Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Курс лекций по мат. анализу I

.pdf
Скачиваний:
119
Добавлен:
17.03.2015
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

☺

(

 

 

Приращение

функции

в

)

произвольной

точке

равно

∆f = 3sin

2

(

t + ∆t

)

)

(

)

= 6sin

(

∆t

cos

(

2t +1+ ∆t

)

. Тогда

 

 

 

 

 

+1 −3sin

 

2t +1

 

 

 

 

 

 

f ′(t )= lim

 

6sin (∆t )cos(2t +1 + ∆t )

= 6 lim

sin (∆t )

 

lim cos(2t +1 + ∆t )=

 

 

 

 

 

∆t

 

 

 

 

 

∆t→0

 

 

 

 

 

 

 

∆t→0

 

∆t

 

 

∆t→0

 

 

 

= 6cos(2t +1).☻

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Задачи, приводящие к производной a) Задача о скорости

Пусть материальная точка движется по прямой и путь, пройденный точкой от начала движения за время t , равен S (t ). Тогда путь, пройденный точкой

от момента t0 до момента t0 + ∆t , равен S (t0 + ∆t )− S (t0 ) и средняя скорость на этом участке пути будет vср = S (t0 + ∆∆tt)− S (t0 ).

Назовем скоростью точки в момент t0 (мгновенной скоростью) пре-

дел, к которому стремится средняя скорость этой точки за промежуток времени

от t0

до t0

+ ∆t , когда ∆t → 0 , т.е. v(t0 )= lim

S (t0 + ∆t )− S (t0 )

.

 

 

 

∆t→0

∆t

 

Согласно определению производной, получим v(t0 )= S′(t0 ). Таким обра-

зом, производная от функции, задающей закон движения материальной точки вдоль прямой, равна скорости движения этой точки.

Пример 3. Закон движения маятника вдоль оси OX : x(t )= 3sin (2t +1). Найти

скорость (модуль скорости) его движения в момент, когда маятник находится в начале координат.

☺ Скорость движения маятника вдоль оси равна x′(t )= 6cos(2t +1). Так как функции x(t ) и x′(t ) периодичны, то можно выбрать значения переменной t , при которых маятник находится в начале координат, лежащие на любом пе-

риоде, например, t

= −1 и t

2

= π −1 . Тогда

 

x′

(t )

 

=

 

x′ (t )

 

= 6 . ☻

 

 

 

 

 

1

2

2

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) Задача о касательной. Уравнение касательной

 

Рассмотрим график функции y = f (x).

Предположим, что функция не-

прерывна в точке x0 . Пусть

 

f (x0 )= y0 , f (x0 + ∆x)= y1 и проведем прямую че-

рез точки графика этой функции M0 (x0 , y0 )

 

и M (x0 +∆x, y1 ). Назовем эту пря-

мую секущей

графика.

Угловой

 

коэффициент секущей равен

kсек =

y1 − y0

=

 

f (x0 + ∆x)− f

(x0 )

=

∆f (x0 )

,

 

и ее уравнение будет иметь вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

∆x

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y − y =

∆f (x0 )

(x − x ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

∆x

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

130

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно, что, если устремить ∆x к нулю, то точка M (x0 + ∆x, y1 ) будет двигаться по графику функции к точке M0 (x0 , y0 ). При этом секущая будет поворачиваться и стремиться занять некоторое предельное положение, которое

мы будем называть касательным положением или касательной к графику

функции в точке M0 (x0 , y0 ).

 

∆f (x0 )

 

 

 

Если существует конечный

lim

, то, пе-

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

∆x→0

 

 

реходя к пределу в уравнении секущей, получим

уравнение

касательной

y − y = f ′(x

 

)(x − x ), т.е.

 

 

= f ′(x

).

0

0

 

0

k

кас

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

Используя то, что угловой коэффициент прямой равен тангенсу угла наклона этой прямой к оси абсцисс, получаем геометрический смысл производной:

производная функции в точке x0 равна тангенсу угла наклона касательной к графику этой функции, проведенной в точке M0 (x0 , y0 ), к положительному направлению оси абсцисс.

Пример 4. В какой точке графика функции y = 2x2 касательная будет состав-

лять с положительным направлением оси абсцисс угол 45o ? Составить уравнение этой касательной.

☺ Используя результат примера 1, получим y′(x)= 4x . Касательная бу-

дет составлять с осью абсцисс угол 450

в той точке, где y′(x)= tg 45o =1. Решая

уравнение 4x

=1, получим x = 1

4

. Тогда

y =

2

= 1 и уравнение касатель-

 

0

0

 

 

0

42

8

ной будет иметь вид y − 18 =1 (x − 14)

или, после упрощения, y = x − 18 . ☻

1.3.Дифференцируемость функции

Определение 4.1.2. Функция

f (x)

называется дифференцируемой в точке x0 ,

если существует число A такое, что ∆f (x0 )= A∆x + o(∆x) при ∆x → 0 .

 

Теорема 4.1.1. Функция

f (x)

дифференцируема в точке

x0 тогда и только

тогда, когда она имеет производную в этой точке.

 

 

 

 

► Пусть

функция

f (x)

дифференцируема

в

точке x0 .

Тогда

 

∆f (x

)

 

 

A∆x + o(∆x)

 

 

o(∆x)

 

 

 

 

lim

0

 

=

lim

 

 

 

 

= lim A +

 

 

= A , т.е. в этой точке произ-

∆x

 

∆x

 

 

 

∆x

∆x→0

 

 

∆x→0

 

 

 

∆x→0

 

 

 

 

 

водная существует и равна A .

 

 

 

 

 

 

 

x0 , то по критерию су-

 

Наоборот, если существует производная в точке

ществования

предела

функции,

получим

 

∆f (x0 )

= f ′(x0 )+α (∆x),

где

 

∆x

α (∆x)→ 0 , если ∆x → 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

131

 

 

 

 

 

 

Тогда ∆f (x0 )= f ′(x0 )∆x +α(∆x)∆x = A∆x + o(∆x), где A = f ′(x0 ). ◄

Замечание. Из доказательства теоремы следует, что, если функция дифференцируема, то число A , о котором говорится в определении дифференцируемости, равно производной функции в данной точке.

Из доказанной теоремы следует, что для функции одной переменной дифференцируемость равносильна существованию производной.

Теорема 4.1.2. Если функция дифференцируема в точке, то она непрерывна в этой точке.

►Если функция дифференцируема в точке x0 , то для ее приращения выполняется соотношение ∆f (x0 )= A∆x + o(∆x) при ∆x → 0 , откуда следует, что

lim ∆f (x0 )= 0 . А это означает, что функция непрерывна в точке x0 . ◄

∆x→0

Замечание. Эта теорема необратима. Существуют функции, непрерывные в некоторой точке, но не имеющие производной в этой точке. Например, функция f (x) = x непрерывна в точке x = 0 , но ее график

не будет иметь касательной в этой точке, следовательно, она не будет дифференцируемой в ней.

Определение 4.1.3. Если функция дифференцируема в каждой точке промежутка (a,b), −∞ ≤ a < b ≤ +∞, то будем говорить, что она дифференцируе-

ма на промежутке (a,b).

1.4.Дифференциал

Определение 4.1.4. Допустим, что функция f (x) дифференцируема в точке x0 . Тогда выражение f ′(x0 )∆x будем называть дифференциалом этой функции в точке x0 и обозначать df (x0 ) или df .

Если функция дифференцируема в точке, то в этой точке выполняется равенство ∆f (x0 )= df (x0 )+ o(∆x). Поэтому часто говорят, что дифференциал –

это главная, линейная часть приращения функции в данной точке.

Отметим на графике функции точку M (x0 , y0 ), построим касатель-

ную в этой точке и возьмем некоторое приращение аргумента ∆x . Тогда ясно,

что величина df (x0 )= f ′(x0 )∆x совпа-

дает с приращением ординаты касательной, соответствующем приращению аргумента ∆x . В этом состоит геометрический смысл дифференциала.

Разность между приращением функции и ее дифференциалом ∆f (x0 )− df (x0 )= o(∆x) очень мала при малых

значениях ∆x . Это позволяет использовать дифференциал для приближенных вычислений.

132

[x0 , x0 +δ ) и существует предел lim
∆x→x0 +0

Найдем дифференциал от функции f (x) = x . Для этого найдем сначала

производную этой функции: (x)′ = lim

(x + ∆x)− x

 

= lim

∆x

= lim 1 =1.

∆x→0

 

∆x

 

 

∆x→0

∆x

∆x→0

Отсюда dx =1 ∆x и в формуле df (x

)= f ′(x

 

)∆x приращение аргумента

 

0

 

0

 

 

 

можно заменить дифференциалом функции f (x)= x :

df (x0 )= f ′(x0 )dx ,

что придает этой формуле симметричный вид.

Замечание. Из полученной формулы следует, что производную можно рассматривать как частное дифференциала функции и дифференциала аргумен-

 

 

′

 

df (x)

 

та:

f

(x)= dx .

 

1.5.Односторонние и бесконечные производные

Определение 4.1.5. Допустим, что функция определена на промежутке

∆f∆(xx0 ). Тогда этот предел будем на-

зывать правосторонний производной функции f (x) и обозначать f+′(x0 ).

Аналогично, если функция определена на промежутке (x0 −δ, x0 ] и суще-

ствует lim ∆f (x0 ), то его будем на-

∆x→x0 −0 ∆x

зывать левосторонней производной

функции f (x) и обозначать f−′(x0 ).

Прямые, проходящие через точку M0 (x0 , y0 ), где y0 = f (x0 ) с угловыми коэффициентами f+′(x0 ) и f−′(x0 ) естест-

венно называть правосторонней и лево-

сторонней касательными.

Теорема 4.1.3. Для того чтобы существовала производная f ′(x0 ) в точке x0

необходимо и достаточно, чтобы в этой точке существовали односторонние производные и f−′(x0 )= f+′(x0 ).

Доказательство этой теоремы очевидно и предоставляется читателю.

Теперь допустим, что lim ∆f (x0 ) =∞. Тогда будем говорить, что в точке

∆x→0 ∆x

x0 функция имеет бесконечную производную.

Запишем уравнение секущей в виде

∆x

(y − y

)= x − x . Тогда, так

∆f (x0 )

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

как lim

∆x

 

= 0

, то предельное положение секущей задается уравнением

∆f (x

)

∆x→0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

133

 

 

 

x = x0 . Геометрически это соответствует тому, что касательная к графику

функции будет перпендикулярна оси абсцисс.

В точке, где производная функции бесконечна, функция не является дифференцируемой.

Замечания

 

 

∆f (x0 )

 

 

∆f (x0 )

 

 

1. Может оказаться, что

lim

 

= +∞ или

lim

= −∞

. В этом слу-

 

 

 

 

∆x→0

 

∆x

∆x→0

∆x

f ′(x )= −∞.

чае, мы будем говорить, что

f ′(x )= +∞ или,

соответственно,

 

 

0

 

 

 

 

0

Графики таких функций в окрестности точки x = x0

схематически изображе-

ны на рисунках.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Можно говорить об односторонних бесконечных производных. При этом, если обе односторонние производные бесконечны и разных знаков, то можно написать f ′(x0 )=∞.

График такой функций приведен на рисунке.

§2 Правила дифференцирования. Таблица производных

2.1.Дифференцирование суммы, произведения, частного

Теорема 4.2.1. Пусть функции f (x)

и g (x)

дифференцируемы в точке x0 . То-

гда в этой точке дифференцируемы их сумма

f (x)+ g (x), их произведение

f (x) g (x) и, при условии, что g (x

)≠ 0 , их частное

f (x)

, при этом

 

 

 

0

 

 

 

g (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

(f (x)+ g (x))′ |x=x =

f ′(x0 )+ g′(x0 ),

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

б) (

f (x) g (x))′ |x=x =

f ′(x0 ) g (x0 )+ f (x0 ) g′(x0 ),

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) ′

f

′(x )g (x )−

f (x

)g′(x

)

 

в)

 

 

|x=x0 =

 

 

0

0

0

0

 

.

g (x)

 

 

 

g2 (x0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

134

 

 

 

 

 

 

► Так как ∆f (x0 )= f (x0 + ∆x)− f (x0 ) и ∆g (x0 ) = g (x0 + ∆x)− g (x0 ), то

f (x0 + ∆x)= f (x0 )+ ∆f (x0 ) и g (x0 + ∆x)= g (x0 )+ ∆g (x0 ).

 

 

 

 

 

Тогда, так как

lim

∆f (x0 )

=

f ′(x0 ) и

lim

∆g (x0 )

= g′(x0 ), то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x→0

 

∆x

 

 

 

 

∆x→0

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

a) (f (x)+ g (x))′ |x=x

= lim

(f

(x0 + ∆x)+ g (x0 + ∆x))−(f (x0 )+ g (x0 ))

=

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

∆f (x0 )+ ∆g (x0 )

=

 

lim

∆f (x0 )

+ lim

∆g (x0 )

 

= f ′(x0 )+ g′(x0 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

∆x→0

 

∆x

 

∆x→0

∆x

 

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) (f (x)g (x))′ |x=x =

lim

(f (x0 + ∆x)g (x0 + ∆x))−(f (x0 )g (x0 ))

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

(f (x0 )+ ∆f (x0 ))(g (x0 )+ ∆g

(x0 ))− f (x0 )g (x0 )

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

∆f (x0 )g (x0 )+ f (x0 )∆g (x0 )+ ∆f (x0 )∆g (x0 )

= lim

g (x

 

)

∆f (x0 )

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x→0

0

 

∆x

 

 

 

∆g (x0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

∆f (x0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ lim

f (x0 )

 

+ lim ∆g (x0 )

 

= f ′(x0 )g (x0 )+ f (x0 )g′(x0 ).

∆x

 

∆x→0

 

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

(x0 ) есть прираще-

Последний из пределов равен нулю, так как приращение ∆g

ние непрерывной в точке x0

функции, следовательно, бесконечно малая функ-

ция, а отношение

∆f (x0 )

 

ограничено в окрестности этой точки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) Для вычисления производной от частного вычислим сначала приращения частного:

 

f

 

 

f (x0 + ∆x)

 

 

f (x0 )

 

 

 

f (x0 )+ ∆f (x0 )

 

 

f (x0 )

 

∆f (x0 )g (x0 )− f (x0 )∆g (x0 )

∆

 

=

 

 

 

−

 

=

 

 

 

 

 

−

 

=

 

 

 

g

g (x0 + ∆x)

g (x0 )

g (x0 )+ ∆g (x0 )

g (x0 )

g (x0 )(g (x0 )+ ∆g (x0 ))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆

 

f

 

 

∆f (x

)

 

g (x0 )

− f (x0 )

∆g (x

)

 

 

 

 

 

 

f (x)

′ |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

= lim

 

 

= lim

 

∆x

 

 

∆x

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g (x0 )(g (x0 )+ ∆g (x0 ))

 

 

 

 

 

 

g (x)

 

x=x0

∆x→0

 

 

∆x

∆x→0

 

 

 

 

f

′(x

 

)g (x

)− f (x )g′(x

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

0

 

 

0

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

. ◄

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

2 (x

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следствие 1.

 

(C f (x))′ = C f ′(x).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

►

Вычислим

сначала

производную

от

постоянной функции:

(C )′ = lim

C −C

= lim 0 = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x→0

∆x

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда, применяя правило дифференцирования произведения, получим

(C f (x))′ = (C )′ f (x)+Cf ′(x)= Cf ′(x). ◄

135

Следствие 2. Из доказанной теоремы следуют соответствующие формулы

для дифференциалов функций:

а) d ( f + g ) = df + dg , б) d ( f g ) = g df + f dg ,

 

 

f

 

 

g df − f dg

 

в)

d

 

=

.

 

 

 

 

g

 

g2

Замечание. Эту теорему с помощью метода математической индукции легко распространить на случай суммы и произведения любого конечного числа

функций:

( f1 + f2 +... + fn )′ = f1′+ f2′ +... fn′,

( f1 f2 ... fn )′ =

f1′ f2 ... fn + f1 f2′ ... fn +... f1 f2 ... fn′.

2.2.Дифференцирование обратной функции

Теорема 4.2.2. Пусть функция f (x) непрерывна и строго монотонна на промежутке [a,b] и точка x0 (a,b) такова, что существует f ′(x0 )≠ 0 . Тогда

функция

 

f −1 (y),

обратная функции

f (x),

 

дифференцируема

в

точке

y0 = f (x0 ) и (f −1 (y))′ |y=y0 =

1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ′(x0 )

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

►Допустим для определенности, что функция

строго возрастает.

Так как точка x -

внутренняя точка промежутка [a,b], то существует отрезок

[x0 −δ, x0 +δ] 0[a,b], на котором функция f (x)

 

строго возрастает,

следова-

тельно, имеет обратную. Точка y0 = f (x0 )

будет внутренней точкой промежут-

ка f

(x

 

−δ ),

f (x

+δ ) ,

так как в силу монотонности функции

f (x)

будет

 

 

0

 

0

 

f (x0 −δ )< f (x0 )< f (x0 +δ ).

 

 

 

 

выполняться неравенство

(x −δ ), f (x

+δ ) .

 

 

Возьмем приращение

∆y

такое, чтобы

y

 

 

+ ∆y f

 

 

∆x = f −1 (y + ∆y)− f −1 (y

)≠ 0 , так как,

0

 

 

 

 

0

 

0

 

Тогда

в силу монотонности функции

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f −1 (y)

будет

выполнено

f −1 (y

+ ∆y)≠ f −1 (y

). Кроме

того,

∆x → 0 при

 

 

 

 

 

 

 

f −1 (y)

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆y → 0 , так как функция

непрерывна в точке y .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

1

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

Тогда

можно

написать

 

 

 

 

 

и,

если

существует

 

 

 

∆y

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆y

∆x

 

 

 

 

 

∆y = f ′(x0 )≠ 0

 

 

 

 

 

 

∆x =

1

 

 

 

 

 

 

lim

, то существует и lim

 

 

. ◄

 

 

 

 

f ′

(x0 )

 

 

 

 

∆x→0

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

∆y→0

∆y

 

 

 

 

 

Замечание. Доказанную формулу можно записать в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ′(x0 )=

 

1

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(f −1 (y))′ |y= f (x

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

136

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.Дифференцирование сложной функции

Теорема 4.2.3. Пусть функция f

(t ) дифференцируема в точке t0 и функция

ϕ(x) дифференцируема в точке

x0 , такой что ϕ(x0 )= t0 . Тогда сложная

функция f (ϕ(x)) дифференцируема в точке x0 , причем

(f (ϕ(x)))′ |x=x0 = ft′(t0 ) ϕ′x (x0 )= ft′(ϕ(x0 )) ϕ′x (x0 ).

►При заданных условиях функция f (t ) будет определена в некоторой

окрестности точки t0 и непрерывна в этой точке. Аналогично, функция ϕ(x)

будет определена в некоторой окрестности точки x0

и непрерывна в ней. В

гл3§4 было доказано, что тогда в окрестности точки x0

будет определена слож-

ная

функция

 

f (ϕ(x)).

 

Возьмем

приращение аргумента

 

∆x

такое, чтобы

x0 + ∆x

принадлежало этой окрестности.

Обозначим ∆t =ϕ

(x0 + ∆x)−ϕ(x0 ) и

отметим, что, так как функция ϕ(x)

непрерывна в точке

x0 , то ∆t → 0

при

∆x → 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (t ), можно написать

 

 

Тогда, в силу дифференцируемости функции

∆f (t

0

)= f ′(t

0

)∆t + o(∆t ), где o(∆t ) =α(∆t ) ∆t,

α(∆t )

→0 .

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

∆t→0

 

 

 

 

 

Деля

 

последнее равенство на

и

переходя к

пределу, получим

lim

∆f (x0 )

=

lim ft′(t0 )

∆t

+

o(∆t )

= ft′(t0 )ϕx′

(x0 ),

 

так

 

как

lim

∆t

=

 

 

 

 

 

 

 

∆x

∆x

∆x

 

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x→0

∆x

= lim

ϕ(x0 + ∆x)−ϕ(x0 )

=ϕ′x (x0 ) и

lim

o(∆t )

= lim

α (∆t )

 

∆t

 

= 0 . ◄

 

 

 

 

 

 

 

∆x→0

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

∆x→0

∆x

∆x→0

 

 

 

∆x

 

 

 

Следствие. Инвариантность формы первого дифференциала

Форма записи дифференциала df = f ′(t )dt сохраняется, если аргумент t

является дифференцируемой функцией какого-нибудь другого аргумента.

► Пусть t =ϕ(x). Тогда по определению дифференциала df = (f (ϕ(x)))′dx = ft′(ϕ(x)) ϕ′(x)dx .

Так как ϕ′(x)dx = dt , и ϕ(x)= t , то df = f ′(t )dt . ◄

Замечание. Необходимо понимать, что сохраняется только форма дифференциала df = f ′(t )dt , но, если аргумент t - независимая переменная, то dt -

приращение этого аргумента, а, если t - функция, то dt - это главная часть этого приращения.

137

2.4.Таблица производных

Составим теперь таблицу для производных от простейших элементарных

функций.

1.(C )′ = 0 ,

2.(xα )′ =αxα−1,

3.

(

x )′ =

 

1

 

,

 

 

 

 

 

 

2

x

4.

1

′

= −

1

,

 

 

 

 

 

x2

 

 

x

 

 

 

 

 

5.(ax )′ = ax ln a ,

6.(ex )′ = ex ,

7.(loga x)′ = xln1 a ,

11.(tg x)′ = cos12 x ,

12.(ctg x)′ = −sin12 x ,

13.

(arcsin x)′ =

 

1

,

 

1 − x2

 

 

 

 

14.

(arccos x)′ = −

1

 

,

 

 

 

 

 

1 − x2

15.(arctg x)′ = 1 +1x2 ,

16.(arcctg x)′ = −1 +1x2 ,

17.(sh x)′ = ch x ,

′

1

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

8. (ln x) = x ,

 

 

 

 

18.

(ch x) = sh x ,

9. (sin x)′ = cos x ,

 

 

 

 

19.

(th x)′ =

1

,

 

 

 

 

 

ch2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

10. (cos x)′ = −sin x ,

 

 

 

 

20.

(cth x)′ = −

 

.

 

 

 

 

sh2 x

► Первая формула была получена в следствии 1 из теоремы 4.2.1.

Вторую формулу докажем, используя один из пределов, полученных в 5.3

главы 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

α

 

1 +

 

−1

 

 

 

 

 

 

(xα )′ = lim

(x + ∆x)

− x

lim xα

 

x

 

= xα

lim

α∆x =αxα−1.

∆x

 

 

∆x

 

∆x→0

 

∆x→0

 

 

 

δx→0

x∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формулы 3 и 4 являются частными случаями формулы 2.

Также, используя известные пределы, докажем пятую и седьмую формулы.

(ax )′ = lim

ax+∆x − ax

= lim

 

ax (a∆x −1)

 

=

lim

ax∆xln a

= ex ln a .

 

 

∆x

 

∆x

 

∆x

 

 

 

∆x→0

∆x→0

∆x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

loga (x + ∆x)−loga x

 

 

loga 1 +

x

 

 

 

∆x

 

1

 

(loga x)′ = lim

 

= lim

 

 

 

 

= lim

 

=

.

 

 

∆x

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

xln a

∆x→0

 

 

 

 

 

∆x→0

 

 

 

 

∆x→0 xln a ∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

138

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формулы 6 и 8 являются частными случаями формул 5 и 7 при a = e . Теперь докажем формулы 9 и 10.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2sin

∆x

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin (x + ∆x)−sin x

 

 

 

 

 

 

 

2

cos x +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(sin x)′ = lim

 

=

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x→0

 

 

 

 

∆x

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆xcos x +

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

 

 

 

 

 

 

 

 

= cos x.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−2sin

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos(x + ∆x)−cos x

 

 

 

 

 

 

 

2

sin x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

(cos x)′ = lim

=

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x→0

 

 

 

 

 

∆x

 

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∆xsin x +

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −sin x.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формулы 11 и 12 получаются из правила дифференцирования частного:

′

 

 

(sin x)′cos x −(cos x)′sin x

 

 

cos2 x +sin2 x

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(tg x)

=

 

 

 

 

 

 

 

cos2 x

 

 

=

 

 

 

cos2 x

 

 

=

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 x

 

 

 

 

′

 

 

(cos x)′sin x −(sin x)′cos x

 

 

−(cos2 x +sin2 x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

(ctg x)

 

=

 

 

 

 

 

 

sin2 x

 

 

 

=

 

 

 

sin2 x

 

 

 

 

= −

sin2 x

.

 

Формулы 13-16 легко получить из правила дифференцирования обратной

функции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим функцию y = arcsin x . Обратной к ней функцией будет функ-

 

 

 

 

 

π

 

π

 

 

 

 

(arcsin x)′x

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

ция x = sin y, y −

 

,

 

 

. Поэтому

=

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

cos y

 

1 − x2

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(sin y)′y

 

 

 

 

 

Последняя формула верна, если y ≠ ±π2 , т.е. если x ≠ ±1.

Формулы 14-16 доказываются аналогично, и их доказательство предоставляем читателю.

Доказательство формул 17-20 также предоставляется читателю.◄

2.5.Логарифмическое дифференцирование

Рассмотрим прием, с помощью которого можно дифференцировать пока-

зательно-степенную функцию (u (x))v(x) и некоторые другие функции.

Обозначим y = (u (x))v(x). Так как эта функция определена при условии, что u (x)> 0 , то можно найти ln y : ln y = v(x) ln (u (x)). Продифференцируем обе части последнего равенства по переменной x . Слева это будет производная

139