Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/jax.js
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.1: Миттєві темпи змін - похідна

Загальний парк атракціонів їзди піднімає вершників на висоту, а потім дозволяє їм звільнитися на певну відстань, перш ніж безпечно зупинити їх. Припустимо, така їзда скидає вершників з висоти 150 футів. Студенти фізики можуть згадати, що висота (у футах) вершників,t секунди після вільного падіння (і ігнорування опору повітря і т.д.) може бути точно змодельованаf(t)=16t2+150.

Використовуючи цю формулу, легко переконатися, що без втручання вершники вдаряться об землю заt=2.51.53.06 лічені секунди. Припустимо, конструктори їзди вирішують почати уповільнення падіння гонщиків через 2 секунди (що відповідає висоті 86 футів). Як швидко гонщики будуть подорожувати в той час?

Нам дали позиційну функцію, але те, що ми хочемо обчислити, це швидкість в певний момент часу, тобто ми хочемо миттєвої швидкості. Ми в даний час не знаємо, як це обчислити.

Однак із загального досвіду ми знаємо, як розрахувати середню швидкість. (Якщо ми проїжджаємо 60 миль за 2 години, ми знаємо, що у нас була середня швидкість 30 миль/год.) Ми розглянули цю концепцію в розділі 1.1, коли ми ввели коефіцієнт різниці. У нас є

change in distancechange in time="rise''run=average velocity.

Ми можемо наблизити миттєву швидкість на,t=2 враховуючи середню швидкість протягом деякого періоду часу, що міститьt=2. Якщо ми зробимо часовий проміжок невеликим, то отримаємо хороше наближення. (Цей факт зазвичай використовується. Наприклад, високошвидкісні камери використовуються для відстеження швидкорухомих об'єктів. Відстані вимірюються на фіксованій кількості кадрів, щоб генерувати точне наближення швидкості.)

Враховуйте інтервал відt=2 доt=3 (безпосередньо перед тим, як гонщики вдаряться об землю). На цьому інтервалі середня швидкість дорівнює

f(3)f(2)32=f(3)f(2)1=80 ft/s,

де знак мінус вказує на те, що гонщики рухаються вниз. Звужуючи розглянутий нами інтервал, ми, швидше за все, отримаємо краще наближення миттєвої швидкості. На[2,2.5] нас є

f(2.5)f(2)2.52=f(2.5)f(2)0.5=72 ft/s.

Ми можемо зробити це протягом менших і менших інтервалів часу. Наприклад, протягом часового проміжку 1/10th секунди, тобто, на[2,2.1], ми маємо

f(2.1)f(2)2.12=f(2.1)f(2)0.1=65.6 ft/s.

За часовий проміжок 1/100th секунди, на[2,2.01], середня швидкість дорівнює

f(2.01)f(2)2.012=f(2.01)f(2)0.01=64.16 ft/s.

Те, що ми насправді обчислюємо, це середня швидкість на інтервалі[2,2+h] для малих значеньh. Тобто ми обчислюємо там,f(2+h)f(2)hh де мало.

Те, чого ми дійсно хочемоh=0, так це, але це, звичайно, повертає звичну0/0 "" невизначену форму. Таким чином, ми використовуємо обмеження, як ми зробили в розділі 1.1.

Ми можемо наблизити значення цієї межі чисельно з малими значеннямиh, як показано на малюнку 2.1. Це виглядає так, ніби швидкість наближається64 ft/s. обчислення межі безпосередньо дає

limh0f(2+h)f(2)h=limh016(2+h)2+150(16(2)2+150)h=limh064h16h2h=limh06416h=64.

clipboard_ea030b9f2c515604685858c4520200655.png
Малюнок 2.1: Наближення миттєвої швидкості з середніми швидкостями за невеликий проміжок часуh.

Графічно ми можемо переглянути середні швидкості, які ми обчислювали чисельно, як нахили січних ліній на графікуf проходження точок(2,f(2)) і(2+h,f(2+h)). На малюнку 2.2 січна лінія,h=1 що відповідає, показана в трьох контекстах. На малюнку 2.2 (а) показана версія «зменшеного масштабу»f з її січною лінією. У (b) ми збільшуємо масштаб навколо точок перетину міжf і січною лінією. Зверніть увагу, наскільки добре ця січна лінія наближаєтьсяf між цими двома точками - звичайна практика наближення функцій прямими лініями.

Оскількиh0 ці січні лінії наближаються до дотичної лінії, лінії, яка проходить через точку(2,f(2)) зі спеціальним нахилом64. У частинок (c) і (d) малюнка 2.2 збільшуємо масштаб навколо точки(2,86). У (c) ми бачимо січну лінію, якаf добре наближається, але не так добре дотичну лінію, показану в (d).

clipboard_e1a6d4e76b3ebc62e9865e765bfae1409.png
Малюнок 2.2: Частини (a), (b) та (c) показують січну лінію доf(x) with h=1, збільшену в різних кількостях. Частина (d) показує дотичну лінію доf at x=2.

Ми щойно ввели ряд важливих понять, які ми будемо більш детально продумувати в цьому розділі. Спочатку формально визначимо два з них.

Визначення 7: Похідна в точці

fДозволяти бути безперервної функції на відкритому інтерваліI і нехайc бути вI. Похідна відf atc, позначаєтьсяf(c), заlimh0f(c+h)f(c)h, умови, що межа існує. Якщо межа існує, ми говоримо,f що диференційовна наc}; якщо межа не існує, тоf не диференціюється наc}. Якщоf диференціюється в кожній точціI, тоf диференціюється наI.

Визначення 8: Дотична лінія

fДозволяти бути безперервним на відкритому інтерваліI іc диференційовані в, для деякихc вI. Лінія з рівнянням(x)=f(c)(xc)+f(c) є дотичною лінією до графікаf atc; тобто це лінія, через нахил(c,f(c)) якої є похідною відf atc.

Деякі приклади допоможуть нам розібратися в цих визначеннях.

Приклад 32: Пошук похідних та дотичних ліній

Нехайf(x)=3x2+5x7. Знайти:

  1. f(1)
  2. Рівняння дотичної прямої до графікаf atx=1.
  3. f(3)
  4. Рівняння дотичної прямої до графаf вx=3.

Рішення

  1. Ми обчислюємо це безпосередньо за допомогою визначення 7. f(1)=limh0f(1+h)f(1)h=limh03(1+h)2+5(1+h)7(3(1)2+5(1)7)h=limh03h2+11hh=limh03h+11=11.
  2. Дотична лінія вx=1 має нахилf(1) і проходить через точку(1,f(1))=(1,1). Таким чином, дотична лінія має рівняння, у формі точки-нахилу,y=11(x1)+1. У ухилі-перехоплення формі ми маємоy=11x10.
  3. Знову ж таки, використовуючи визначення,f(3)=limh0f(3+h)f(3)h=limh03(3+h)2+5(3+h)7(3(3)2+5(3)7)h=limh03h2+23hh=limh03h+23=23.
  4. Дотична лінія вx=3 має нахил23 і проходить через точку(3,f(3))=(3,35). Таким чином, дотична лінія має рівнянняy=23(x3)+35=23x34.

    Графікf(x)=3x2+5x7 і його дотичні лінії вx=1 іx=3.
clipboard_e6f388d8ff2ef9e016fda6fbac7799380.png
Малюнок 2.3: Графікf(x)=3x2+5x7 і його дотичні лінії вx=1 іx=3.

Ще одна важлива лінія, яку можна створити за допомогою інформації з похідної - нормальна лінія. Вона перпендикулярна дотичній лінії, отже її нахил протилежний нахилу дотичної лінії.

Визначення 9: Звичайна лінія

fДозволяти бути безперервним на відкритому інтерваліI іc диференційовані в, для деякихc вI. Нормальна лінія до графікаf atc - це лінія з рівняннямn(x)=1f(c)(xc)+f(c), деf(c)0. Колиf(c)=0, нормальна лінія є вертикальною лінією наскрізь(c,f(c)); тобто,x=c.

Приклад 33: Пошук рівнянь нормальних ліній

Нехайf(x)=3x2+5x7, як у прикладі 32. Знайдіть рівняння нормальних ліній на графікуf atx=1 іx=3.

clipboard_ec56b49d68c876841037547f54b088beb.png
Малюнок 2.4: Графікf(x)=3x2+5x7, поряд з нормальною лінією вx=1.

Рішення

У прикладі 32 ми виявили, щоf(1)=11. Значить приx=1, нормальна лінія буде мати нахил1/11. Рівняння для нормальної лінії -n(x)=111(x1)+1. Нормальна лінія побудована з наy=f(x) малюнку 2.4. Зверніть увагу, як лінія виглядає перпендикулярноf. (Ключове слово тут - «дивиться». Математично ми говоримо, що нормальна лініяf перпендикулярна на,x=1 оскільки нахил нормальної лінії протилежний нахилу дотичної лінії. Однак нормальні лінії не завжди можуть виглядати перпендикулярно. Велику роль в цьому відіграє співвідношення сторін картинки графіка.)

Ми також виявилиf(3)=23, що, так нормальна лінія до графікаf вx=3 буде мати нахил1/23. Рівняння для нормальної лінії дорівнюєn(x)=123(x3)+35.

З лінійними функціями легко працювати, з багатьма функціями, що виникають в процесі вирішення реальних завдань, непросто працювати. Звичайною практикою розв'язання математичних задач є наближення складних функцій з не дуже складними функціями. Лінії - поширений вибір. Виходить, що в будь-якій заданій точці на графіку диференційовної функціїf найкращим лінійним наближенням доf є її дотична лінія. Це одна з причин, чому ми витратимо значний час на пошук дотичних ліній до функцій.

Одним з типів функцій, який не виграє від наближення дотичної лінії, є лінія; досить просто розпізнати, що дотичною лінією до прямої є сама лінія. Ми розглянемо це в наступному прикладі.

Приклад 34: Пошук похідної від рядка

Розглянемоf(x)=3x+5. Знайти рівняння дотичної прямої доf atx=1 іx=7.

Рішення

Знаходимо нахил дотичної лінії за допомогою Definition 7.

f(1)=limh0f(1+h)f(1)h=limh03(1+h)+5(3+5)h=limh03hh=limh03=3.

Ми щойно це виявилиf(1)=3. Тобто ми знайшли миттєву швидкість зміниf(x)=3x+5 є3. Це не дивно; лінії характеризуються тим, що є єдиними функціями з постійною швидкістю зміни. Ця швидкість зміни називається нахилом лінії. Оскільки їх темпи зміни постійні, їх миттєві темпи зміни завжди однакові; всі вони є нахилом.

Таким чином, дана лініяf(x)=ax+b, похідна в будь-якій точціx будеa; тобто,f(x)=a.

Тепер легко побачити, що дотична лінія до графікаf atx=1 є простоf, з тим самим істинним дляx=7.

Ми часто хочемо знайти дотичну лінію до графіка функції, не знаючи фактичної похідної функції. У цих випадках найкраще, що ми можемо зробити, - це приблизна дотична лінія. Ми демонструємо це в наступному прикладі.

Приклад 35: Числове наближення дотичної прямої

Наблизимо рівняння дотичної прямої до графікаf(x)=sinx atx=0.

clipboard_e8889e1fa570ba3775c3b368b3d735742.png
Малюнок 2.5: наf(x)=sinx графіку з наближенням до його дотичної лінії вx=0.

Рішення

Для того щоб знайти рівняння дотичної лінії, нам знадобиться нахил і точка. Справа дана нам:(0,sin0)=(0,0). Для обчислення нахилу нам знадобиться похідна. Саме тут ми зробимо наближення. Нагадаємо, щоf(0)sin(0+h)sin0h за невелике значенняh. Вибираємо (кілька довільно) пускатиh=0.1. f(0)sin(0.1)sin00.10.9983.Таким чином, наше наближення рівняння дотичної прямої єy=0.9983(x0)+0=0.9983x; воно зображено на малюнку 2.5. Графік, здається, означає, що наближення досить гарне.

Нагадаємо з розділу 1.3limx0sinxx=1, що означає значенняx близько 0,sinxx. Так як нахил лініїy=x дорівнює 1 вx=0, то має здатися розумним, що «нахилf(x)=sinx» знаходиться близько 1 вx=0. Насправді, так як ми наближені значення нахилу бути0.9983, ми можемо здогадатися фактичне значення 1. Ми повернемося до цього пізніше.

Розглянемо ще раз приклад 32. Щоб знайти похідну відf atx=1, нам потрібно було оцінити межу. Щоб знайти похідну відf atx=3, нам потрібно було знову оцінити межу. У нас є цей процес:

clipboard_ee20cd7fd36f1000754ffe3ddc0bf88f0.png

Цей процес описує функцію; задавши один вхід (значенняc), ми повертаємо рівно один вихід (значенняf(c)). Поле «зробити щось» - це те, де відбувається нудна робота (беручи межі) цієї функції.

Замість того, щоб застосовувати цю функцію повторно для різних значеньc, давайте застосуємо її лише один раз до змінноїx. Потім ми беремо ліміт всього один раз. Тепер процес виглядає так:

clipboard_e8be640580588bbf8afe46f9ff2e21da6.png

Виходом є «похідна функція»f(x). f(x)Функція прийме числоc як вхід і поверне похідну відf atc. Це вимагає визначення.

Визначення 10: Похідна функція

fДозволяти диференційовану функцію на відкритому інтерваліI. Функціяf(x)=limh0f(x+h)f(x)h є похідною відf.

Позначення:

Нехайy=f(x). Наступні позначення представляють похідну:

f(x) = y = dydx = dfdx = ddx(f) = ddx(y).

Важливо: позначенняdydx є одним символом; це не дріб "dy/dx». Позначення, хоча спочатку дещо заплутане, було підібрано з обережністю. Символ, що виглядає на дріб, був обраний, оскільки похідна має багато властивостей, подібних до дробу. Серед інших місць ми бачимо ці властивості на роботі, коли ми говоримо про одиниці похідної, коли ми обговорюємо Правило ланцюга та коли дізнаємося про інтеграцію (теми, які з'являються в наступних розділах та главах).

Приклади допоможуть нам розібратися в цьому визначенні.

Приклад 36: Пошук похідної функції

Нехайf(x)=3x2+5x7 як у прикладі 32. Знайтиf(x).}

Рішення: Застосовуємо визначення 10.

f(x)=limh0f(x+h)f(x)h=limh03(x+h)2+5(x+h)7(3x2+5x7)h=limh03h2+6xh+5hh=limh03h+6x+5=6x+5

Отжеf(x)=6x+5. Нагадаємо, раніше ми з'ясували, щоf(1)=11 іf(3)=23. Зверніть увагу на наші нові обчисленняf(x) підтверджують ці факти.

Приклад 37: Пошук похідної функції

Нехайf(x)=1x+1. Знайтиf(x).

Рішення: Застосовуємо визначення 10.

f(x)=limh0f(x+h)f(x)h=limh01x+h+11x+1h
Тепер знайдіть спільний знаменник, потім відніміть;1/h витягніть спереду, щоб полегшити читання.
=limh01h(x+1(x+1)(x+h+1)x+h+1(x+1)(x+h+1))=limh01h(x+1(x+h+1)(x+1)(x+h+1))=limh01h(h(x+1)(x+h+1))=limh01(x+1)(x+h+1)=1(x+1)(x+1)=1(x+1)2

Отжеf(x)=1(x+1)2. Щоб практикувати використання наших позначень, ми також могли б констатуватиddx(1x+1)=1(x+1)2.

Приклад 38: Пошук похідної функції

Знайти похідну відf(x)=sinx.}

Рішення

Перш ніж застосовувати Definition 10, зауважте, що як тільки це буде знайдено, ми можемо знайти фактичну дотичну лінію доf(x)=sinx atx=0, тоді як ми вирішили наближення в прикладі 35.

clipboard_eedcc7214c25d9ea983c110c0d4e30174.png

Ми виявили, що колиf(x)=sinx,f(x)=cosx. Це повинно бути дещо дивним; результат виснажливого граничного процесу та синусоїдальної функції є приємною функцією. Тоді знову ж таки, можливо, це не зовсім дивно. Функція синуса періодична — вона повторюється через рівні проміжки часу. Тому його швидкість зміни також повторюється на тих же регулярних інтервалах. Ми повинні були знати, що похідна буде періодичною; тепер ми точно знаємо, яка періодична функція це.

Повернувшись до Прикладу 35, ми можемо знайти нахил дотичної лінії доf(x)=sinx at,x=0 використовуючи нашу похідну. Ми наблизили нахил як0.9983; тепер ми знаємо, що нахил точноcos0=1.

Приклад 39: Пошук похідної від кусково визначеної функції

Знайти похідну від функції абсолютного значення,f(x)=|x|={xx<0xx0.

Див. Малюнок 2.6.

Рішення

Ми повинні оцінитиlimh0f(x+h)f(x)h. Якf це кусково - визначено, ми повинні окремо розглянути межі, колиx<0 і колиx>0.

clipboard_ec7d8ec9ac0be2c40b1f320bd0232b33d.png
Малюнок 2.6: Функція абсолютного значення,f(x)=|x|. Зверніть увагу, як нахил ліній (а отже, і дотичних ліній) різко змінюється наx=0.

Колиx<0:

ddx(x)=limh0(x+h)(x)h=limh0hh=limh01=1.

Колиx>0, подібне обчислення показує, щоddx(x)=1.

Нам також потрібно знайти похідну приx=0. За визначенням похідної в точці, ми маємоf(0)=limh0f(0+h)f(0)h. Оскількиx=0 це точка, де визначення нашої функції перемикається від одного шматочка до іншого, ми повинні розглянути ліву та праву межі. Розглянемо наступне, де обчислюємо ліву і праву межі пліч-о-пліч.

clipboard_ec4b0a6ce14c0f297e37d4cbac6c0be45.png

Останні рядки кожного стовпця розповідають історію: ліві та праві межі не рівні. Тому межа не існує при 0 іf не диференційована при 0. Таким чиномx=0,f(x)={1x<01x>0. у нас є At,f(x) не існує; є стрибок розриву на 0; див. Рис. Такf(x)=|x| диференціюється скрізь, крім 0.

clipboard_e2eeaec99d9d3ab8927a4a572dc9c03b5.png
Малюнок 2.7: Графік похідної відf(x)=|x|.

Точка недиференційованості прийшла тоді, коли кусково визначена функція переключалася з однієї частини на іншу. Наступний наш приклад показує, що це не завжди доставляє неприємності.

Приклад 40: Пошук похідної від кусково визначеної функції

Знайдіть похідну відf(x), деf(x)={sinxxπ/21x>π/2. див. Рис. 2.8.

clipboard_e99081f8dcdce62e3c36d3bc289f4cd4d.png
Малюнок 2.8: Графікf(x), як визначено в прикладі 40.

Рішення

Використовуючи приклад 38, ми знаємо, що колиx<π/2,f(x)=cosx. Це легко перевірити, колиx>π/2,f(x)=0; врахуйте:

limh0f(x+h)f(x)h=limh011h=limh00=0.

Поки що ми маємоf(x)={cosxx<π/20x>π/2. Нам ще потрібно знайтиf(π/2). Зверніть увагу наx=π/2 те, щоf обидва шматки 0, тобто ми можемо стверджувати, щоf(π/2)=0.

Будучи більш суворими, ми можемо знову оцінити межу коефіцієнта різниці наx=π/2, використовуючи знову ліві та праві обмеження:

clipboard_e0ece6686380f0cba5d61a108c10e2aba.png

Оскільки обмеження лівої та правої руки дорівнюють 0 atx=π/2, межа існує іf(π/2) існує (і дорівнює 0). Тому ми можемо повністю написатиf якf(x)={cosxxπ/20x>π/2. Див. Рис. 2.9 для графіка цієї функції.

clipboard_e0bf88c93a03e778407c6786f12c52b3c.png
Малюнок 2.9: Графікf(x) у прикладі 40.

Нагадаємо, ми псевдо-визначили безперервну функцію як таку, в якій ми могли б намалювати її графік, не піднімаючи наш олівець. Ми також можемо дати псевдовизначення диференційованості: це неперервна функція, яка не має жодних «гострих кутів». Один такий гострий кут зображений на малюнку 2.6. Незважаючи на те, що функціяf в прикладі 40 кусково визначена, перехід є «плавним», отже, він диференційовний. Зверніть увагу, як наf графіку на малюнку 2.8 важко сказати, колиf перемикається з однієї частини на іншу; немає «кута».

Цей розділ визначив похідну; в деякому сенсі він відповідає на питання «Що таке похідна?» У наступному розділі розглядається питання «Що означає похідна?»

Автори та атрибуція

  • Was this article helpful?