Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Учебно-прктич. пособие по матем.pdf
Скачиваний:
41
Добавлен:
20.02.2016
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

8.1.3. Физический смысл производной.

С физической точки зрения разностное отношение ∆f (x0 ) явля-

∆x

ется средней

скоростью

изменения функции

f (x)

на отрезке

[x0

, x0 +∆x], а

тогда lim

∆f (x0 ) = f ′(x0 ) называется

мгновенной

 

 

∆x→0

∆x

 

 

скоростью изменения функции f (x) в точке x0 .

 

 

 

Так, например, если функция S = f (t) задает зависимость пути

S ,

пройденного некоторым телом, от времени

t , то производная

f ′(t) = v(t) является скоростью движения; если функция V = f (t) вы-

ражает зависимость количества производимой продукции от времени t , то ее производная V ′ = f ′(t) = p(t) является производительностью

труда в момент времени t .

8.1.4. Непрерывность дифференцируемой функции.

Теорема 8.1. Если функция y = f (x) имеет производную в точке x0 , то она непрерывна в этой точке.

Обратное утверждение верно не всегда. Существуют непрерывные в точке x0 функции, не имеющие в этой точке производной

(пример 8.3).

 

 

8.1.5. Основные правила дифференцирования.

 

Пусть

D1 ― множество точек из области определения функции

y = f (x) , в каждой из которых существует производная

′

f (x) . Тогда

каждому

значению x D1 соответствует

′

задана новая

f (x) , т.е.

 

′

D1 . Процесс нахождения

функция y = f (x) с областью определения

производной называется дифференцированием и осуществляется по некоторым формальным правилам. Напомним эти правила.

Теорема 8.2. Производная постоянной равна нулю: т.е. если y = C , то y′ = C′ = 0 .

Теорема 8.3. Если функции u = f (x) и v = g(x) имеют производ-

ные в точке x , то в этой точке имеют производные сумма, разность, произведение и частное этих функций (частное при условии, что g(x) ≠ 0 ), причем :

106

1)(u ±v)′ = u′±v′ производная суммы (разности) равна сумме (разности) производных;

2)(uv)′ = u′v +uv′ производная произведения равна произве-

дению производной первого сомножителя на второй плюс произведение первого сомножителя на производную второго сомножителя;

 

u

'

′

′

 

 

 

3)

=

u v −uv

 

 

 

производная частного равна дроби, знаме-

 

 

 

 

 

 

v2

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

нателем которого является квадрат знаменателя, а числителем служит разность между произведением производной числителя на знаменатель и произведением числителя на производную знаменателя.

 

 

 

′

′

−

постоянный множитель выносится за

Следствие: (cu) = c u

 

знак производной;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

′

 

′

 

 

 

 

′

 

 

 

 

4) (uv...w)

= u v...w +uv ...w + +uv...w

 

 

 

 

Теорема 8.4. (производная сложной функции ). Если функция

y = g(x)

имеет производную в точке x0 , а функция

z = f (y) имеет

производную

в

точке

 

y0 = g(x0 ) ,

то

сложная

функция

z = F(x) = f (g(x))

имеет

 

производную

в

точке

x0 и

F′(x0 ) = f ′(y0 )g′(x0 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 8.5. (производная обратной функции). Пусть функция

y = f (x)

в некоторой окрестности точки

x0

является строго моно-

тонной,

непрерывной и

существует производная

f ′(x0 ) ,

причем

f ′(x0 ) ≠ 0 . Тогда

существует

обратная

функция

x = f −1(y) = g(y) ,

определенная в некоторой окрестности точки

y0 = f (x0 ) , строго м о-

нотонная, непрерывная и обратная функция имеет производную

 

 

 

g′(y0 ) =

1

 

 

 

 

 

(8.8)

 

 

 

f ′(x0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

107

8.1.6. Таблица производных основных элементарных функций.

Запишем таблицу производных основных элементарных функций, учитывая правило дифференцирования сложной функции:

1.

y = c = const,

y′ = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

y = x,

 

 

y′ =1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

y = u,

 

 

y

′

= u .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

y = uα

(α = const),

y′ =α uα−1 u′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

y = u ,

y′

=

 

u

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

y

′

 

 

 

 

 

 

u′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = u ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

 

= −u2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.

y = a

u

 

(a > 0, a ≠1),

y

′

= a

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

ln a u .

8.

y = e

u

,

 

y

′

= e

u

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u .

 

 

 

 

 

 

9.

y = loga u,

y′ =

 

 

 

 

 

u′

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

u ln a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = ln u,

y′

 

 

u′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.

=

 

u .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.

y = sin u,

y′ = cosu u′

12.

y = cosu,

y

′

= −sin u

 

 

 

′

 

u .

13.

y = tgu,

y′

=

 

 

 

 

 

u′

 

 

.

 

 

 

 

 

 

cos2 u

 

 

 

 

 

 

y = ctgu,

y

′

 

 

 

 

 

 

 

 

u′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14.

= −sin2 u .

 

 

y = arcsin u,

y

′

=

 

 

 

 

 

u′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15.

 

 

1−u2 .

 

 

 

16.

y = arccosu,

y′

= −

 

 

 

u

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1−u2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17.

y = arctgu,

y′

=

 

 

 

 

 

u′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+u2.

 

 

 

 

 

 

 

18.

y = arcctgu,

y′

= −

 

 

 

u′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+u2.

 

108

8.1.7. Производная степенно-показательной функции.

Пусть функции u(x)

и v(x) имеют производные в некоторой

точке x X , причем на

X

определена функция y = (u(x))v(x) , где

u(x) > 0. Тогда функция y

имеет производную в точке x , причем ее

можно найти с помощью логарифмического дифференцирования

(8.9): так как y = f (x) = (u(x))v(x)

(u(x) > 0),

 

 

то ln

 

y

 

= ln

 

 

(u(x))v(x)

 

 

 

= v(x) ln(u(x)) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

(ln

 

y

 

)′ = v′(x)ln(u(x)) + v(x)u′(x) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)′=

y′

 

u(x)

 

 

Учитывая, что (ln

 

y

 

 

 

 

 

 

,

получаем окончательно

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

′

 

 

 

 

y′ = (u(x))v(x)

 

 

 

 

 

(8.10)

 

 

 

v′(x)ln(u(x)) + v(x)u (x)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x)

 

 

Формулу (8.10) не следует заучивать, надо запомнить прием, использованный при выводе этой формулы.

8.1.8. Примеры вычисления производных.

Приведем несколько типичных примеров вычисления производных. Пример 8.5. Найти производные следующих функций:

1) y = arcsin a2 − x2 ; a2 + x2

4) y = ln x2 +1 − x ; x2 +1 + x

2) y = arctg

1− x

; 3)

y = ln(emx +e−mx ) ;

 

1+ x

 

 

 

5

 

 

5) y =

(x −1)2

;

6) y = x

1

.

3

7

x

 

(x −2)4

(x −4)3

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

a2 − x2 ′

 

 

 

−2x(a2 + x2 ) −2x(a2 − x2 )

 

 

 

a2

− x2

 

 

 

 

2

+ x

2

 

 

 

 

 

 

(a2 + x2 )2

 

 

 

1)

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arcsin

a

2

+ x

2

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2 − x2 2

 

(a2

+ x2 )2 −(a2

− x2 )2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

+ x

2

 

 

 

 

(a2 + x2 )2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

−4a2 x

 

 

 

= −

 

 

 

2a

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

+ x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(a2 + x2 ) 4a2 x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

109

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

− x ′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

1

+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1− x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1− x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

− x ′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2)

arctg

1

=

 

 

 

1

+ x

 

 

 

=

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

1− x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

+ x

1

+

 

 

 

1− x

 

 

 

1+

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

1

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

1

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2(1+ x)

 

1− x

1− x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−(1+ x) −(1− x)

 

 

 

(1+ x)2

=

 

 

 

 

=

2

 

 

1+ x +1− x

 

1− x

 

 

 

1+ x

1+ x

 

 

 

 

 

 

(e

mx

+e

−mx

)

′

 

(e

mx

′

−mx

)

′

 

3) (ln(e

mx

+e

−mx

′

 

 

 

=

 

) +(e

 

 

=

 

 

)) =

emx +e−mx

 

 

 

emx +e−mx

 

 

=

emx (mx)′+e−mx (−mx)′)

= emxm +e−mx (−m)

= m(emx −e−mx ) .

 

 

 

 

emx +e−mx

 

 

 

 

 

emx +e−mx

 

 

emx +e−mx

4) Здесь, предварительно упростим выражение для y , а затем будем его дифференцировать. Имеем:

 

 

 

 

 

 

(

x2

+1

− x)2

 

(

x2

+1

− x)2

 

y = ln

 

x2

+1 − x

= ln

= ln

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 +1

− x2

 

x2 +1 + x

( x2 +1 + x)( x2 +1 − x)

 

 

 

 

 

= 2ln(x2 +1 − x) .

Теперь дифференцируем: y′ = (2ln(

 

 

 

− x))′= 2(

 

x2 +1

− x)′ =

x2 +1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

+1 − x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x

 

 

x −

x

2

+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

−1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

x2 +1

 

 

 

 

 

x2

+1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

=

 

 

 

 

= −

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 +1 − x

 

 

 

x2 +1 − x

 

x

2 +1

 

 

 

 

 

 

5) Вначале найдем логарифм от функции y :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln y =

5 ln(x −1) − 3 ln(x −2) − 7 ln(x −4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

4

 

 

 

3

 

 

 

 

 

Дифференцируя это равенство, находим:

yy′ = 52 x1−1 − 34 x −1 2 − 73 x −1 4 .

110

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

y′ = y

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(x −1)

 

4(x −2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3(x −4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

=

 

 

 

(x

−1)

2

 

 

 

 

 

 

5

 

 

−

 

 

 

3

 

−

 

 

 

7

 

=

 

(x −1)

2

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

4(x −2)

3(x −4)

 

3

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2(x −1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x −2)4 (x −4)3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x −2)4 (x −4)3

 

=

30(x2 −6x +8) −9(x2 −5x +4) −28(x2 −3x +2)

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12(x −1)(x −2)(x −4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

+51x −148)(x −1)2

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12(x −2)4 (x −4) 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. y = x

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вначале найдем логарифм от функции y :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln y =

1

 

 

 

1

= −

1

ln x = −

ln x

. Дифференцируя это равенство,

 

 

 

 

ln

 

 

x

x

 

 

 

 

x

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

′

 

 

 

 

 

 

 

′

−ln x

(x)

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x −ln x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ln x) x

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

получим:

y

= −

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или

 

 

y

= −y

 

 

x2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда:

y′

 

 

 

1

ln x −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

x

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наибольшие затруднения встречаются при дифференцировании сложной функции, поэтому следует запомнить, что дифференцирование производится в порядке, обратном тому, который существует при вычислении частного значения функции y для определенного

значения аргумента x .

Пример 8.6. Найти производную функции y = sin2 5x. Решение. Для вычисления y аргумент x : 1) умножается на 5;

2) отыскивается синус; 3) результат возводится во вторую степень. Следовательно, дифференцирование производится в обратном порядке, т.е. сначала дифференцируем степень, затем синус и, наконец, произведение на постоянную :

y = 2(sin 5x)(sin 5x)′ = 2sin 5x cos5x (5x)′ = 2sin 5x cos5x 5 = 5sin10x .

111