Тема. Производная. Геометрический и механический смысл производной
Если этот предел существует, то функция называется дифференцируемой в точке. Производная функции обозначается (формула 2).
- Геометрический смысл производной. Рассмотрим график функции. Из рис.1 видно, что для любых двух точек A и B графика функции можно записать формула 3). В ней - угол наклона секущей AB.
Таким образом, разностное отношение равно угловому коэффициенту секущей. Если зафиксировать точку A и двигать по направлению к ней точку B, то неограниченно уменьшается и приближается к 0, а секущая АВ приближается к касательной АС. Следовательно, предел разностного отношения равен угловому коэффициенту касательной в точке A. Отсюда следует вывод.
Производная функции в точке есть угловой коэффициент касательной к графику этой функции в этой точке. В этом и состоит геометрический смысл производной.
- Уравнение касательной . Выведем уравнение касательной к графику функции в точке. В общем случае уравнение прямой с угловым коэффициентом имеет вид: . Чтобы найти b, воспользуемся тем, что касательная проходит через точку A: . Отсюда следует: . Подставляя это выражение вместо b, получаем уравнение касательной (формула 4).
Для выяснения геометрического значения производной рассмотрим график функции y = f(x). Возьмем произвольную точку М с координатами (x, y) и близкую к ней точку N (x + $\Delta $x, y + $\Delta $y). Проведем ординаты $\overline{M_{1} M}$ и $\overline{N_{1} N}$, а из точки М -- параллельную оси ОХ прямую.
Отношение $\frac{\Delta y}{\Delta x} $ является тангенсом угла $\alpha $1, образованного секущей MN с положительным направлением оси ОХ. При стремлении $\Delta $х к нулю точка N будет приближаться к M, а предельным положением секущей MN станет касательная MT к кривой в точке M. Таким образом, производная f`(x) равна тангенсу угла $\alpha $, образованного касательной к кривой в точке M (х, y) с положительным направлением к оси ОХ -- угловому коэффициенту касательной (рис.1).
Рисунок 1. График функции
Вычисляя значения по формулам (1), важно не ошибиться в знаках, т.к. приращение может быть и отрицательным.
Точка N, лежащая на кривой, может стремиться к M с любой стороны. Так, если на рисунке 1, касательной придать противоположное направление, угол $\alpha $ изменится на величину $\pi $, что существенно повлияет на тангенс угла и соответственно угловой коэффициент.
Вывод
Следует вывод, что существование производной связано с существованием касательной к кривой y = f(x), а угловой коэффициент -- tg $\alpha $ = f`(x) конечный. Поэтому касательная не должна быть параллельной оси OY, иначе $\alpha $ = $\pi $/2, а тангенс угла будет бесконечным.
В некоторых точках непрерывная кривая может не иметь касательной или иметь касательную параллельную оси OY (рис.2). Тогда в этих значениях функция не может иметь производную. Подобных точек может быть сколько угодно много на кривой функции.
Рисунок 2. Исключительные точки кривой
Рассмотрим рисунок 2. Пусть $\Delta $x стремится к нулю со стороны отрицательных или положительных значений:
\[\Delta x\to -0\begin{array}{cc} {} & {\Delta x\to +0} \end{array}\]
Если в данном случае отношения (1) имеют конечный придел, он обозначается как:
В первом случае -- производная слева, во втором -- производная справа.
Существование предела говорит о равносильности и равенстве левой и правой производной:
Если же левая и правая производные неравны, то в данной точке существуют касательные не параллельные OY (точка М1, рис.2). В точках М2, М3 отношения (1) стремятся к бесконечности.
Для точек N лежащих слева от M2, $\Delta $x $
Справа от $M_2$, $\Delta $x $>$ 0, но выражение также f(x + $\Delta $x) -- f(x) $
Для точки $M_3$ слева $\Delta $x $$ 0 и f(x + $\Delta $x) -- f(x) $>$ 0, т.е. выражения (1) и слева, и справа положительны и стремятся к +$\infty $ как при приближении $\Delta $x к -0, так и к +0.
Случай отсутствия производной в конкретных точках прямой (x = c) представлен на рисунке 3.
Рисунок 3. Отсутствие производных
Пример 1
На рисунке 4 изображен график функции и касательной к графику в точке с абсциссой $x_0$. Найти значение производной функции в абсциссе.
Решение. Производная в точке равна отношению~приращения функции к приращению аргумента. Выберем на касательной две точки с целочисленными координатами. Пусть, например, это будут точки F (-3,2) и C (-2.4).
Произво́дная (функции в точке) - основное понятие дифференциального исчисления , характеризующее скорость изменения функции (в данной точке). Определяется как предел отношения приращения функции к приращению ее аргумента при стремлении приращения аргумента к нулю , если такой предел существует. Функцию, имеющую конечную производную (в некоторой точке), называют дифференцируемой (в данной точке).
Процесс вычисления производной называется дифференци́рованием . Обратный процесс - нахождение первообразной - интегрирование .
Если функция задана графиком, её производная в каждой точке равна тангенсу угла наклона касательной к графику функции. А если функция задана формулой - вам помогут таблица производных и правила дифференцирования, то есть правила нахождения производной.
4.Производная сложной и обратной функции.
Пусть теперь задана сложная функция , т.е. переменная есть функция переменной , а переменная есть, в свою очередь, функция от независимой переменной .
Теорема . Если и дифференцируемые функции своих аргументов, то сложная функция является дифференцируемой функцией и ее производная равна произведению производной данной функции по промежуточному аргументу и производной промежуточного аргумента по независимой переменной:
.
Утверждение
легко получается из очевидного
равенства 
(справедливого
при и )
предельным переходом при (что
в силу непрерывности дифференцируемой
функции влечет ).
Перейдем к рассмотрению производной обратной функции .
Пусть на множестве дифференцируемая функция имеет множество значений и на множестве существует обратная функция .
Теорема
. Если
в точке
производная
,
то производная обратной функции
в
точке
существует
и равна обратной величине производной
данной функции
: 
,
или
Эта формула легко получается из геометрических соображений.
Т
ак
как есть
тангенс угла наклона касательной
линии к
оси ,
то есть
тангенс угла наклона той же касательной
(той же линии )
в той же точке к
оси .
Если и острые,
то ,
а если тупые, то 
.
В обоих
случаях 
.
Этому равенству и равносильно равенство
5.Геометрический и физический смысл производной.
1) Физический смысл производной.
Если функция y = f(x) и ее аргумент x являются физическими величинами, то производная– скорость изменения переменной y относительно переменной x в точке. Например, если S = S(t) – расстояние, проходимое точкой за время t, то ее производная– скорость в момент времени. Если q = q(t) – количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника в момент времени t, то– скорость изменения количества электричества в момент времени, т.е. сила тока в момент времени.
2) Геометрический смысл производной.
Пусть – некоторая кривая,– точка на кривой.
Любая прямая, пересекающая не менее чем в двух точках называется секущей.
Касательной к кривой в точкеназывается предельное положение секущей, если точкастремится к, двигаясь по кривой.
Из определения очевидно, что если касательная к кривой в точке существует, то она единственная
Рассмотрим кривую
y = f(x) (т.е. график функции y = f(x)).
Пусть в точке 
он
имеет невертикальную касательную.
Ее уравнение:(уравнение
прямой, проходящей через точку
и
имеющую угловой коэффициент k).
По определению углового коэффициента , где– угол наклона прямойк оси.
Пусть– угол наклона секущейк оси, где. Так как– касательная, то при
Следовательно,
Таким образом,
получили, что– угловой
коэффициент касательной к графику
функции y = f(x) в точке
(геометрический
смысл производной функции в точке).
Поэтому уравнение касательной к кривой
y = f(x) в точке
можно
записать в виде
Конспект открытого урока преподавателя ГБПОУ «Педагогического колледжа № 4 Санкт-Петербурга»
Мартусевич Татьяны Олеговны
Дата: 29.12.2014.
Тема: Геометрический смысл производной.
Тип урока: изучение нового материала.
Методы обучения: наглядный, частично поисковый.
Цель урока.
Ввести понятие касательной к графику функции в точке, выяснить в чем состоит геометрический смысл производной, вывести уравнение касательной и научить находить его.
Образовательные задачи:
Добиться понимания геометрического смысла производной; вывода уравнения касательной; научиться решать базовые задачи;
обеспечить повторение материала по теме «Определение производной»;
создать условия контроля (самоконтроля) знаний и умений.
Развивающие задачи:
способствовать формированию умений применять приемы сравнения, обобщения, выделения главного;
продолжить развитие математического кругозора, мышления и речи, внимания и памяти.
Воспитательные задачи:
содействовать воспитанию интереса к математике;
воспитание активности, мобильности, умения общаться.
Тип урока – комбинированный урок с использованием ИКТ.
Оборудование – мультимедийная установка, презентация Microsoft Power Point .
Этап урока
Время
Деятельность преподавателя
Деятельность учащегося
1. Организационный момент.
Сообщение темы и цели урока.
Тема: Геометрический смысл производной.
Цель урока.
Ввести понятие касательной к графику функции в точке, выяснить в чем состоит геометрический смысл производной, вывести уравнение касательной и научить находить его.
Подготовка студентов к работе на занятии.
Подготовка к работе на занятии.
Осознание темы и цели урока.
Конспектирование.
2. Подготовка к изучению нового материала через повторение и актуализацию опорных знаний.
Организация повторения и актуализации опорных знаний: определения производной и формулирование её физического смысла.
Формулирование определения производной и формулирование её физического смысла. Повторение, актуализация и закрепление опорных знаний.
Организация повторения и формирование навыка нахождения производной степенной функции и элемениарных функций.
Нахождение производной данных функций по формулам.
Повторение свойств линейной функции.
Повторение, восприятие чертежей и высказываний преподавателя
3. Работа с новым материалом: объяснение.
Объяснение смысла отношения приращения функции к приращению аргумента
Объяснение геометрического смысла производной.
Введение нового материала посредством словесных объяснений с привлечением образов и наглядных средств: мультимедийной презентации с анимацией.
Восприятие объяснения, понимание, ответы на вопросы учителя.
Формулирование вопроса преподавателю в случае затруднения.
Восприятие новой информации, её первичное понимание и осмысление.
Формулирование вопросов преподавателю в случае затруднения.
Создание конспекта.
Формулирование геометрического смысла производной.
Рассмотрение трех случаев.
Конспектирование, выполнение рисунков.
4. Работа с новым материалом.
Первичное осмысление и применение изученного материала, его закрепление.
В каких точках производная положительна?
Отрицательна?
Равна нулю?
Обучение поиску алгоритма ответов на поставленные вопросы по графику.
Понимание и осмысление и применение новой информации для решения задачи.
5. Первичное осмысление и применение изученного материала, его закрепление.
Сообщение условия задачи.
Запись условия задачи.
Формулирование вопроса преподавателю в случае затруднения
6. Применение знаний: самостоятельная работа обучающего характера.
Решите задачу самостоятельно:
Применение полученных знаний.
Самостоятельная работа по решению задачи на нахождение производной по рисунку. Обсуждение и сверка ответов в паре, формулирование вопроса преподавателю в случае затруднения.
7. Работа с новым материалом: объяснение.
Вывод уравнения касательной к графику функции в точке.
Подробное объяснение вывода уравнения касательной к графику функции в точке с привлечением в качестве наглядности в виде мультимедийной презентации, ответы на вопросы учащихся.
Вывод уравнения касательной совместно с преподавателем. Ответы на вопросы преподавателя.
Конспектирование, создание рисунка.
8. Работа с новым материалом: объяснение.
В диалоге со студентами вывод алгоритма нахождения уравнения касательной к графику данной функции в данной точке.
В диалоге с преподавателем вывод алгоритма нахождения уравнения касательной к графику данной функции в данной точке.
Конспектирование.
Сообщение условия задачи.
Обучение применению полученных знаний.
Организация поиска путей решения задачи и их реализация. подробный разбор решения с объяснением.
Запись условия задачи.
Выдвижение предположений о возможных путях решения задачи при реализации каждого пункта плана действий. Решение задачи совместно с преподавателем.
Запись решения задачи и ответа.
9. Применение знаний: самостоятельная работа обучающего характера.
Индивидуальный контроль. Консультирование и помощь студентам по мере необходимости.
Проверка и объяснение решения с использованием презентации.
Применение полученных знаний.
Самостоятельная работа по решению задачи на нахождение производной по рисунку. Обсуждение и сверка ответов в паре, формулирование вопроса преподавателю в случае затруднения
10. Домашнее задание.
§48, задачи 1 и 3, разобраться в решении и записать его в тетрадь, с рисунками.
№ 860 (2,4,6,8),
Сообщение домашнего задания с комментариями.
Запись домашнего задания.
11. Подведение итогов.
Повторили определение производной; физический смысл производной; свойства линейной функции.
Узнали, в чём заключается геометрический смысл производной.
Научились выводить уравнение касательной к графику данной функции в данной точке.
Корректировка и уточнение итогов урока.
Перечисление итогов урока.
12. Рефлексия.
1. Вам было на уроке: а) легко; б) обычно; в) трудно.
а) усвоил(а) полностью, могу применить;
б) усвоил(а), но затрудняюсь в применении;
в) не усвоил(а).
3. Мультимедийная презентация на уроке:
а) помогала усвоению материала; б) не помогала усвоению материала;
в) мешала усвоению материала.
Проведение рефлексии.