Методы решения физико-математических задач

Производная произведения двух функций

Производная произведения двух функций
Формула производной произведения двух функций. Доказательство и подробно разобранные примеры применения этой формулы.

Формула производной произведения двух функций

Пусть функции   u = u(x)   и   v = v(x)   определены в некоторой окрестности точки x0 и имеют в точке x0 производные. Тогда их произведение u(x)v(x) имеет в точке x0 производную, которая определяется по формуле:
(1)   (uv) = uv + uv.

Доказательство

Введем обозначения:
Δu = u(x0 + Δx) – u(x0);
Δv = v(x0 + Δx) – v(x0).
Здесь Δu и Δv являются функциями от переменных x0 и Δx. Но для простоты записи мы будем опускать обозначения их аргументов.

Далее замечаем, что
u(x0 + Δx) =u(x0) + u(x0 + Δx) – u(x0) =u(x0) + Δu;
v(x0 + Δx) =v(x0) + v(x0 + Δx) – v(x0) =v(x0) + Δv.
По условию функции u = u(x)   и   v = v(x) имеют производные в точке x0, которые являются следующими пределами:
u(x0) =limΔx → 0u(x0 + Δx) – u(x0)Δx =limΔx → 0ΔuΔx;
v(x0) =limΔx → 0v(x0 + Δx) – v(x0)Δx =limΔx → 0ΔvΔx.
Из существования производных следует, что функции u = u(x)   и   v = v(x) непрерывны в точке x0. Поэтому
limΔx → 0 Δu = 0;
limΔx → 0 Δv = 0.

Рассмотрим функцию y от переменной x, которая является произведением функций u и v:
y(x) = u(x) v(x).
Рассмотрим приращение этой функции в точке x0:
Δy = y(x0 + Δx) – y(x0) =u(x0 + Δx) v(x0 + Δx) –u(x0) v(x0) =
(u(x0) + Δu)(v(x0) + Δv) –u(x0) v(x0) =
u(x0) v(x0) + u(x0) Δv + Δuv(x0) + Δu Δv – u(x0) v(x0) =
 Δuv(x0) + u(x0) Δv + Δu Δv.
Теперь находим производную:
y(x0) = limΔx → 0ΔyΔx =limΔx → 0Δuv(x0) + u(x0) Δv + Δu ΔvΔx=
limΔx → 0ΔuΔx ⋅ v(x0) +u(x0) ⋅ limΔx → 0ΔvΔx +limΔx → 0ΔuΔx ⋅ limΔx → 0Δv=
u(x0) ⋅ v(x0) + u(x0) ⋅ v(x0) +u(x0) ⋅ 0 =u(x0) ⋅ v(x0) + u(x0) ⋅ v(x0).

Итак,
y(x0) =u(x0) ⋅ v(x0) + u(x0) ⋅ v(x0).
Правило доказано.

Вместо переменной x0 можно использовать любую другую переменную. Обозначим ее как x. Тогда если существуют производные u(x) и v(x), то производная произведения двух функций определяется по формуле:
(u(x) ⋅ v(x)) =u(x) ⋅ v(x) + u(x) ⋅ v(x).
Или в более короткой записи
(1)   (uv) = uv + uv.

Следствие

Пусть u,  v,  w,  z являются функциями от независимой переменной x. Тогда
(uvw) = uvw + uvw + uvw;
(uvwz) = uvwz + uvwz +uvwz + uvwz;
и т. д. ...

Докажем первую формулу. Вначале применим формулу производной произведения (1) для функций   u   и   vw, а затем – для функций   v   и   w:
(uvw) = (u ⋅ (vw)) =u ⋅ (vw) + u ⋅ (vw) =uvw + u ⋅ (vw + vw) =
uvw + uvw + uvw.

Аналогично доказываются другие подобные формулы.

Примеры

Все примеры Далее рассмотрены примеры вычисления производных от следующих функций:
y(x) = x sin x   y(x) = ex(x 2 – 2x + 2 )   y(x) = ex (sin x – cos x)

Пример 1

Все примеры Найдите производную
y(x) = x sin x.

Решение

Применяем правило дифференцирования произведения двух функций
(1)   (uv) = uv + uv.
y = (x sin x) = (x) sin x + x(sin x).

Из таблицы производных находим:
(xa) = axa – 1;
(sin x) = cos x.
Тогда
(x) = (x 1) = 1 ⋅ x 1 – 1 = x 0 = 1.

Окончательно имеем:
y = (x) sin x + x(sin x) = 1 ⋅ sin x + x cos x.

Ответ

y(x) = sin x + x cos x.

Пример 2

Все примеры Найти производную функции от переменной x
y(x) = ex(x 2 – 2x + 2 ).

Решение

Применяем формулу производной произведения двух функций:
(1)   (uv) = uv + uv.
y = (ex(x 2 – 2x + 2 )) =(ex)(x 2 – 2x + 2 ) +ex(x 2 – 2x + 2 ).

Применяем формулу производной суммы и разности функций:
(u ± v ± w) = u ± v ± w.
(x 2 – 2x + 2 ) =(x 2) – (2x) + (2).

Применяем правила дифференцирования постоянных:
(C) = 0;
(Cu) = Cu.
(2x) = 2(x);
(2) = 0.

Из таблицы производных находим:
(ex) = ex;
(xa) = axa – 1.
Тогда
(x 2) = 2x 2 – 1 = 2x 1 = 2x;
(x) = (x 1) = 1 ⋅ x 1 – 1 = x 0 = 1;
(x 2 – 2x + 2 ) =(x 2) – 2(x) + (2) = 2x – 2 + 0.

Окончательно имеем:
y = (ex)(x 2 – 2x + 2 ) +ex(x 2 – 2x + 2 ) =ex(x 2 – 2x + 2 ) + ex( 2x – 2 ) =
x 2 ex – 2xex + 2ex + 2xex – 2ex =x 2 ex.

Ответ

y(x) = x 2 ex.

Пример 3

Все примеры Найти производную функции
y(x) = ex (sin x – cos x).

Решение

Последовательно применяем правила дифференцирования.

(ex) = ex;
(sin x) = cos x;
(cos x) = –sin x;
(sin x – cos x) = (sin x) – (cos x) = cos x + sin x;
y = (ex (sin x – cos x) ) =(ex)(sin x – cos x) +ex (sin x – cos x) =
ex (sin x – cos x) +ex (cos x + sin x) = 2ex sin x.

Ответ

y = 2ex sin x.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

Меню