Методы решения физико-математических задач

Теорема о производной обратной функции

Производная обратной функции с примером
Приводится доказательство теоремы о производной обратной функции. Приводятся примеры применения этой теоремы.

Теорема

Пусть функция
(1)   y =  f (x)
непрерывна и строго монотонна в некоторой окрестности точки x0. И пусть в этой точке x = x0 существует отличная от нуля производная  f (x0) ≠ 0. Тогда обратная функция
(2)   x =  f  –1 (y)
имеет в точке y0 =  f (x0) производную, равную обратной величине производной исходной функции:
(3)   ( f  –1)(y0) = 1 f (x0).

Разумеется, можно использовать любые обозначения для переменных. Так, вместо (3) можно написать так:
( f  –1)(y) = 1 f (x).
При этом функция  f (x) должна быть непрерывной и строго монотонной в окрестности точки x. Формулу (3) можно записать через дифференциалы. Тогда она примет наиболее простой вид:
(4)   dxdy = 1dydx.

Доказательство

1. Поскольку функция y =  f (x) непрерывна и строго монотонна в некоторой окрестности U(x0) точки x0, то согласно теореме о существовании и непрерывности обратной функции на интервале, существует такая окрестность точки y0 =  f (x0), на которой определена обратная функция x =  f  –1 (y), которая непрерывна и строго монотонна на этой окрестности.

Приращения переменных, связанных строго монотонной функцией
Приращения переменных, связанных строго монотонной функцией f.

2. Возьмем точку x1, расположенную в рассматриваемой окрестности U(x0). Ее образ обозначим как y1 =  f (x1). Вводим новые переменные Δx и Δy, называемые приращениями переменных: Δx = x1 – x0;  Δy = y1 – y0. Выпишем все используемые обозначения, связанные с отображением точек (x0,  y0) и(x1,  y1) функцией f и обратной к ней функции f–1:
(5)   y0 =  f (x0);  y1 =  f (x1);   Δx = x1 – x0;
(6)   x0 =  f  –1 (y0);   x1 =  f  –1 (y1);    Δy = y1 – y0.

Используем очевидное алгебраическое соотношение:
(7)   ΔxΔy = 1ΔyΔx;  Δx ≠ 0,  Δy ≠ 0.
Как отмечено, оно выполняется при Δx ≠ 0 и Δy ≠ 0. Преобразуем отношение приращения обратной функции к приращению ее аргумента, используя (7) и обозначения (5) и (6):
 f  –1 (y0 + Δy) –  f  –1 (y0)Δy = f  –1 (y1) –  f  –1 (y0)y1 – y0 =x1 – x0y1 – y0 = ΔxΔy = (ΔyΔx) –1 =
(y1 – y0x1 – x0) –1 =( f (x1) –  f (x0)x1 – x0) –1 =( f (x0 + Δx) –  f (x0)Δx) –1.
Итак, мы получили следующее алгебраическое соотношение:
(8)    f  –1 (y0 + Δy) –  f  –1 (y0)Δy =1 f (x0 + Δx) –  f (x0)Δx.

3. Теперь выполним предельный переход Δy → 0. Для этого мы намерены применить теорему о пределе сложной функции. Поэтому представим выражение в левой части (8) как сложную функцию.

Считаем, что x0 и y0 являются фиксированными числами. Нам нужно найти предел при Δy → 0 от следующей функции, зависящей от переменной Δy:
(9)   py) =  f  –1 (y0 + Δy) –  f  –1 (y0)Δy.
Мы обозначили ее как py). Тогда уравнение (8) можно рассматривать как эту же функцию, выраженную через переменную Δx. Обозначим ее как qx):
(10)   qx) = 1 f (x0 + Δx) –  f (x0)Δx.
Сюда нужно еще добавить отображение, связывающее переменные Δx и Δy. Такое отображение мы обозначим как Δxy):
(11)   Δxy) = f  –1 (y0 + Δy) –  f  –1 (y0).
Тогда функцию p можно рассматривать как сложную:
(12)   py) = qxy)).

Можно непосредственно убедиться в справедливости (12). Для этого подставим (11) в (10):
qxy)) =( f (x0 + Δxy)) –  f (x0)Δxy)) –1.
Выполняем преобразования, используя (5), (6) и (11):
 f (x0 + Δxy)) –  f (x0) = f ( f  –1 (y0) + f  –1 (y0 + Δy) –  f  –1 (y0)) – y0 =
 f ( f  –1 (y0 + Δy)) – y0 =y0 + Δy – y0 = Δy;
Δxy) = f  –1 (y0 + Δy) –  f  –1 (y0);
qxy)) =( f (x0 + Δxy)) –  f (x0)Δxy)) –1 = f  –1 (y0 + Δy) –  f  –1 (y0)Δy = py).
Все верно.

4. Теперь применяем теорему о пределе сложной функции. к пределу
limΔy → 0 py) = limΔy → 0 qxy)),
где
(9)   py) =  f  –1 (y0 + Δy) –  f  –1 (y0)Δy;
(10)   qx) = 1 f (x0 + Δx) –  f (x0)Δx;
(11)   Δxy) = f  –1 (y0 + Δy) –  f  –1 (y0).

1) Как было указано в самом начале доказательства, обратная функция  f  –1 определена и непрерывна в некоторой окрестности точки y0. Тогда согласно определению непрерывности функции в точке в терминах приращений,
(13)   limΔy → 0 Δxy) = 0.

2) Теперь нам нужно показать, что существует такая проколотая окрестность точки Δy = 0, в которой Δxy) ≠ 0.
Рассмотрим точку Δy = 0. Из (6) следует, что при этом Δx = x1 – x0 = 0. Действительно, тогда y1 = y0;  x1 =  f  –1 (y1) =  f  –1 (y0) = x0;   Δx = x1 – x0 = 0. Поскольку, как было указано в самом начале доказательства, обратная функция  f  –1 строго монотонна, то она принимает значение x0 только в одной точке y0. Следовательно, переменная Δx принимает нулевое значение Δx = 0 только в одной точке, в которой Δy = 0. Поэтому
(14)   если Δy ≠ 0, то и Δx ≠ 0.

3) Находим предел от qx) = 1 f (x0 + Δx) –  f (x0)Δx при Δx → 0. Предел в знаменателе равен производной функции f в точке x0, которая существует по условию теоремы:
limΔx → 0 f (x0 + Δx) –  f (x0)Δx =  f (x0).
По условию,  f (x0) ≠ 0. Применяем арифметические свойства предела функции:
limΔx → 0 qx) =limΔx → 01 f (x0 + Δx) –  f (x0)Δx =1limΔx → 0 f (x0 + Δx) –  f (x0)Δx =1 f (x0).

Все предварительные вычисления и условия теоремы о пределе сложной функции выполнены. Находим производную обратной функции:
( f  –1)(y0) =limΔy → 0 f  –1 (y0 + Δy) –  f  –1 (y0)Δy =limΔy → 0 py) =limΔy → 0 qxy)) =
limΔx → 0 qx) = 1 f (x0).

Теорема доказана.

Примеры

Производная натурального логарифма

Рассмотрим экспоненту (экспоненциальную функцию), y = ex. Она определена и строго возрастает для всех значений аргумента x. Экспонента имеет производную, равную самой функции: y = ex.

Обратной к экспоненте является натуральный логарифм, x = ln y. Он определен и строго возрастает при положительных значениях аргумента y > 0. Найдем его производную, применяя теорему о производной обратной функции.

(ln y)y = d ln ydy = dxdy = 1dydx =1(ex)x = 1ex = 1y.
Итак, мы нашли производную натурального логарифма, выраженную через переменную y:
(ln y)y = 1y.

Переменные мы можем обозначать любыми буквами. Поэтому, поменяем y на x:
(ln x) = 1x.

Производная арксинуса

Рассмотрим функцию синус, y = sin x. Синус строго возрастает при – π2 ≤ x ≤ π2. Поэтому на этом интервале определена обратная функция, которая называется арксинусом, x = arcsin y,  –1 ≤ y ≤ 1. См. «Доказательство непрерывности тригонометрических функций»

Находим производную арксинуса, применяя теорему о производной обратной функции.
(arcsin y)y = dxdy = 1dydx =1(sin x) = 1cos x.
Итак, мы получили:
(arcsin y)y = 1cos x.
Теперь нужно выразить правую часть через переменную y = sin x. Поскольку при – π2 ≤ x ≤ π2,  cos x ≥ 0, то cos x = +  1 – sin 2 x =  1 – y 2. Тогда
(arcsin y)y = 1cos x = 1 1 – y 2.

Наконец, заменив переменную y на букву x, получаем формулу производной арксинуса, записанную в привычном виде:
(arcsin x) = 1 1 – x 2.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню