Геометрический смысл производной
Геометрический смысл производной
1. Если существует конечная производная функции в точке , то она равна тангенсу угла между осью абсцисс x и наклонной касательной, проведенной к графику функции в точке . При этом угол считается положительным, если график касательной возрастает; угол отрицательный – если убывает. Другими словами, производная функции в точке равна угловому коэффициенту касательной графика функции в точке , а уравнение касательной имеет вид:
.
2. Если производная функции в точке равна бесконечности: , то в этой точке график имеет вертикальную касательную, описываемую уравнением
.
Исследование геометрического смысла производной
Исследуем геометрический смысл производной функции при некотором, заранее заданном значении аргумента . Считаем, что функция имеет конечную производную в . Тогда существует окрестность точки , в которой функция определена и имеет конечные значения. Проводим оси координат. По оси абсцисс будем откладывать значения переменной x; по оси ординат – значения переменной y. Строим график функции в окрестности точки .
Отмечаем точку , где . Выбираем на графике произвольную точку , где .
Проводим через и секущую . Далее через проводим прямую, параллельную оси x, а через – параллельную оси y. Точку пересечения этих прямых обозначим как A.
Треугольник – прямоугольный. Пусть α – угол между сторонами и . Тогда
.
Но . Отсюда
(1) .
Поскольку прямая параллельна оси x, то угол α является углом между секущей и осью абсцисс x.
Теперь выполним предельный переход . При этом точка будет стремиться к , приближаясь к ней сколь угодно близко. Сама секущая также будет меняться, поворачиваясь вокруг точки . При она будет стремиться к некоторой предельной прямой, которую мы назовем касательной к графику в точке . Угол наклона α касательной мы найдем из (1), устремляя , и воспользовавшись определением производной:
.
Таким образом, производная функции в точке равна тангенсу угла между касательной, проведенной через эту точку, и осью абсцисс.
Как известно из аналитической геометрии, уравнение прямой с угловым коэффициентом , и проходящей через точку имеет вид:
.
Подставляя , получаем уравнение касательной к графику в точке :
.
Определение касательной
Выше мы провели исследование, и пришли к новому геометрическому объекту – прямой, к которой стремятся секущие при устремлении к . Мы назвали этот объект касательной к графику. Даем его четкое математическое определение.
- Касательная к графику функции
- Пусть точки и принадлежат графику функции . Проведем через них секущую . Касательной к графику функции в точке называется прямая, уравнение которой получается из уравнения секущей при стремящемся к .
- Наклонная касательная
- – это касательная, угол α которой с осью абсцисс заключен в интервале . Уравнение наклонной касательной имеет вид:
,
где – угловой коэффициент – действительное число.
- Вертикальная касательная
- – это касательная, параллельная оси ординат. Уравнение вертикальной касательной имеет вид:
.
- Секущая
- – это прямая, которая пересекает кривую как минимум в двух точках.
Теорема о геометрическом смысле производной
1. Если существует конечная производная функции в точке , то она равна тангенсу угла между осью абсцисс x и наклонной касательной, проведенной к графику функции в точке . При этом угол считается положительным, если график касательной возрастает; угол отрицательный – если убывает. Другими словами, производная функции в точке равна угловому коэффициенту касательной графика функции в точке , а уравнение касательной имеет вид:
.
2. Если производная функции в точке равна бесконечности: , то в этой точке график имеет вертикальную касательную, описываемую уравнением
.
Доказательство
Возьмем на графике функции произвольную точку , отличную от . Здесь . Проведем через точки и прямую, которая является секущей. Составим уравнение прямой, проходящей через эти точки. В наиболее общей форме оно имеет следующий вид:
(Т1) .
Выполняем предельный переход .
1. Пусть в точке существует конечная производная функции.
Перепишем уравнение (Т1) в эквивалентном виде учитывая, что :
.
Считаем, что x и постоянные, то есть заранее заданные числа. Выполняем предельный переход , применяя определение производной:
;
(Т2) .
Мы видим, что при , график секущей (Т1) преобразуется в прямую (Т2), которая является касательной по приведенному выше определению. Как видно из (Т2), касательная является прямой, проходящей через точку с угловым коэффициентом, равным производной функции в . Из аналитической геометрии известно, что угловой коэффициент прямой равен тангенсу угла α между осью абсцисс и этой прямой. Тогда:
.
2. Пусть в точке производная функции равна бесконечности: .
Чтобы разделить уравнение (Т1) на покажем, что существует такая проколотая окрестность точки , в которой
при .
Введем обозначение: . Тогда
.
Согласно определению бесконечного предела функции это означает, что для любого числа M существует такая проколотая окрестность точки , в которой . Возьмем . Тогда существует проколотая окрестность , в которой , то есть в этой окрестности . Поскольку , то отсюда .
Далее рассматриваем в окрестности точки , на которой или, что тоже самое, . Перепишем уравнение (Т1) в эквивалентном виде учитывая, что :
.
Считаем, что y и постоянные. Выполняем предельный переход . По условию, . Применяем свойства бесконечно больших функций:
.
Тем самым мы нашли, что если , то касательная имеет вид
.
Это уравнение прямой, проходящей через точку параллельно оси ординат.
Теорема доказана.
Производная равна бесконечности
Если производная в равна бесконечности, то касательная вертикальна, но возможны три случая: 1) Производная равна плюс бесконечности: ; 2) производная равна минус бесконечности: ; 3) производная равна бесконечности без определенного знака: .
1) Если производная равна плюс бесконечности: , то угол между осью абсцисс и любой секущей, проходящей через точку положителен: , и стремится к при . Здесь подразумевается, что вторая точка графика , через которую проходит секущая, расположена достаточно близко к .
2) Если производная равна минус бесконечности: , то угол между осью абсцисс и любой секущей, проходящей через точку отрицателен: , и стремится к при .
3) Если производная равна бесконечности без определенного знака: , то углы наклона секущих, проходящих через вторую точку слева и справа от , имеют разные знаки.
Автор: Олег Одинцов. Опубликовано: