋅ (sin Δx2Δx2) 2 – sin xsin ΔxΔx;
(cos x) =limΔx → 0cos(x + Δx) – cos xΔx =
 –cos x ⋅ (limΔx → 0Δx2  ) ⋅(limΔx → 0sin Δx2Δx2  ) 2 – sin x ⋅ limΔx → 0sin ΔxΔx =
 –cos x ⋅ 0 ⋅ 1 2 – sin x ⋅ 1 = –sin x.

10) Производные тангенса и котангенса

Докажем формулы производных тангенса и котангенса:
(tg x) = 1cos 2 x,   (ctg x) = – 1sin 2 x.
Для доказательства выразим эти функции через синус и косинус (см. «Тангенс и котангенс – свойства, графики, формулы»). Далее применим формулу производной дроби.

При cos x ≠ 0 имеем:
(tg x) = (sin xcos x) =(sin x) cos x – sin x(cos x)cos 2 x =
cos x ⋅ cos x + sin x ⋅ sin xcos 2 x =cos 2 x + sin 2 xcos 2 x = 1cos 2 x.

При sin x ≠ 0 имеем:
(ctg x) = (cos xsin x) =(cos x) sin x – cos x(sin x)sin 2 x =
–sin x ⋅ sin x – cos x ⋅ cos xsin 2 x = – sin 2 x + cos 2 xsin 2 x = – 1sin 2 x.

11) Производные арксинуса и арккосинуса

Докажем формулу производной арксинуса:
(arcsin x) = 1 1 – x 2.

Арксинус является функцией, обратной к синусу. При – π2 ≤ y ≤ π2   и   –1 ≤ x ≤ 1 имеют место следующие соотношения (см. «Арксинус, арккосинус – свойства, графики, формулы»):
y = arcsin x,  x = sin y.
Производную синуса мы знаем:
dxdy = (sin y)y = cos y.
Применяем теорему о производной обратной функции:
(arcsin x) = dydx = 1dxdy = 1cos y.
Используем соотношение: cos 2 y + sin 2 y = 1. Отсюда cos y = ±  1 – (sin y) 2. Поскольку при – π2 ≤ y ≤ π2,   cos y ≥ 0, то
cos y = +  1 – (sin y) 2 =  1 – x 2. Тогда
(arcsin x) = 1cos y = 1 1 – x 2.

Аналогичным способом докажем формулу производной арккосинуса:
(arccos x) = – 1 1 – x 2.

При 0 ≤ y ≤ π   и   –1 ≤ x ≤ 1 имеем:
y = arccos x,  x = cos y;
dxdy = (cos y)y = –sin y;
(arccos x) = dydx = 1dxdy = – 1sin y.
Поскольку при 0 ≤ y ≤ π,   sin y ≥ 0, то
sin y = +  1 – (cos y) 2 =  1 – x 2. Тогда
(arccos x) = – 1sin y = – 1 1 – x 2.

Заметим, что формулу для арккосинуса можно было доказать, используя формулу:
arcsin x + arccos x = π2.

12) Производные арктангенса и арктангенса

Докажем формулу производной арктангенса:
(arctg x) = 11 + x 2.

Арктангенс является функцией, обратной к тангенсу. При – π2 < y < π2   и   –∞ < x < +∞ имеют место следующие соотношения (см. «Арктангенс, арккотангенс – свойства, графики, формулы»):
y = arctg x,  x = tg y.
Производную тангенса мы знаем:
dxdy = (tg y)y = 1cos 2 y.
Применяем теорему о производной обратной функции:
(arctg x) = dydx = 1dxdy = cos 2 y.
Используем соотношение: cos 2 y + sin 2 y = 1. Тогда
1(arctg x) = 1cos 2 y =cos 2 y + sin 2 ycos 2 y = 1 + (sin ycos y) 2 = 1 + (tg y) 2 = 1 + x 2;
(arctg x) = 11 + x 2.

Аналогичным способом докажем формулу производной арккотангенса:
(arcctg x) = – 11 + x 2.

При 0 < y < π   и   –∞ < x < +∞ имеем:
y = arcctg x,  x = ctg y;
dxdy = (ctg y)y = – 1sin 2 y;
(arcctg x) = dydx = 1dxdy = –sin 2 y;
1(arcctg x) = – 1sin 2 y = – sin 2 + cos 2 ysin 2 y = –1 – (cos ysin y) 2 =
 –1 – (ctg y) 2 = –1 – x 2;
(arcctg x) = – 11 + x 2.

Формулу для арккотангенса также можно доказать, используя соотношение:
arctg x + arcctg x = π2.

13) Производные гиперболического синуса и гиперболического косинуса

Докажем, что производная гиперболического синуса равна гиперболическому косинусу:
(sh x) = ch x.

Согласно определению гиперболического синуса,
sh x = 12 (ex – e –x).
Применяем правила дифференцирования:
(sh x) = 12 ((ex) – (e –x)) =12(ex – de (–x)d(–x) ⋅ d(–x)dx) =12(ex – e –x ⋅ (–1) ) =
12 (ex + e –x) = ch x.

Аналогичным образом доказываем, что производная гиперболического косинуса равна гиперболическому синусу:
(ch x) = sh x.

Согласно определению гиперболического косинуса,
ch x = 12 (ex + e –x).
Применяем правила дифференцирования:
(ch x) = 12 ((ex) + (e –x)) =12(ex + de (–x)d(–x) ⋅ d(–x)dx) =12(ex + e –x ⋅ (–1) ) =
12 (ex – e –x) = sh x.

14) Производные гиперболического тангенса и гиперболического котангенса

Докажем формулы производных гиперболического тангенса и гиперболического котангенса:
(th x) = 1ch 2 x,   (ctg x) = – 1sh 2 x.
Для доказательства выразим эти функции через гиперболические синус и косинус (см. «Определения гиперболических функций»), и применим формулу производной дроби.

(th x) = (sh xch x) =(sh x) ch x – sh x(ch x)ch 2 x =
ch x ⋅ ch x – sh x ⋅ sh xcos 2 x =ch 2 x – sh 2 xch 2 x = 1ch 2 x.

При x ≠ 0 имеем:
(cth x) = (ch xsh x) =(ch x) sh x – ch x(sh x)sh 2 x =
sh x ⋅ sh x – ch x ⋅ ch xsin 2 x = – ch 2 x – sh 2 xsh 2 x = – 1sh 2 x.

15) Производные гиперболического арксинуса и гиперболического арккосинуса

Докажем формулу производной гиперболического арксинуса:
(arsh x) = 1x 2 + 1 .

Для этого воспользуемся свойствами обратных гиперболических функций. Для действительных x и y имеют место следующие соотношения:
y = arsh x,  x = sh y.
Производную гиперболического синуса мы знаем:
dxdy = (sh y)y = ch y.
Применяем теорему о производной обратной функции:
(arsh x) = dydx = 1dxdy = 1ch y.
Используем соотношение: ch 2 y – sh 2 y = 1. Отсюда ch y = ±  1 + (sh y) 2. Поскольку ch y ≥ 1, то
ch y = +  1 + (sh y) 2 =  1 + x 2. Тогда
(arsh x) = 1ch y = 1 1 + x 2.

Аналогичным способом докажем формулу производной гиперболического арккосинуса:
(arch x) = 1x 2 – 1 .

При y ≥ 0   и   x ≥ 1 имеем:
y = arch x,  x = ch y;
dxdy = (ch y)y = sh y;
(arch x) = dydx = 1dxdy = 1sh y.
Поскольку при y ≥ 0,   sh y ≥ 0, то
sh y = +  (ch y) 2 – 1  = x 2 – 1 . Тогда
(arch x) = 1sh y = 1x 2 – 1 .

16) Производные гиперболического арктангенса и гиперболического арктангенса

Докажем формулу производной гиперболического арктангенса:
(arth x) = 11 – x 2.

Гиперболический арктангенс является функцией, обратной к гиперболическому тангенсу. При –∞ < y < +∞   и   –1 < x < 1 имеют место следующие соотношения (см. «Обратные гиперболические функции, их графики и формулы»):
y = arth x,  x = th y.
Производную гиперболического тангенса мы знаем:
dxdy = (th y)y = 1ch 2 y.
Применяем теорему о производной обратной функции:
(arth x) = dydx = 1dxdy = ch 2 y.
Используем соотношение: ch 2 y – sh 2 y = 1. Тогда
1(arth x) = 1ch 2 y =ch 2 y – sh 2 ych 2 y = 1 – (sh ych y) 2 = 1 – (th y) 2 = 1 – x 2;
(arth x) = 11 – x 2.

Аналогичным способом докажем формулу производной гиперболического арккотангенса:
(arcth x) = – 1x 2 – 1.

При y ≠ 0   и    | x |  > 1 имеем:
y = arcth x,  x = cth y;
dxdy = (cth y)y = – 1sh 2 y;
(arcth x) = dydx = 1dxdy = –sh 2 y;
1(arcth x) = – 1sh 2 y = – ch 2 y – sh 2 ysh 2 y =  – (ch ysh y) 2 + 1 =
  – (cth y) 2 + 1 = –x 2 + 1;
(arcth x) = – 1x 2 – 1.

Теорема доказана.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню