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

2.2: Тлумачення похідної

У попередньому розділі визначено похідну функції та наведено приклади того, як її обчислити за допомогою її визначення (тобто з використанням обмежень). Розділ також розпочався з короткої мотивації до цього визначення, тобто знаходження миттєвої швидкості падаючого об'єкта з урахуванням його функції положення. Наступний розділ дасть нам більш доступні інструменти для обчислення похідної, інструменти, які легше використовувати, ніж багаторазове використання лімітів.

Цей розділ потрапляє між «Що таке визначення похідної?» і «Як обчислити похідну?» секцій. Тут нас турбує «Що означає похідна?» , Або, можливо, при читанні з правильним наголосом: «Що таке похідна?» Ми пропонуємо дві взаємопов'язані інтерпретації похідної, сподіваємось, пояснюючи, чому ми дбаємо про це і чому вона гідна вивчення.

Інтерпретація похідної #1: Миттєва швидкість зміни

Попередній розділ розпочався з прикладу використання положення об'єкта (в даному випадку падаючого атракціону — паркувальника) для визначення швидкості об'єкта. Цей тип прикладу часто використовується при введенні похідної, оскільки ми схильні легко розпізнати, що швидкість - це миттєва швидкість зміни положення. Загалом, якщоf є функцієюx, тоf(x) вимірює миттєву швидкість зміниf щодоx. Іншими словами, похідна відповідає «Колиx змінюється, з якою швидкістюf змінюється?» Думаючи про атракціон - парк атракціонів, ми запитали: «Коли час змінився, з якою швидкістю змінювалася висота?» і знайшов відповідь «За -64 футів в секунду».

А тепер уявіть, як керуєте автомобілем і дивитеся на спідометр, на якому написано «60 миль/год». Через п'ять хвилин ви дивуєтеся, як далеко ви подорожували. Звичайно, багато речей могло статися за ці 5 хвилин; ви могли б навмисно прискорити значно, ви могли б прийти до повної зупинки, ви могли б сповільнитися до 20 миль/год, коли ви пройшли через будівництво. Але припустимо, що ви знаєте, як водій, нічого з цих речей не сталося. Ви знаєте, що підтримували досить послідовну швидкість протягом цих 5 хвилин. Що таке хороше наближення пройденої відстані?

Можна стверджувати, що єдине хороше наближення, враховуючи надану інформацію, базувалося б на «відстані =× час швидкості». У цьому випадку ми припускаємо постійну швидкість 60 миль/год з часом5/60 годин. Отже, ми б наближали відстань, пройдену як 5 миль.

Повертаючись до падіння атракціонів - парк їзди, знаючи, щоt=2 на швидкості була64 ft/s, ми могли б обґрунтовано припустити, що через 1 секунду висота вершників знизилася б приблизно на 64 фути. Знаючи, що вершники прискорюються, коли вони падали, повідомить нам, що це недо-наближення. Якби все, що ми зналиf(2)=64, щоf(2)=86 і, ми б знали, що нам доведеться зупинити вершників швидко, інакше вони вдарять об землю!

Одиниці похідної

Корисно розпізнавати одиниці похідної функції. Якщоy є функцієюx, тобтоy=f(x) для якоїсь функціїf, іy вимірюється в футах іx в секундах, то одиниці «y=fфути в секунду», зазвичай пишуться як «ft/s». Загалом, якщоy вимірюється в одиницяхP іx вимірюється в одиницяхQ, тоy буде вимірюватися в одиницях "PзаQ «, або"»P/Q. Тут ми бачимо дробово-подібну поведінку похідної в позначеннях:

\[\text{the units of } \frac{dy}{dx} \text{ are } \frac{\text{units of y}}{\text{units of x}}.\]

Приклад 41: Значення похідної: Населення світу

НехайP(t) представляють світове населенняt хвилин після 12:00 ранку, 1 січня 2012 року. Це досить точно сказати, щоP(0)=7,028,734,178 (www.prb.org). Це також досить точно констатуватиP(0)=156; тобто опівночі 1 січня 2012 року населення світу зростало приблизно на 156 осіб в хвилину (зверніть увагу на одиниці). Через двадцять днів (або, 28 800 хвилин пізніше) ми могли б обґрунтовано припустити, що населення зросло приблизно на28,800156=4,492,800 людей.

Приклад 42: Значення похідної: Виробництво

Термін віджет - економічний термін для загальної одиниці виробничої продукції. Припустимо, компанія виробляє віджети і знає, що ринок підтримує ціну $10 за віджет. НехайP(n) дають прибуток, в доларах, зароблені виготовленням і продажемn віджетів. Компанія, ймовірно, не може отримати (позитивний) прибуток, отримуючи лише один віджет; витрати на запуск, ймовірно, перевищать 10 доларів. Математично ми б написали це якP(1)<0.

Що означаютьP(1000)=500 іP(1000)=0.25 мають на увазі? ОрієнтовнийP(1100).

Рішення:

РівнянняP(1000)=500 означає, що продаж 1000 віджетів повертає прибуток\ $500. Ми інтерпретуємоP(1000)=0.25 як значення, що прибуток збільшується зі швидкістю 0,25 долара за віджет (одиниці - «долари за віджет»). Оскільки у нас немає іншої інформації для використання, наше найкращеP(1100) наближення:

P(1100)P(1000)+P(1000)×100=$500+1000.25=$525.

Ми наближаємо, що продаж 1100 віджетів повертає прибуток у розмірі 525 доларів.

Попередні приклади використовували важливий інструмент наближення, який ми вперше використали у нашому попередньому прикладі «водіння автомобіля зі швидкістю 60 км/год» на початку цього розділу. Через п'ять хвилин після погляду на спідометр наше найкраще наближення для пройденої відстані припускало, що швидкість зміни була постійною. У прикладах 41 і 42 ми зробили подібні наближення. Нам дали інформацію про швидкість зміни, яку ми використовували для наближення загальної зміни. Умовно, ми б сказали, що

f(c+h)f(c)+f(c)h.

Таке наближення найкраще, колиh воно «маленьке». «Малий» - відносний термін; при спілкуванні зі світовим населеннямh= 22 дні = 28 800 хвилин - це мало в порівнянні з роками. При виготовленні віджетів 100 віджетів мало, коли планується виготовити тисячі.

Похідна і рух

Одним з найбільш фундаментальних застосувань похідної є вивчення руху. s(t)Дозволяти функція положення,t де час іs(t) відстань. Наприклад,s можна виміряти висоту снаряда або відстань, яку пройшов об'єкт.

Давайтеs(t) виміряємо пройдену відстань, в футах, предмета післяt секунд подорожі. Потімs(t) має одиниці «фути в секунду» іs(t) вимірює миттєву швидкість зміни відстані - вона вимірює швидкість.

Тепер розглянемоv(t), функція швидкості. Тобто, в той часt,v(t) дає швидкість того чи іншого об'єкта. Похідна відvv(t), дає миттєву швидкість зміни швидкості — прискорення. (Ми часто думаємо про прискорення з точки зору автомобілів: автомобіль може «піти від 0 до 60 за 4,8 секунди». Це середнє прискорення, вимір того, як швидко змінювалася швидкість.) Якщо швидкість вимірюється в футах в секунду, а час вимірюється в секундах, то одиницями прискорення (тобто одиницямиv(t)) є «фути в секунду в секунду», або ((ft/s)/s). Ми часто скорочуємо це до «футів на секунду в квадраті»ft/s2, або, але це, як правило, затуляє значення одиниць.

Мабуть, найбільш відоме прискорення - це гравітація. У цьому тексті ми використовуємоg=32ft/s2 абоg=9.8m/s2. Що означають ці цифри?

Постійне прискорення 32(ft/s)/s означає, що швидкість змінюється на 32 футів/с кожну секунду. Наприклад, нехайv(t) вимірює швидкість м'яча, кинутого прямо в повітря, деv має одиниці ft/s іt вимірюється в секундах. М'яч матиме позитивну швидкість під час руху вгору і негативну швидкість при падінні вниз. Прискорення відбувається таким чином32ft/s2. Якщоv(1)=20 ft/s, то колиt=2, швидкість зменшиться на 32ft/s; тобтоv(2)=12 ft/s. ми можемо продовжити:v(3)=44 ft/s, і ми також можемо визначити, щоv(0)=52 ft/s.

Ці ідеї настільки важливі, що ми виписуємо їх як ключову ідею.

Ключова ідея 1: Похідна і рух

  1. s(t)Дозволяти функція положення об'єкта. Потімs(t) відбувається швидкісна функція об'єкта.
  2. v(t)Дозволяти функція швидкості об'єкта. Потімv(t) відбувається функція прискорення об'єкта.

Розглянемо тепер друге тлумачення похідної, наведене в цьому розділі. Це тлумачення жодним чином не є незалежним від першого; багато з одних і тих же понять будуть підкреслені, просто з дещо іншої точки зору.

Інтерпретація похідної #2: Нахил дотичної лінії

Враховуючи функціюy=f(x), різницевий коефіцієнтf(c+h)f(c)h дає змінуy значень, розділених на змінуx значень; тобто це міра «підйому над пробігом» або «нахилом» лінії, яка проходить через дві точки на графікуf:(c,f(c)) і(c+h,f(c+h)). Колиh зменшується до 0, ці дві точки зближуються; в межі, яку ми знаходимоf(c), нахил спеціальної лінії називається дотичною лінією, яка перетинаєтьсяf лише один раз поблизуx=c.

Лінії мають постійну швидкість зміни, їх нахил. Нелінійні функції не мають постійної швидкості зміни, але ми можемо виміряти їх миттєву швидкість зміни при заданомуx значенніc шляхом обчисленьf(c). Ми можемо отримати уявлення про те, якf поводиться, подивившись на схили його дотичних ліній. Ми досліджуємо цю ідею в наступному прикладі.

Приклад 43: Розуміння похідної: швидкість зміни

Розглянемоf(x)=x2, як показано на малюнку 2.10. Зрозуміло, щоx=3 у функції зростає швидше, ніж приx=1, так як крутіше приx=3. Наскільки швидше він росте?

Рішення:

Ми можемо відповісти на це безпосередньо після наступного розділу, де ми навчимося швидко обчислювати похідні. Поки що відповімо графічно, розглянувши нахили відповідних дотичних ліній.

clipboard_ea41b3b72b675ce39d92b56766dec65b3.png
Малюнок 2.10: Графікf(x)=x2.

З практикою можна досить ефективно намалювати дотичні лінії до кривої в певній точці. На малюнку 2.11 ми намалювали дотичні лінії доf atx=1 іx=3, разом із сіткою, щоб допомогти нам виміряти нахили цих ліній. Вx=1, ухил дорівнює 2; вx=3, ухил дорівнює 6. Таким чином, можна сказати, що не тількиf зростає швидше,x=3 ніж наx=1, він росте в три рази швидше.

clipboard_ed8ea407d831cf9d7394c5b5f84dffb10.png
Малюнок 2.11: Графікf(x)=x2 і дотичні лінії.

Приклад 44: Розуміння графіка похідної

Розглянемо графікf(x) і його похіднуf(x), на малюнку 2.12 (а). Використовуйте ці графіки, щоб знайти нахили дотичних ліній до графікаf atx=1x=2, іx=3.

clipboard_e85e4e7bd84d51434efd6669ecbda1a45.png
Малюнок 2.12: Графікиf іf в прикладі 44 разом з дотичними лініями в (b).

Рішення

Щоб знайти відповідні нахили дотичних ліній до графікаf, нам потрібно подивитися на відповідні значенняf.

Нахил дотичної лінії доf atx=1 єf(1); це виглядає приблизно1.
Нахил дотичної лінії доf atx=2 єf(2); це виглядає приблизно4.
Нахил дотичної лінії доf atx=3 єf(3); це виглядає приблизно3.
Використовуючи ці укоси, дотичні лінії, доf яких слід накидати на малюнку 2.12 (б). Включені наf графіку цього малюнка залиті кола деx=1,x=2 іx=3 щоб допомогти краще візуалізуватиy значенняf в цих точках.

Приклад 45: Наближення з похідною

Розглянемо ще раз графікf(x) і його похіднуf(x) в прикладі 44. Використовуйте дотичну лінію доf atx=3, щоб наблизити значенняf(3.1).

Рішення

На малюнку 2.13 показаний графікf разом з його дотичною лінією, збільшеною вx=3. Зверніть увагуx=3, що поблизу, дотична лінія робить відмінне наближенняf. Оскільки з лініями легко впоратися, часто це добре працює, щоб наблизити функцію з її дотичною лінією. (Це особливо вірно, коли ви насправді не знаєте багато про функцію під рукою, як ми цього не робимо в цьому прикладі.)

clipboard_e1fd8b699675eb07d6b9f695a4c93ae23.png
Рисунок 2.13: Збільшення масштабуf наx=3 для функції, наведеної в прикладах 44 та 45.

Хоча дотична лініяf була намальована в прикладі 44, вона не була явно обчислена. Нагадаємо, що дотична лінія доf atx=c єy=f(c)(xc)+f(c). Хочаf явно не задано, за графіком це виглядаєf(3)=4. Нагадуючи цеf(3)=3, ми можемо обчислити дотичну лінію приблизно Частоy=3(x3)+4. корисно залишити дотичну лінію у формі точка-нахил.

Щоб використовувати дотичну лінію для наближенняf(3.1), ми просто оцінюємоy на3.1 замістьf.

f(3.1)y(3.1)=3(3.13)+4=.13+4=4.3.

Ми приблизніf(3.1)4.3.

Щоб продемонструвати точність наближення дотичної прямої, ми тепер стверджуємо, що в прикладі 45,f(x)=x3+7x212x+4. Ми можемо оцінитиf(3.1)=4.279. Якби ми зналиf все разом, звичайно, ми могли б просто зробити це обчислення. Насправді ми часто знаємо лише дві речі:

  1. Щоf(c) таке, для якоїсь цінностіc, і
  2. щоf(c) таке.

Наприклад, ми можемо легко спостерігати розташування об'єкта і його миттєву швидкість в певний момент часу. У нас немає «функціїf» для локації, просто спостереження. Цього достатньо, щоб створити апроксимуючу функцію дляf.

Цей останній приклад має прямий зв'язок з нашим методом наближення, описаним вище після Прикладу 42. Ми заявили, щоf(c+h)f(c)+f(c)h. якщо ми знаємоf(c) іf(c) для деякого значенняx=c, то обчислення дотичної лінії в(c,f(c)) легко:y(x)=f(c)(xc)+f(c). У прикладі 45 ми використовували дотичну лінію для наближення значенняf. Давайте використаємо дотичну лінію в,x=c щоб наблизити значенняf поблизуx=c; тобто обчислитиy(c+h) для наближенняf(c+h), припускаючи знову, щоh є «малим». Примітка:

y(c+h)=f(c)((c+h)c)+f(c)=f(c)h+f(c).

Це точно такий же метод наближення, який використовувався вище! Мало того, що це має інтуїтивний сенс, як пояснено вище, він має аналітичний сенс, оскільки цей метод наближення просто використовує дотичну лінію для наближення значення функції.

Важливість розуміння похідної не може бути занижена. Колиf є функцієюx,f(x) вимірює миттєву швидкість зміниf щодоx і дає нахил дотичної лінії доf atx.