2. Основные правила дифференцирования
Если с - постоянное число, и u = u(x), v = v(x) - некоторые дифференцируемые функции, то справедливы следующие правила дифференцирования:
1) (с) " = 0, (cu) " = cu";
2) (u+v)" = u"+v";
3) (uv)" = u"v+v"u;
4) (u/v)" = (u"v-v"u)/v 2;
Пример 1. Найти производную функции
Решение. Применяя правила (5) и (8) и формулу (4) дифференцирования степенной функции получим
Пример 2. Найти производную функции
Решение. Применим правило (7) дифференцирования произведения, а затем найдём производные сомножителей так же, как в примере 4. Тогда получим
Пример 3. Найти производную функции у =
Решение. Применим правило (10) дифференцирования частного:
Затем, так же как и выше, вычислим производные в числителе. Имеем
Текст задания:
Вариант 1
1. Найти производную функции .
2. Найти производную функции .
в точке с абсциссой , .
t
Вариант 2
1. Найти производную функции .
2. Найти производную функции .
3. Написать уравнение касательной к графику функции в точке с абсциссой , .
4. Материальная точка движется по закону . Найти скорость и ускорение в момент времени t =5 с. (Перемещение измеряется в метрах.)
Вариант 3
1. Найти производную функции .
2. Найти производную функции .
3. Написать уравнение касательной к графику функции в точке с абсциссой , .
4. Материальная точка движется по закону . Найти скорость и ускорение в момент времени t =5 с. (Перемещение измеряется в метрах.)
Вариант 4
1. Найти производную функции .
2. Найти производную функции .
3. Написать уравнение касательной к графику функции в точке с абсциссой , .
4. Материальная точка движется по закону . Найти скорость и ускорение в момент времени t =5 с. (Перемещение измеряется в метрах.)
Вариант 5
1. Найти производную функции .
2. Найти производную функции .
3. Написать уравнение касательной к графику функции в точке с абсциссой , .
4. Материальная точка движется по закону . Найти скорость и ускорение в момент времени t =5 с. (Перемещение измеряется в метрах.)
Вариант 6
1. Найти производную функции .
2. Найти производную функции .
3. Написать уравнение касательной к графику функции в точке с абсциссой , .
4. Материальная точка движется по закону . Найти скорость и ускорение в момент времени t =5 с. (Перемещение измеряется в метрах.)
Практическая работа № 16
Тема: Применение производной к исследованию функций и построению графиков
Цель работы: закрепить знания и умения студентов по освоению темы, формировать навыки прикладного использования аппарата производной.
Теоритическое обоснование:
Схема исследования функции и построение ее графика
I. Найти область определения функции.
II. Найти точки пересечения графика функции с осями координат.
III. Найти асимптоты.
IV. Найти точки возможного экстремума.
V. Найти критические точки.
VI. С помощью вспомогательного рисунка исследовать знак первой производных. Определить участки возрастания и убывания функции, точки экстремумов.
VII. Построить график, учитывая исследование, проведенное в п.1-6.
Пусть функция y = f(x) определена в промежутке X. Производной функции y = f(x) в точке х o называется предел
= .
Если этот предел конечный, то функция f(x) называется дифференцируемой в точке x o ; при этом она оказывается обязательно и непрерывной в этой точке.
Если же рассматриваемый предел равен (или - ), то при условии, что функция в точке х o непрерывна, будем говорить, что функция f(x) имеет в точке х o бесконечную производную .
Производная обозначается символами
y , f (x o), , .
Нахождение производной называется дифференцированием функции. Геометрический смысл производной состоит в том,что производная есть угловой коэффициент касательной к кривой y=f(x) в данной точке х o ; физический смысл - в том, что производная от пути по времени есть мгновенная скорость движущейся точки при прямолинейном движении s = s(t) в момент t o .
Если с - постоянное число, и u = u(x), v = v(x) - некоторые дифференцируемые функции, то справедливы следующие правила дифференцирования:
1) (с) " = 0, (cu) " = cu";
2) (u+v)" = u"+v";
3) (uv)" = u"v+v"u;
4) (u/v)" = (u"v-v"u)/v 2;
5) если y = f(u), u = (x), т.е. y = f((x)) - сложная функция, или суперпозиция , составленная из дифференцируемых функций и f, то , или
6) если для функции y = f(x) существует обратная дифференцируемая функция x = g(y), причем 0, то .
На основе определения производной и правил дифференцирования можно составить список табличных производных основных элементарных функций.
1. (u )" = u 1 u" ( R ).
2. (a u)" = a u lna u".
3. (e u)" = e u u".
4. (log a u)" = u"/(u ln a).
5. (ln u)" = u"/u.
6. (sin u)" = cos u u".
7. (cos u)" = - sin u u".
8. (tg u)" = 1/ cos 2 u u".
9. (ctg u)" = - u" / sin 2 u.
10. (arcsin u)" = u" / .
11. (arccos u)" = - u" / .
12. (arctg u)" = u"/(1 + u 2).
13. (arcctg u)" = - u"/(1 + u 2).
Вычислим производную степенно-показательного выражения y=u v , (u>0), где u и v суть функции от х , имеющие в данной точке производные u" , v" .
Прологарифмировав равенство y=u v , получим ln y = v ln u.
Приравнивая производные по х от обеих частей полученного равенства с помощью правил 3, 5 и формулы для производной логарифмической функции, будем иметь:
y"/y = vu"/u +v" ln u, откуда y" = y (vu"/u +v" ln u).
(u v)"=u v (vu"/u+v" ln u), u > 0.
Например, если y = x sin x , то y" = x sin x (sin x/x + cos x ln x).
Если функция y = f(x) дифференцируема в точке x , т.е. имеет в этой точке конечную производную y" , то = y"+, где 0 при х 0; отсюда y = y" х + x.
Главная часть приращения функции, линейная относительно х, называется дифференциалом функции и обозначается dy: dy = y" х. Если положить в этой формуле y=x, то получим dx = x"х = 1х =х, поэтому dy=y"dx, т. е. символ для обозначения производной можно рассматривать как дробь.
Приращение функции y есть приращение ординаты кривой, а дифференциал dy есть приращение ординаты касательной.
Пусть мы нашли для функции y=f(x) ее производную y = f (x). Производная от этой производной называется производной второго порядка функции f(x), или второй производной, и обозначается .
Аналогично определяются и обозначаются:
производная третьего порядка - ,
производная четвертого порядка -
и вообще производная n-го порядка - .
Пример 3 .15. Вычислить производную функции y=(3x 3 -2x+1)sin x.
Решение. По правилу 3, y"=(3x 3 -2x+1)"sin x + (3x 3 -2x+1)(sin x)" = = (9x 2 -2)sin x + (3x 3 -2x+1)cos x.
Пример 3.16 . Найти y", y = tg x + .
Решение. Используя правила дифференцирования суммы и частного, получим: y"=(tgx + )" = (tgx)" + ()" = + = .
Пример 3 .17. Найти производную сложной функции y= , u=x 4 +1.
Решение. По правилу дифференцирования сложной функции, получим: y" x =y " u u" x =()" u (x 4 +1)" x =(2u + . Так как u=x 4 +1,то (2 x 4 +2+ .
Дифференцирование – это вычисление производной.
1. Формулы дифференцирования.
Основные формулы дифференцирования – в таблице. Их необязательно зазубривать. Поняв некоторые закономерности, вы сможете из одних формул самостоятельно выводить другие.
1) Начнем с формулы (kx
+ m)′ = k.
Ее частными случаями являются формулы x
′ = 1 и C′ = 0.
В любой функции вида у = kx + m производная равна угловому коэффициенту k.
Например, дана функция у = 2х + 4. Ее производная в любой точке будет равна 2:
(2 х + 4)′ = 2 .
Производная функции у = 9 х + 5 в любой точке равна 9 . И т.д.
А давайте найдем производную функции у = 5х . Для этого представим 5х в виде (5х + 0). Мы получили выражение, похожее на предыдущее. Значит:
(5х )′ = (5х + 0)′ = 5.
Наконец, выясним, чему равна x
′.
Применим прием из предыдущего примера: представим х
в виде 1х
+ 0. Тогда получим:
x ′ = (1х + 0)′ = 1.
Таким образом, мы самостоятельно вывели формулу из таблицы:
(0 · x + m)′ = 0.
Но тогда получается, что m′ тоже равна 0. Пусть m = C, где C – произвольная постоянная. Тогда мы приходим к еще одной истине: производная постоянной равна нулю. То есть получаем еще одну формулу из таблицы.
Таблица производных элементарных функций
Определение 1
Вычисление производной называют дифференцированием .
Обозначают производную $y"$ или $\frac{dy}{dx}$.
Замечание 1
Для нахождения производной функции согласно основным правилам дифференцирования превращают в другую функцию.
Рассмотрим таблицу производных. Обратим внимание на то, что функции после нахождения их производных преобразуются в другие функции.
Исключение составляет лишь $y=e^x$, превращающаяся сама в себя.
Правила дифференцирования производной
Чаще всего при нахождении производной требуется не просто посмотреть в таблицу производных, а вначале применить правила дифференцирования и доказательство производной произведения, и только потом использовать таблицу производных элементарных функций.
1. Постоянная выносится за знак производной
$C$ – постоянная (константа).
Пример 1
Продифференцировать функцию $y=7x^4$.
Решение.
Находим $y"=(7x^4)"$. Выносим число $7$ за знак производной, получаем:
$y"=(7x^4)"=7(x^4)"=$
используя таблицу, необходимо находить значение производной степенной функции:
$=7 \cdot 4x^3=$
Преобразуем результат к принятому в математике виду:
Ответ: $28x^3$.
2. Производная суммы (разницы) равна сумме (разнице) производных:
$(u \pm v)"=u" \pm v"$.
Пример 2
Продифференцировать функцию $y=7+x-5x^3+4 \sin x-9\sqrt{x^2}+\frac{4}{x^4} -11\cot x$.
Решение.
$y"=(7+x-5x^5+4 \sin x-9\sqrt{x^2}+\frac{4}{x^4} -11\cot x)"=$
применим правило дифференцирования производной суммы и разницы:
$=(7)"+(x)"-(5x^5)"+(4 \sin x)"-(9\sqrt{x^2})"+(\frac{4}{x^4})"-(11\cot x)"=$
отметим, что при дифференцировании все степени и корни необходимо преобразовать к виду $x^{\frac{a}{b}}$;
вынесем все постоянные за знак производной:
$=(7)"+(x)"-(5x^5)"+(4\sin x)"-(9x^{\frac{2}{5}})"+(4x^{-4})"-(11\cot x)"=$
$=(7)"+(x)"-5(x^5)"+4(\sin x)"-9(x^{\frac{2}{5}})"+4(x^{-4})"-11(\cot x)"=$
разобравшись с правилами дифференцирования, некоторые из них (например, как последние два) применяются одновременно во избежание переписывания длинного выражения;
мы получили выражение из элементарных функций, стоящих под знаком производной; воспользуемся таблицей производных:
$=0+1-5 \cdot 5x^4+4\cos x-9 \cdot \frac{2}{5} x^{-\frac{3}{5}}+12x^{-5}-11 \cdot \frac{-1}{\sin^2 x}=$
преобразуем к виду, принятому в математике:
$=1-25x^4+4 \cos x-\frac{18}{5\sqrt{x^3}}+\frac{12}{x^5} +\frac{11}{\sin^2 x}$
Обратим внимание, что при нахождении результата принято слагаемые с дробными степенями преобразовать в корни, а с отрицательными – в дроби.
Ответ : $1-25x^4+4 \cos x-\frac{18}{5\sqrt{x^3}}+\frac{12}{x^5} +\frac{11}{\sin^2 x}$.
3. Формула производной произведения функций:
$(uv)"=u" v+uv"$.
Пример 3
Продифференцировать функцию $y=x^{11} \ln x$.
Решение.
Сначала применим правило вычисления производной произведения функций, а затем используем таблицу производных:
$y"=(x^{11} \ln x)"=(x^{11})" \ln x+x^{11} (\lnтx)"=11x^{10} \ln x+x^{11} \cdot \frac{1}{x}=11x^{10} \ln x-\frac{x^{11}}{x}=11x^{10} \ln x-x^{10}=x^{10} (11 \ln x-1)$.
Ответ : $x^{10} (11 \ln x-1)$.
4. Формула производной частной функции:
$(\frac{u}{v})"=\frac{u" v-uv"}{v^2}$.
Пример 4
Продифференцировать функцию $y=\frac{3x-8}{x^5-7}$.
Решение.
$y"=(\frac{3x-8}{x^5-7})"=$
по правилам приоритета математических операций сначала выполним деление, а потом сложение и вычитание, поэтому применим сначала правило вычисления производной частного:
$=\frac{(3x-8)" (x^5-7)-(3x-8) (x^5-7)"}{(x^5-7)^2} =$
применим правила производных суммы и разности, раскроем скобки и упростим выражение:
$=\frac{3(x^5-7)-5x^4 (3x-8)}{(x^5-7)^2} =\frac{3x^5-21-15x^5+40x^4}{(x^5-7)^2} =\frac{-12x^5+40x^4-21}{(x^5-7)^2}$ .
Ответ: $\frac{-12x^5+40x^4-21}{(x^5-7)^2}$.
Пример 5
Продифференцируем функцию $y=\frac{x^7-2x+3}{x}$.
Решение.
Функция y является частным двух функций, поэтому можно применить правило вычисления производной частного, но в таком случае получим громоздкую функцию. Для упрощения данной функции можно почленно разделить числитель на знаменатель:
$y=\frac{x^7-13x+9}{x}=x^6-13+\frac{9}{x}$.
Применим к упрощенной функции правило дифференцирования суммы и разности функций:
$y"=(x^6-13+\frac{9}{x})"=(x^6)"+(-13)"+9(x^{-1})"=6x^5+0+9 \cdot (-x^{-2})=$
$=6x^5-\frac{9}{x^2}$.
Ответ : $6x^5-\frac{9}{x^2}$.