3.2: Похідна як функція
- Визначте похідну функцію заданої функції.
- Графік — похідна функція з графа заданої функції.
- Створити зв'язок між похідними і безперервністю.
- Опишіть три умови, коли функція не має похідної.
- Поясніть значення похідної вищого порядку.
Як ми бачили, похідна функції в даній точці дає нам швидкість зміни або нахилу дотичної лінії до функції в цій точці. Якщо ми диференціюємо позиційну функцію в даний час, ми отримаємо швидкість в той час. Здається розумним зробити висновок, що знання похідної функції в кожній точці дасть цінну інформацію про поведінку функції. Однак процес знаходження похідної навіть у декількох значень за допомогою методів попереднього розділу швидко став би досить нудним. У цьому розділі ми визначаємо похідну функцію і вивчимо процес її знаходження.
Похідні функції
Похідна функція дає похідну функції в кожній точці області початкової функції, для якої визначено похідну. Ми можемо формально визначити похідну функцію наступним чином.
fДозволяти бути функцією. Похідна функція, позначаєтьсяf′, - це функція, область якої складається з тих значеньx таких, що існує наступна межа:
f′(x)=limh→0f(x+h)−f(x)h.
f(x)Функція, як кажуть, диференційованаa приf′(a) наявності. Більш загально, функція вважається диференційованою,S якщо вона диференційована в кожній точці відкритої множиниS, а диференційована функція - це та, в якійf′(x) існує на її області.
У наступних прикладах ми використовуємо Equation\ ref {derdef} для пошуку похідної функції.
Знайдіть похідну відf(x)=√x.
Рішення
Почніть безпосередньо з визначення похідної функції.
f(x)=√xПідставляємоf(x+h)=√x+h і вf′(x)=limh→0f(x+h)−f(x)h.
f′(x)=limh→0√x+h−√xh | |
=limh→0√x+h−√xh⋅√x+h+√x√x+h+√x | Помножте чисельник і знаменник на,√x+h+√x не розподіляючи в знаменнику. |
=limh→0hh(√x+h+√x) | Множимо чисельники і спрощуємо. |
=limh→01(√x+h+√x) | Скасуватиh. |
=12√x | Оцініть ліміт |
Знайдіть похідну функціїf(x)=x2−2x.
Рішення
Виконайте ту ж процедуру тут, але без необхідності множення на сполучений.
f(x+h)=(x+h)2−2(x+h)f(x)=x2−2xЗамінюємо і вf′(x)=limh→0f(x+h)−f(x)h.
f′(x)=limh→0((x+h)2−2(x+h))−(x2−2x)h | |
=limh→0x2+2xh+h2−2x−2h−x2+2xh | Розгорнути(x+h)2−2(x+h). |
=limh→02xh−2h+h2h | Спростити |
=limh→0h(2x−2+h)h | Факторh з чисельника |
=limh→0(2x−2+h) | Скасувати загальний факторh |
=2x−2 | Оцініть ліміт |
Знайдіть похідну відf(x)=x2.
- Підказка
-
Використовуйте Equation\ ref {derdef} і дотримуйтесь прикладу.
- Відповідь
-
f′(x)=2x
Ми використовуємо безліч різних позначень для вираження похідної функції. У прикладі3.2.2 ми показали, що якщоf(x)=x2−2x, тоf′(x)=2x−2. Якби ми висловили цю функцію у виглядіy=x2−2x, ми могли б висловити похідну якy′=2x−2 абоdydx=2x−2. Ми могли б передати ту ж інформацію, написавшиddx(x2−2x)=2x−2. Таким чином, для функціїy=f(x) кожне з наступних позначень являє собою похідну відf(x):
f′(x),dydx,y′,ddx(f(x)).
На місціf′(a) ми також можемо використовуватиdydx|x=a. Використанняdydx позначень (званих позначенням Лейбніца) досить поширене в техніці та фізиці. Щоб краще зрозуміти це позначення, нагадайте, що похідна функції в точці є межею нахилів січних ліній, коли січні лінії наближаються до дотичної лінії. Нахили цих січних ліній часто виражаються в тому вигляді,\dfrac{Δy}{Δx} деΔy знаходиться різницяy значень, відповідних різниціx значень, які виражаються якΔx (рис.\PageIndex{1}). Таким чином, похідна, яку можна розглядати як миттєву швидкість зміниy щодоx, виражається як
\displaystyle \frac{dy}{dx}= \lim_{Δx→0}\frac{Δy}{Δx}.

Графік похідної
Ми вже обговорювали, як графікувати функцію, тому, враховуючи рівняння функції або рівняння похідної функції, ми могли б її графікувати. Враховуючи обидва, ми очікуємо побачити відповідність між графіками цих двох функцій, оскількиf'(x) дає швидкість зміни функціїf(x) (або нахил дотичної лінії доf(x)).
У прикладі\PageIndex{1}, ми виявили, що дляf(x)=\sqrt{x},f'(x)=\frac{1}{2\sqrt{x}}. Якщо ми графуємо ці функції на однакових осях, як на малюнку\PageIndex{2}, ми можемо використовувати графіки, щоб зрозуміти взаємозв'язок між цими двома функціями. По-перше, ми помічаємо,f(x) що збільшується по всій його області, а це означає, що нахили його дотичних ліній у всіх точках позитивні. Отже, ми очікуємоf'(x)>0 для всіх значень x у своїй області. Крім того,x зі збільшенням нахили дотичних ліній доf(x) зменшуються, і ми очікуємо відповідного зменшенняf'(x). Ми також спостерігаємо,f(0) що не визначено і що\displaystyle \lim_{x→0^+}f'(x)=+∞, що відповідає вертикальній дотичній доf(x) at0.

У\PageIndex{2} прикладі ми виявили, що дляf(x)=x^2−2x,\; f'(x)=2x−2. Графіки цих функцій наведені на рис\PageIndex{3}. Спостерігайте,f(x) що зменшується дляx<1. Для цих же значеньx,f'(x)<0. Для значеньx>1,f(x) є збільшенням іf'(x)>0. Також,f(x) має горизонтальну дотичну приx=1 іf'(1)=0.

Використовуйте наступний графік,f(x) щоб намалювати графікf'(x).
Рішення
Рішення наведено на наступному графіку. Спостерігайте,f(x) що збільшується іf'(x)>0 далі(–2,3). Також,f(x) зменшується іf'(x)<0 далі,(−∞,−2) і далі(3,+∞). Також зверніть увагу, щоf(x) має горизонтальні дотичні в–2 і3,f'(−2)=0 іf'(3)=0.
Намалюйте графікf(x)=x^2−4. На якому інтервалі знаходиться графікf'(x) вищеx -осі?
- Підказка
-
Графікf'(x) позитивний, деf(x) збільшується.
- Відповідь
-
(0,+∞)
Похідні та безперервність
Тепер, коли ми можемо графікувати похідну, давайте розглянемо поведінку графіків. Спочатку розглянемо зв'язок між диференційованістю і безперервністю. Ми побачимо, що якщо функція диференційована в точці, вона повинна бути безперервною там; однак функція, яка є безперервною в точці, не повинна бути диференційованою в цій точці. Насправді функція може бути безперервною в точці і не може бути диференційованою в точці з однієї з кількох причин.
f(x)Дозволяти бути функцією іa бути в її області. Якщоf(x) диференційована приa,f то безперервна приa.
Якщоf(x) диференціюється вa, тоf'(a) існує і, якщо ми дозволимоh = x - a, ми маємо x = a + h , і якh=x-a\to 0, ми можемо бачити, щоx\to a.
Тоді
f'(a) = \lim_{h\to 0}\frac{f(a+h)-f(a)}{h}\nonumber
можна переписати як
f'(a)=\displaystyle \lim_{x→a}\frac{f(x)−f(a)}{x−a}.
Ми хочемо показати, щоf(x) це безперервно,a показуючи, що\displaystyle \lim_{x→a}f(x)=f(a). Таким чином,
\ (\ почати {вирівнювати*}\ стиль відображення\ lim_ {x → a} f (x) &=\ lim_ {x → a}\;\ великий (f (x) −f (a) +f (a)\ великий)\\ [4pt]
&=\ lim_ {x → a}\ ліворуч (\ frac {f (x) −f (a)} {x−a} (x−a) +f (a)\ праворуч) &\ text {Множення та ділення} (f (x) −f (a))\ текст {на} x−a.\\ [4pt]
&=\ ліворуч (\ lim_ {x→a}\ frac {f (x) −f (a)} {x−a}\ праворуч) ⋅ ліворуч (\ lim_ {x→a}\; (x−a)\ праворуч) +\ lim_ {x→a} f (a)\\ [4pt]
&=f' (a) ⋅0+f (a)\\ [4pt]
&=f (a). \ end {вирівнювати*}\)
Тому, оскількиf(a) визначається і\displaystyle \lim_{x→a}f(x)=f(a), ми робимо висновок, щоf є безперервним приa.
□
Ми щойно довели, що диференційовність передбачає безперервність, але тепер ми розглянемо, чи означає безперервність диференційованість. Щоб визначити відповідь на це питання, вивчимо функціюf(x)=|x|. Ця функція є безперервною скрізь; однак,f'(0) не визначена. Це спостереження змушує нас вважати, що безперервність не передбачає диференційованості. Давайте досліджуємо далі. Дляf(x)=|x|,
f'(0)=\displaystyle \lim_{x→0}\frac{f(x)−f(0)}{x−0}= \lim_{x→0}\frac{|x|−|0|}{x−0}= \lim_{x→0}\frac{|x|}{x}.
Цей ліміт не існує, оскільки
\displaystyle \lim_{x→0^−}\frac{|x|}{x}=−1і\displaystyle \lim_{x→0^+}\frac{|x|}{x}=1.
Див\PageIndex{4}. Малюнок.

Розглянемо деякі додаткові ситуації, в яких безперервна функція не може бути диференційованою. Розглянемо функціюf(x)=\sqrt[3]{x}:
f'(0)=\displaystyle \lim_{x→0}\frac{\sqrt[3]{x}−0}{x−0}=\displaystyle \lim_{x→0}\frac{1}{\sqrt[3]{x^2}}=+∞.
Таким чиномf'(0) не існує. Швидкий погляд на графікf(x)=\sqrt[3]{x} прояснює ситуацію. Функція має вертикальну дотичну лінію на0 (рис.\PageIndex{5}).

Функціяf(x)=\begin{cases} x\sin\left(\frac{1}{x}\right), & & \text{ if } x≠0\\0, & & \text{ if } x=0\end{cases} також має похідну, яка проявляє цікаву поведінку при0.
Ми бачимо, що
f'(0)=\displaystyle \lim_{x→0}\frac{x\sin\left(1/x\right)−0}{x−0}= \lim_{x→0}\sin\left(\frac{1}{x}\right).
Ця межа не існує, по суті тому, що нахили січних ліній безперервно змінюють напрямок у міру наближення до нуля (рис.\PageIndex{6}).

Підсумовуючи:
- Ми спостерігаємо, що якщо функція не є безперервною, вона не може бути диференційованою, оскільки кожна диференційована функція повинна бути безперервною. Однак, якщо функція є безперервною, вона все одно може не бути диференційованою.
- Ми побачили, щоf(x)=|x| не вдалося диференціюватися в0 тому, що межа нахилів дотичних ліній зліва і справа не були однаковими. Візуально це призвело до гострого кута на графіку функції в0. З цього ми робимо висновок, що для того, щоб бути диференційованим у точці, функція повинна бути «гладкою» в цій точці.
- Як ми бачили в прикладіf(x)=\sqrt[3]{x}, функція не може бути диференційованою в точці, де є вертикальна дотична лінія.
- Як ми бачилиf(x)=\begin{cases}x\sin\left(\frac{1}{x}\right), & & \text{ if } x≠0\\0, & &\text{ if } x=0\end{cases} з функцією, може не бути диференційованим у точці більш складними способами.
Іграшкова компанія хоче спроектувати трек для іграшкового автомобіля, який починається вздовж параболічної кривої, а потім перетворюється на пряму лінію (рис.\PageIndex{7}). Функція, яка описує трек, полягає в тому, щоб мати формуf(x)=\begin{cases}\frac{1}{10}x^2+bx+c, & & \text{ if }x<−10\\−\frac{1}{4}x+\frac{5}{2}, & & \text{ if } x≥−10\end{cases}, деx іf(x) знаходяться в дюймах. Щоб автомобіль плавно рухався по трасі, функціяf(x) повинна бути як безперервною, так і диференційованою при−10. Знайдіть значенняb іc які роблятьf(x) як безперервними, так і диференційованими.

Рішення
Щоб функція була безперервною приx=−10,\displaystyle \lim_{x→10^−}f(x)=f(−10). Таким чином, так як
\displaystyle \lim_{x→−10^−}f(x)=\frac{1}{10}(−10)^2−10b+c=10−10b+c
іf(−10)=5, ми повинні мати10−10b+c=5. Аналогічно, у нас єc=10b−5.
Щоб функція була диференційована при−10,
f'(10)=\displaystyle \lim_{x→−10}\frac{f(x)−f(−10)}{x+10}
повинні існувати. Оскількиf(x) визначається за допомогою різних правил праворуч і ліворуч, ми повинні оцінити цю межу справа і зліва, а потім встановити їх рівними один одному:
\ (\ стиль відображення\ почати {вирівнювати*}\ lim_ {x→−10^−}\ розрив {f (x) −f (−10)} {x+10} &=\ lim_ {x →−10^−}\ frac {\ frac {1} {10} x^2+bx+c−5} {x+10}\ [4pt]
&=\ lim _ {x→−10^−}\ розрив {\ розриву {1} {10} x^2+bx+ (10b−5) −5} {x+10} &\ текст {Заміна} c=10b−5.\\ [4pt]
&=\ lim_ {x→−10^−}\ frac {x^2−100+10bx+ 100b} {10 (x+10)}\\ [4pt]
&=\ lim_ {x→−10^−}\ розрив {(x+10) (x−10+10b)} {10 (x+10)} &\ текст {Фактор за групуванням}\\ [4pt]
&=b−2\ end {align*}\).
У нас також є
\ (\ стиль відображення\ почати {вирівнювати*}\ lim_ {x→−10^+}\ розрив {f (x) −f (−10)} {x+10} &=\ lim_ {x→−10^+}\ frac {−\ frac {1} {4} x+\ frac {5} {2} −5} {x+10}\ [4pt]
&=\ lim_ {x→−10^+}\ розрив {− (x+10)} {4 (x+10)}\\ [4pt]
&=−\ розрив {1} {4}\ end {align*}\).
Це дає намb−2=−\frac{1}{4}. Таким чиномb=\frac{7}{4} іc=10(\frac{7}{4})−5=\frac{25}{2}.
Знайти значення a і b, які роблятьf(x)=\begin{cases}ax+b, & & \text{ if } x<3\\x^2, & & \text{ if } x≥3\end{cases} як неперервними, так і диференційованими при3.
- Підказка
-
Використовуйте\PageIndex{4} Example як орієнтир.
- Відповідь
-
a=6іb=−9
Похідні для вищого порядку
Похідна функції сама по собі є функцією, тому ми можемо знайти похідну від похідної. Наприклад, похідна функції положення - це швидкість зміни положення, або швидкість. Похідна швидкості - це швидкість зміни швидкості, яка є прискоренням. Нова функція, отримана при диференціації похідної, називається другою похідною. Крім того, ми можемо продовжувати приймати похідні для отримання третьої похідної, четвертої похідної тощо. У сукупності їх називають похідними вищого порядку. Позначення для похідних вищого порядкуy=f(x) може бути виражено в будь-якій з наступних форм:
f''(x),\; f'''(x),\; f^{(4)}(x),\; …\; ,\; f^{(n)}(x)
y''(x),\; y'''(x),\; y^{(4)}(x),\; …\; ,\; y^{(n)}(x)
\dfrac{d^2y}{dx^2},\;\dfrac{d^3y}{dy^3},\;\dfrac{d^4y}{dy^4},\;…\;,\;\dfrac{d^ny}{dy^n}.
Цікаво відзначити, що позначення для\dfrac{d^2y}{dx^2} можна розглядати як спробу висловити\dfrac{d}{dx}\left(\dfrac{dy}{dx}\right) більш компактно.
Аналогічно,\dfrac{d}{dx}\left(\dfrac{d}{dx}\left(\dfrac{dy}{dx}\right)\right)=\dfrac{d}{dx}\left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)=\dfrac{d^3y}{dx^3}.
Дляf(x)=2x^2−3x+1, знайдітьf''(x).
Рішення
Перша знахідкаf'(x).
f(x)=2x^2−3x+1f(x+h)=2(x+h)^2−3(x+h)+1Замінюємо і вf'(x)=\displaystyle \lim_{h→0}\dfrac{f(x+h)−f(x)}{h}.
f'(x)=\displaystyle \lim_{h→0}\frac{(2(x+h)^2−3(x+h)+1)−(2x^2−3x+1)}{h} | |
=\displaystyle \lim_{h→0}\frac{4xh+2h^2−3h}{h} | Спростити чисельник. |
=\displaystyle \lim_{h→0}(4x+2h−3) | Коефіцієнтh в чисельнику і скасувати зі знаменникомh в. |
=4x−3 | Візьміть ліміт. |
Далі знаходимо,f''(x) взявши похідну відf'(x)=4x−3.
f''(x)=\displaystyle \lim_{h→0}\frac{f'(x+h)−f'(x)}{h} | f ′(x)Використовуватиf'(x)=\displaystyle \lim_{h→0}\frac{f(x+h)−f(x)}{h} з замістьf(x). |
=\displaystyle \lim_{h→0}\frac{(4(x+h)−3)−(4x−3)}{h} | Замінникf'(x+h)=4(x+h)−3 іf'(x)=4x−3. |
=\displaystyle \lim_{h→0}4 | Спростити. |
=4 | Візьміть ліміт. |
Знайтиf''(x) дляf(x)=x^2.
- Підказка
-
Ми знайшлиf'(x)=2x в попередньому контрольно-пропускному пункті. Використовуйте рівняння\ ref {derdef}, щоб знайти похідну відf'(x)
- Відповідь
-
f''(x)=2
Положення частинки вздовж осі координат в часіt (у секундах) задаєтьсяs(t)=3t^2−4t+1 (у метрах). Знайдіть функцію, яка описує її прискорення в часіt.
Рішення
Починаючи зv(t)=s′(t) іa(t)=v′(t)=s''(t), ми починаємо з знаходження похідної відs(t):
\ (\ стиль відображення\ почати {вирівнювати*} s′ (t) &=\ lim_ {h → 0}\ frac {s (t+h) −s (t)} {h}\ [4pt]
&=\ lim_ {h → 0}\ frac {3 (t+h) ^2−4 (t+h) +1− (3t^2−4t+1}) {h}\\ [4pt]
&=6t−4. \ end {вирівнювати*}\)
Далі,
\ (\ стиль відображення\ почати {вирівнювати*} s "(t) &=\ lim_ {h → 0}\ frac {s′ (t+h) −s′ (t)} {h}\ [4pt]
&=\ lim_ {h → 0}\ frac {6 (t+h) −4 − (6t−4)} {h}\ [4pt]
= 6. \ end {вирівнювати*}\)
Таким чином,a=6 \;\text{m/s}^2.
Дляs(t)=t^3, знайдітьa(t).
- Підказка
-
Використовуйте\PageIndex{6} Example як орієнтир.
- Відповідь
-
a(t)=6t
Ключові концепції
- Похідна функціїf(x) - це функція, значення якої atx дорівнюєf'(x).
- Графік похідної функціїf(x) пов'язаний з графомf(x). Деf(x) має дотичну лінію з додатним нахилом,f'(x)>0. Деf(x) має дотичну лінію з негативним нахилом,f'(x)<0. Деf(x) має горизонтальну дотичну лінію,f'(x)=0.
- Якщо функція диференційована в точці, то вона є безперервною в цій точці. Функція не диференційована в точці, якщо вона не є безперервною в точці, якщо вона має вертикальну дотичну лінію в точці, або якщо графік має гострий кут або кут.
- Похідні вищого порядку - це похідні від похідних, від другої похідної доn^{\text{th}} похідної.
Ключові рівняння
- похідна функція
f'(x)=\displaystyle \lim_{h→0}\frac{f(x+h)−f(x)}{h}
Глосарій
- похідна функція
- дає похідну функції в кожній точці області початкової функції, для якої визначено похідну
- диференційований приa
- функція, для якоїf'(a) існує, диференційовна приa
- диференційований наS
- функція, для якоїf'(x) існує для кожногоx у відкритомуS множині, диференційована наS
- диференційована функція
- функція, для якоїf'(x) існує, є диференційовною функцією
- похідна вищого порядку
- похідна похідної, від другої похідної доn^{\text{th}} похідної, називається похідною вищого порядку
Автори та атрибуція
- Template:ContribOpenStaxCalc
- Paul Seeburger (Monroe Community College) added explanation of the alternative definition of the derivative used in the proof of that differentiability implies continuity.