Afgeleide van pi. Afgeleide van een functie
Bewijs en afleiding van de formules voor de afgeleide van de exponentiële (e tot de macht x) en exponentiële functie(a tot de macht x). Voorbeelden van het berekenen van afgeleiden van e^2x, e^3x en e^nx. Formules voor derivaten van hogere ordes.
De afgeleide van een exponent is gelijk aan de exponent zelf (de afgeleide van e naar de x-macht is gelijk aan e naar de x-macht):
(1)
(e X) ′ = e X.
De afgeleide van een exponentiële functie met als grondtal graad a is gelijk aan de functie zelf, vermenigvuldigd met natuurlijke logaritme van een:
(2)
.
Afleiding van de formule voor de afgeleide van de exponentiële e naar de macht x
Een exponentieel is een exponentiële functie waarvan de machtsbasis gelijk is aan het getal e, wat de volgende limiet is:
.
Hier kan het een natuurlijk getal of een reëel getal zijn. Vervolgens leiden we formule (1) af voor de afgeleide van de exponentiële waarde.
Afleiding van de exponentiële afgeleide formule
Beschouw het exponentiële, e tot de macht x:
y = eX.
Deze functie is voor iedereen gedefinieerd.
(3)
.
Laten we de afgeleide vinden met betrekking tot de variabele x.
Per definitie is de afgeleide de volgende limiet: Laten we deze uitdrukking transformeren om deze terug te brengen tot bekende wiskundige eigenschappen en regels. Om dit te doen hebben we de volgende feiten nodig:
(4)
;
A) Exponenteigenschap:
(5)
;
B) Eigenschap van logaritme:
(6)
.
IN)
Continuïteit van de logaritme en de eigenschap van limieten voor een continue functie: Hier is een functie die een limiet heeft en deze limiet is positief.
(7)
.
G)
;
.
De betekenis van de tweede opmerkelijke grens:
Laten we deze feiten toepassen op onze limiet (3). We gebruiken eigenschap (4):
.
Laten we een vervanging maken.
.
Dan ; .
.
Vanwege de continuïteit van het exponentiële,
Daarom, wanneer, .
.
Als resultaat krijgen we:
.
Laten we een vervanging maken.
.
Dan . Bij , . En wij hebben:
Laten we de logaritme-eigenschap (5) toepassen:
.
(8)
Dan
Laten we eigenschap (6) toepassen. Omdat er een positieve limiet is en de logaritme continu is, geldt: Hier hebben we ook de tweede opmerkelijke limiet (7) gebruikt. Dan Zo verkregen we formule (1) voor de afgeleide van de exponentiële waarde.
;
.
Afleiding van de formule voor de afgeleide van een exponentiële functie
.
Nu leiden we formule (2) af voor de afgeleide van de exponentiële functie met als grondtal graad a.
Wij geloven dat en.
(14)
.
(1)
.
We zien dat de afgeleide van functie (14) gelijk is aan functie (14) zelf. Door te differentiëren (1) verkrijgen we afgeleiden van de tweede en derde orde:
;
.
Dit laat zien dat de afgeleide van de nde orde ook gelijk is aan de oorspronkelijke functie:
.
Afgeleiden van hogere orde van de exponentiële functie
Beschouw nu een exponentiële functie met als basis graad a:
.
We hebben de afgeleide van de eerste orde gevonden:
(15)
.
Door te differentiëren (15) verkrijgen we afgeleiden van de tweede en derde orde:
;
.
We zien dat elke differentiatie leidt tot de vermenigvuldiging van de oorspronkelijke functie met .
.
Daarom heeft de afgeleide van de n-de orde de volgende vorm: Definitie. Laat de functie \(y = f(x)\) gedefinieerd worden in een bepaald interval met daarin het punt \(x_0\). Laten we het argument een verhoging \(\Delta x \) geven, zodat het dit interval niet verlaat. Laten we de overeenkomstige toename van de functie \(\Delta y \) vinden (wanneer we van het punt \(x_0 \) naar het punt \(x_0 + \Delta x \) gaan) en de relatie \(\frac(\Delta) samenstellen y)(\Delta x) \). Als er een limiet is voor deze verhouding op \(\Delta x \rightarrow 0\), dan wordt de opgegeven limiet aangeroepen afgeleide van een functie
\(y=f(x) \) op het punt \(x_0 \) en geef \(f"(x_0) \) aan.
$$ \lim_(\Delta x \to 0) \frac(\Delta y)(\Delta x) = f"(x_0) $$ Het symbool y wordt vaak gebruikt om de afgeleide aan te duiden." Merk op dat y" = f(x) is nieuwe functie , maar natuurlijk geassocieerd met de functie y = f(x), gedefinieerd op alle punten x waar de bovenstaande limiet bestaat. Deze functie heet als volgt:.
afgeleide van de functie y = f(x) Geometrische betekenis van afgeleide
is als volgt. Als het mogelijk is om een raaklijn te tekenen aan de grafiek van de functie y = f(x) op het punt met abscis x=a, dat niet evenwijdig is aan de y-as, dan drukt f(a) de helling van de raaklijn uit :
\(k = f"(a)\)
Omdat \(k = tg(a) \), dan is de gelijkheid \(f"(a) = tan(a) \) waar.
Laten we nu de definitie van afgeleide interpreteren vanuit het oogpunt van geschatte gelijkheden. Laat de functie \(y = f(x)\) een afgeleide hebben op een specifiek punt \(x\):
Dit betekent dat nabij het punt x de geschatte gelijkheid \(\frac(\Delta y)(\Delta x) \ca. f"(x) \), d.w.z. \(\Delta y \ca. f"(x) \cdot\ Delta x\). De betekenisvolle betekenis van de resulterende benaderende gelijkheid is als volgt: de toename van de functie is “bijna evenredig” met de toename van het argument, en de evenredigheidscoëfficiënt is de waarde van de afgeleide op een bepaald punt x. Voor de functie \(y = x^2\) is bijvoorbeeld de geschatte gelijkheid \(\Delta y \circa 2x \cdot \Delta x \) geldig. Als we de definitie van een afgeleide zorgvuldig analyseren, zullen we ontdekken dat deze een algoritme bevat om deze te vinden.
Laten we het formuleren.
Hoe vind je de afgeleide van de functie y = f(x)?
1. Bepaal de waarde van \(x\), zoek \(f(x)\)
2. Geef het argument \(x\) een verhoging \(\Delta x\), ga naar een nieuw punt \(x+ \Delta x \), zoek \(f(x+ \Delta x) \)
3. Zoek de toename van de functie: \(\Delta y = f(x + \Delta x) - f(x) \)
4. Maak de relatie \(\frac(\Delta y)(\Delta x) \)
5. Bereken $$ \lim_(\Delta x \to 0) \frac(\Delta y)(\Delta x) $$
Deze limiet is de afgeleide van de functie op punt x.
Als een functie y = f(x) een afgeleide heeft in een punt x, dan wordt deze differentieerbaar genoemd in een punt x. De procedure voor het vinden van de afgeleide van de functie y = f(x) wordt genoemd differentiatie functies y = f(x).
Laten we de volgende vraag bespreken: hoe verhouden continuïteit en differentiatie van een functie op een punt zich tot elkaar?
Laat de functie y = f(x) differentieerbaar zijn in het punt x. Vervolgens kan een raaklijn worden getrokken naar de grafiek van de functie op punt M(x; f(x)), en onthoud: de hoekcoëfficiënt van de raaklijn is gelijk aan f "(x). Zo'n grafiek kan niet "breken" op punt M, dat wil zeggen dat de functie continu moet zijn op punt x.
Dit waren ‘hands-on’-argumenten. Laten we een rigoureuzere redenering geven. Als de functie y = f(x) differentieerbaar is in het punt x, dan geldt de geschatte gelijkheid \(\Delta y \ca. f"(x) \cdot \Delta x\). Als in deze gelijkheid \(\Delta x \) neigt naar nul, daarna zal \(\Delta y \) naar nul neigen, en dit is de voorwaarde voor de continuïteit van de functie op een punt.
Dus, als een functie differentieerbaar is op een punt x, dan is deze op dat punt continu.
De omgekeerde bewering is niet waar. Bijvoorbeeld: functie y = |x| is overal continu, vooral op het punt x = 0, maar de raaklijn aan de grafiek van de functie op het "knooppunt" (0; 0) bestaat niet. Als er op een gegeven moment geen raaklijn aan de grafiek van een functie kan worden getrokken, bestaat de afgeleide op dat punt niet.
Nog een voorbeeld. De functie \(y=\sqrt(x)\) is continu op de gehele getallenlijn, ook op het punt x = 0. En de raaklijn aan de grafiek van de functie bestaat op elk punt, ook op het punt x = 0 Maar op dit punt valt de raaklijn samen met de y-as, d.w.z. hij staat loodrecht op de abscis-as, de vergelijking heeft de vorm x = 0. Hellingscoëfficiënt zo'n regel heeft dat niet, wat betekent dat \(f"(0) \) ook niet bestaat
We maakten dus kennis met een nieuwe eigenschap van een functie: differentiabiliteit. Hoe kun je uit de grafiek van een functie concluderen dat deze differentieerbaar is?
Het antwoord staat eigenlijk hierboven. Als het op een gegeven moment mogelijk is om een raaklijn te tekenen aan de grafiek van een functie die niet loodrecht op de abscis-as staat, dan is de functie op dit punt differentieerbaar. Als op een gegeven moment de raaklijn aan de grafiek van een functie niet bestaat of loodrecht op de abscis-as staat, dan is de functie op dit punt niet differentieerbaar.
Regels voor differentiatie
De bewerking voor het vinden van de afgeleide wordt genoemd differentiatie. Bij het uitvoeren van deze bewerking moet u vaak werken met quotiënten, sommen, producten van functies, maar ook met 'functies van functies', dat wil zeggen complexe functies. Op basis van de definitie van afgeleide kunnen we differentiatieregels afleiden die dit werk gemakkelijker maken. Als C een constant getal is en f=f(x), g=g(x) enkele differentieerbare functies zijn, dan is het volgende waar differentiatie regels:
$$ f"_x(g(x)) = f"_g \cdot g"_x $$
Tabel met afgeleiden van sommige functies
$$ \left(\frac(1)(x) \right) " = -\frac(1)(x^2) $$ $$ (\sqrt(x)) " = \frac(1)(2\ sqrt(x)) $$ $$ \left(x^a \right) " = a x^(a-1) $$ $$ \left(a^x \right) " = a^x \cdot \ln a $$ $$ \left(e^x \right) " = e^x $$ $$ (\ln x)" = \frac(1)(x) $$ $$ (\log_a x)" = \frac (1)(x\ln a) $$ $$ (\sin x)" = \cos x $$ $$ (\cos x)" = -\sin x $$ $$ (\text(tg) x) " = \frac(1)(\cos^2 x) $$ $$ (\text(ctg) x)" = -\frac(1)(\sin^2 x) $$ $$ (\arcsin x) " = \frac(1)(\sqrt(1-x^2)) $$ $$ (\arccos x)" = \frac(-1)(\sqrt(1-x^2)) $$ $$ (\text(arctg) x)" = \frac(1)(1+x^2) $$ $$ (\text(arcctg) x)" = \frac(-1)(1+x^2) $ $Afleiding van de afgeleide formule machtsfunctie(x tot de macht van a). Er wordt rekening gehouden met derivaten van wortels van x. Formule voor de afgeleide van een machtsfunctie van hogere orde. Voorbeelden van het berekenen van derivaten.
De afgeleide van x naar de macht van a is gelijk aan a maal x tot de macht van a min één:
(1)
.
De afgeleide van de n-de wortel van x tot de m-de macht is:
(2)
.
Afleiding van de formule voor de afgeleide van een machtsfunctie
Geval x > 0
Beschouw een machtsfunctie van de variabele x met exponent a:
(3)
.
Hier is a een willekeurig reëel getal. Laten we eerst de zaak bekijken.
Om de afgeleide van functie (3) te vinden, gebruiken we de eigenschappen van een machtsfunctie en transformeren we deze naar de volgende vorm:
.
Nu vinden we de afgeleide met:
;
.
Hier .
Formule (1) is bewezen.
Afleiding van de formule voor de afgeleide van een wortel van graad n van x naar de graad van m
Beschouw nu een functie die de wortel is van de volgende vorm:
(4)
.
Om de afgeleide te vinden, transformeren we de wortel naar een machtsfunctie:
.
Als we vergelijken met formule (3) zien we dat
.
Dan
.
Met behulp van formule (1) vinden we de afgeleide:
(1)
;
;
(2)
.
In de praktijk is het niet nodig om formule (2) uit het hoofd te leren. Het is veel handiger om eerst de wortels om te zetten in machtsfuncties en vervolgens hun afgeleiden te vinden met behulp van formule (1) (zie voorbeelden aan het einde van de pagina).
Geval x = 0
Als , dan wordt de machtsfunctie gedefinieerd voor de waarde van de variabele x = 0
. 0
Laten we de afgeleide van functie (3) vinden op x =
.
. 0
:
.
Om dit te doen, gebruiken we de definitie van een afgeleide:
Laten we x = vervangen
.
In dit geval bedoelen we met afgeleide de rechterlimiet waarvoor .
Dus we vonden:
Dus we vonden:
Hieruit blijkt duidelijk dat voor , .
(1)
.
Bij , . 0
.
Dit resultaat wordt ook verkregen uit formule (1):< 0
Daarom is formule (1) ook geldig voor x =
(3)
.
Geval x Beschouw functie (3) opnieuw: Voor bepaalde waarden van de constante a is deze ook gedefinieerd negatieve waarden variabele x.
,
Namelijk: laat een zijn rationeel getal.
. Dan kan het worden weergegeven als een onherleidbare breuk: 3
waarbij m en n gehele getallen zijn zonder 1
gemeenschappelijke deler
.
Als n oneven is, wordt de machtsfunctie ook gedefinieerd voor negatieve waarden van de variabele x.
Wanneer bijvoorbeeld n =
.
en m=
.
we hebben de derdemachtswortel van x:
.
Het is ook gedefinieerd voor negatieve waarden van de variabele x.
.
Laten we de afgeleide van de machtsfunctie (3) vinden voor en voor rationale waarden van de constante a waarvoor deze is gedefinieerd. Om dit te doen, stellen we x in de volgende vorm voor:
.
Dan
.
Dan ,
(1)
.
We vinden de afgeleide door de constante buiten het teken van de afgeleide te plaatsen en de regel voor het differentiëren van een complexe functie toe te passen:
Hier . Maar
(3)
.
Sindsdien
.
Dat wil zeggen, formule (1) is ook geldig voor:
.
Derivaten van hogere orde
;
.
Laten we nu hogere orde afgeleiden van de machtsfunctie vinden afgeleide van willekeurige n-de orde heeft de volgende vorm:
.
Merk dat op als een is natuurlijk getal
, dan is de nde afgeleide constant:
.
Dan zijn alle volgende afgeleiden gelijk aan nul:
,
bij .
Voorbeelden van het berekenen van derivaten
Voorbeeld
Zoek de afgeleide van de functie:
.
Oplossing
Laten we wortels omzetten in machten:
;
.
Dan heeft de oorspronkelijke functie de vorm:
.
Afgeleiden van machten vinden:
;
.
De afgeleide van de constante is nul:
.
Datum: 05/10/2015
Hoe vind je de afgeleide?
Regels voor differentiatie.
Om de afgeleide van een functie te vinden, hoef je slechts drie concepten te beheersen:
2. Regels voor differentiatie.
3. Afgeleide van een complexe functie.
Precies in die volgorde. Dit is een hint.)
Het zou natuurlijk leuk zijn om een idee te hebben over derivaten in het algemeen). Wat een afgeleide is en hoe je met de afgeleidentabel kunt werken, heb je in de vorige les duidelijk uitgelegd. Hier zullen we de regels van differentiatie behandelen.
Differentiatie is de bewerking van het vinden van de afgeleide. Er zit niets meer verborgen achter deze term. Die. uitdrukkingen "vind de afgeleide van een functie" En "een functie differentiëren"- het is hetzelfde.
Uitdrukking "regels voor differentiatie" verwijst naar het vinden van de afgeleide uit rekenkundige bewerkingen. Dit begrip helpt veel om verwarring in je hoofd te voorkomen.
Laten we ons concentreren en alle rekenkundige bewerkingen onthouden. Er zijn er vier). Optellen (som), aftrekken (verschil), vermenigvuldigen (product) en delen (quotiënt). Hier zijn ze, de regels voor differentiatie:
Het bord laat het zien vijf regels op vier rekenkundige bewerkingen. Ik ben niet tekortgeschoten.) Regel 4 is gewoon een elementair gevolg van regel 3. Maar het is zo populair dat het zinvol is om het als een onafhankelijke formule te schrijven (en te onthouden!)
Onder de benamingen U En V sommige (absoluut alle!) functies zijn geïmpliceerd U(x) En V(x).
Laten we een paar voorbeelden bekijken. Ten eerste - de eenvoudigste.
Zoek de afgeleide van de functie y=sinx - x 2
Hier hebben we verschil twee elementaire functies. We passen regel 2 toe. We gaan ervan uit dat sinx een functie is U, en x 2 is de functie V. Wij hebben elk recht schrijven:
y" = (sinx - x 2)" = (sinx)"- (x 2)"
Dat is beter, toch?) Het enige dat overblijft is het vinden van de afgeleiden van sinus en kwadraat van x. Hiervoor bestaat een tabel met derivaten. We zoeken gewoon naar de functies die we nodig hebben in de tabel ( zonde En x 2), kijk welke derivaten ze hebben en noteer het antwoord:
y" = (sinx)" - (x 2)" = cosx - 2x
Dat is het. Regel 1 van somdifferentiatie werkt precies hetzelfde.
Wat als we meerdere termen hebben? Geen probleem.) We verdelen de functie in termen en zoeken naar de afgeleide van elke term, onafhankelijk van de andere. Bijvoorbeeld:
Bereken de afgeleide van de functie y=sinx - x 2 +cosx - x +3
Wij schrijven stoutmoedig:
y" = (sinx)" - (x 2)" + (cosx)" - (x)" + (3)"
Aan het einde van de les geef ik tips om het leven gemakkelijker te maken bij het differentiëren.)
1. Kijk vóór differentiatie of het mogelijk is de oorspronkelijke functie te vereenvoudigen.
2. In ingewikkelde voorbeelden beschrijven we de oplossing gedetailleerd, met alle haakjes en streepjes.
3. Bij het differentiëren van breuken met een constant getal in de noemer, zetten we delen om in vermenigvuldigen en gebruiken we regel 4.