6. Rachunek różniczkowy I#

6.1. Definicja pochodnej funkcji w punkcie#

Narration

Weźmy funkcję \(f:X \to \rr\) i punkt \(x_0\in X\), dla którego istnieje \(r>0\) i otoczenie \(Q(x_0, r)\subseteq X\).

Definicja 6.1

Ilorazem różnicowym funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\) dla przyrostu \(\DeltaX\), nazywamy wyrażenie

\[\frac {f(x_0 + \DeltaX) - f(x_0)} {\DeltaX}.\]

Jeśli istnieje granica właściwa ilorazów różnicowych

\[ \LimIn[\DeltaX]{0} \frac {f(x_0 + \DeltaX) - f(x_0)} {\DeltaX} = \LimIn[x]{x_0} \frac {f(x) - f(x_0)} {x - x_0}, \]

to nazywamy ją pochodną funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\) i oznaczamy przez

\[f'(x_0) \qquad\text{lub}\qquad \Diff{f}(x_0).\]

Mówimy wtedy, że funkcja \(f\) jest różniczkowalna w punkcie \(x_0.\)

Funkcję \(f\) nazywamy różniczkowalną na zbiorze \(A \subseteq X\) , jeśli jest różniczkowalna w każdym punkcie zbioru \(A\).

Funkcję \(f\) nazywamy różniczkowalną , jeśli jest różniczkowalna w każdym punkcie swojej dziedziny.

Uwaga 6.1

GEOGEBRA Iloraz różnicowy funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\) dla przyrostu \(\DeltaX\) jest tangensem kąta między osią OX, a siczną przechodzącą przez punkty \((x_0, f(x_0))\) i \((x_0 + \DeltaX, f(x_0 + \DeltaX))\).

Pochodna funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\) jest tangensem kąta między osią OX, a „prostą graniczną” tych siecznych, którą nazywamy styczną do wykresu funkcji \(f\) w punkcie \((x_0, f(x_0))\).

Ćwiczenie 6.1

Policzmy z definicji pochodne funkcji:

  1. \(f(x) = c\) dla \(c\in \rr \)

  2. \(f(x) = 2x^2-3x \)

  3. \(f(x) = x^\alpha\) dla \(x >0,\ \alpha \in \rr \)

  4. \(f(x) = a^x\) dla \(a > 0 \)

  5. \(f(x) = \sin x .\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 6.11, Ćw. 6.12, Ćw. 6.16, Ćw. 6.17.

Twierdzenie 6.1 (o działaniach arytmetycznych na pochodnych)

Niech \(f,g:X \to \rr\) będą funkcjami różniczkowalnymi w punkcie \(x_0\in X\).

Wówczas:

  1. \((c \cdot f)'(x_0) = c \cdot f'(x_0)\)

  2. \((f \pm g)'(x_0) = f'(x_0) \pm g'(x_0)\)

  3. \((f \cdot g)'(x_0) = f'(x_0)g(x_0) + f(x_0)g'(x_0).\)

  4. \( \left(\dfrac{f} {g}\right)' (x_0) = \dfrac {f'(x_0)g(x_0) - f(x_0)g'(x_0)} {\Paren{g(x_0)}^2}, \quad \) przy dodatkowym założeniu, że \(g(x_0)\neq 0.\)

Przykład 6.1

  1. Jak już pokazaliśmy, funkcje stała, potęgowa, wykładnicza i sinus są różniczkowalne.

  2. Z różniczkowalności f. stałej i jednomianów oraz powyższego twierdzenia wnioskujemy różniczkowalność wielomianów i funkcji wymiernych.

Ćwiczenie 6.2

Policzmy pochodne funkcji:

  1. \(f(x) = \sinh x \)

  2. \(f(x) = x^3 \sin^2 x \)

  3. \(f(x) = \dfrac{x^{12} - 4x^3} {\sin^2 x} .\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 6.13, Ćw. 6.14, Ćw. 6.18.

Twierdzenie 6.2 (o pochodnej funkcji złożonej)

Jeśli funkcja \(h:X\to Y\) jest różniczkowalna w punkcie \(x_0\in X\) i funkcja \(g:Y\to \rr\) jest różniczkowalna w punkcie \(h(x_0)\in Y\), to funkcja \(g\circ h\) jest różniczkowalna w punkcie \(x_0\) oraz

\[(g\circ h)'(x_0) = g'(h(x_0))\cdot h'(x_0) .\]

Przykład 6.2

  1. Ponieważ \(\cos x = \sin\left(x+ \frac\pi 2 \right)\), więc przyjmując w powyższym twierdzeniu \(g(x) = \sin x\), \(h(x) = x+ \frac\pi 2,\) otrzymamy

    \[ \cos' x = \left(\sin\left(x+ \frac\pi 2 \right)\right)' = \cos\left(x+ \frac\pi 2 \right)\cdot \left(x+ \frac\pi 2 \right)' = -\sin x. \]
  2. Możemy zatem policzyć pochodną funkcji tangens:

    \[ \tg' x = \left(\frac{\sin x} {\cos x}\right)' = \frac{\cos x \cos x - (-\sin x )\sin x} {\cos^2 x} = \frac 1 {\cos^2 x}. \]
  3. Podobnie, \(\displaystyle\ctg' x = - \frac 1 {\sin^2 x}.\)

Ćwiczenie 6.3

Policzmy pochodne funkcji:

  1. \(f(x) = \Paren{x^4 + 5\sqrt[3] x}^{3}\)

  2. \(f(x) = \sin x^2\)

  3. \(f(x) = \sin^2 x\)

  4. \(f(x) = e^{\sin 3x^2}\)

  5. \(\displaystyle f(x) = \cos \Paren{\sinh x + 3^{ 1 / x}}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 6.13, Ćw. 6.14, Ćw. 6.18.

Twierdzenie 6.3 (o pochodnej funkcji odwrotnej)

Jeśli funkcja \(f\) na przedziale \((a,b)\) jest ciągła i ściśle monotoniczna, oraz w punkcie \(x_0\in (a,b)\) ma pochodną \(f'(x_0)\neq 0\), to funkcja \(f^{-1}\) ma pochodną w punkcie \(y_0 = f(x_0)\) oraz

\[\Paren{f^{-1}}'(y_0) = \frac 1 {f'(x_0)} = \frac 1 {f'(f^{-1}(y_0))}.\]

Przykład 6.3

  1. Weźmy funkcję \(f(x) = a^x\), do której odwrotna jest \(f^{-1}(x) = \log_a x\) oraz \(f'(x) = a^x \ln a\).

    Zgodnie ze wzorem na pochodną funkcji odwrotnej dla \(y_0 = a^{x_0}\) mamy

    \[ \Paren{f^{-1}}'(y_0) = \frac 1 {f'(x_0)} = \frac 1 {a^{x_0} \ln a } = \frac 1 {y_0 \ln a } . \]

    Zatem \(\displaystyle\Paren{\log_a x}' = \frac 1 {x \ln a } .\)

    W szczególności \(\quad \displaystyle (\ln x)' = \frac 1 {x \ln e} = \frac 1 x .\)

  2. Weźmy funkcję \(f(x) = \sin x\), do której odwrotna jest \(f^{-1}(x) = \arcsin x\) oraz \(f'(x) = \cos x\).

    Zauważmy, że dla \(x\in\Brack{-\frac \pi 2, \frac \pi 2 }\), \(\quad\cos x = \sqrt{1 - \sin^2 x} \geq 0\).

    \(\quad\) Stąd dla \(y_0 = \sin x_0\) mamy

    \[ \Paren{f^{-1}}'(y_0) = \frac 1 {f'(x_0)} = \frac 1 {\cos x_0 } = \frac 1 {\sqrt{1 - \sin^2 x_0} } = \frac 1 {\sqrt{1 - y_0^2} } . \]

    Zatem

    \[ \emphmath{ \Paren{\arcsin x}' = \frac 1 {\sqrt{1 - x^2} } . } \]
  3. Weźmy funkcję \(f(x) = \tg x\), do której odwrotna jest \(f^{-1}(x) = \arctg x\) oraz \(f'(x) = \dfrac 1 {\cos^2 x}\).

    Stąd dla \(y_0 = \tg x_0\) mamy

    \[\begin{split} \Paren{f^{-1}}'(y_0) & = \frac 1 {f'(x_0)} = \frac 1 {\frac 1 {\cos^2 x_0} } = \cos^2 x_0 = \frac {\cos^2 x_0} {\cos^2 x_0 + \sin^2 x_0} \\ & = \frac {\cancel{\cos^2 x_0}} {\cancel{\cos^2 x_0} \Paren{1 + \frac{\sin^2 x_0}{\cos^2 x_0}}} = \frac 1 {1 + \tg^2 x_0} = \frac 1 {1 + y_0^2}. \end{split}\]

    Zatem

    \[ \emphmath{ \Paren{\arctg x}' = \frac 1 {1 + x^2 } . } \]

Ćwiczenie 6.4

Policzmy pochodną funkcji \(f(x) = x^x.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 6.14, Ćw. 6.18.

6.2. Ważne przykłady pochodnych#

Wskazówka

Zbierzmy najważniejsze podstawowe przykłady pochodnych funkcji:

  1. \(\left( x^\alpha \right)' = \alpha\cdot x^{\alpha -1} \qquad\) dla \(\alpha \in \rr\)

  2. \(\left( a^x \right)' = a^x \ln a \qquad\) dla \(a > 0\)

  3. \(\left( e^x \right)' = e^x \)

  4. \(\displaystyle (\log_a |x|)' = \frac 1 {x \ln a} \qquad\) dla \(a > 0, a\neq 1\)

  5. \(\displaystyle (\ln |x|)' = \frac 1 x\ \)

  6. \((\sin x)' = \cos x\ \)

  7. \((\cos x)' = -\sin x\ \)

  8. \(\displaystyle (\tg x)' = \frac 1 {\cos^2 x}\ \)

  9. \(\displaystyle (\ctg x)' = -\frac 1 {\sin^2 x}\ \)

  10. \(\displaystyle (\arcsin x)' = \frac 1 {\sqrt{1- x^2}}\ \)

  11. \(\displaystyle (\arccos x)' = -\frac {1} {\sqrt{1- x^2}}\ \)

  12. \(\displaystyle (\arctg x)' = \frac 1 {1 + x^2}\ \)

  13. \(\displaystyle (\arcctg x)' = -\frac {1} {1 + x^2}\ \).

6.3. Pochodna jednostronna#

Definicja 6.2

Jeśli istnieje granica właściwa \( \quad \LimIn[\DeltaX]{0^-} \frac {f(x_0 + \DeltaX) - f(x_0)} {\DeltaX} = \LimIn[x]{x_0^-} \frac {f(x) - f(x_0)} {x - x_0}, \quad \) to nazywamy ją pochodną lewostronną funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\) i oznaczamy przez

\[f'_-(x_0).\]

Jeśli istnieje granica właściwa \( \quad \LimIn[\DeltaX]{0^+} \frac {f(x_0 + \DeltaX) - f(x_0)} {\DeltaX} = \LimIn[x]{x_0^+} \frac {f(x) - f(x_0)} {x - x_0}, \quad \) to nazywamy ją pochodną prawostronną funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\) i oznaczamy przez

\[f'_+(x_0).\]

Stwierdzenie 6.4

Niech \(f: X \to \rr\) i \(x_0\in X\).

Pochodna \(f'(x_0)\) istnieje wtedy i tylko wtedy, gdy pochodne jednostronne istnieją i \(f'_-(x_0) = f'_+(x_0)\).

W takiej sytuacji

\[ f'(x_0) = f'_-(x_0) = f'_+(x_0) . \]

Przykład 6.4

Funkcja \(f(x) = \sin |x|\) ma pochodne jednostronne w \(x_0 = 0\):

\[\begin{split} f'_-(0) & =\LimIn[\DeltaX]{0^-} \frac {f(0 + \DeltaX) - f(0)} {\DeltaX} = \LimIn[\DeltaX]{0^-} \frac {\sin |\DeltaX|} {\DeltaX} = \LimIn[\DeltaX]{0^-} -\frac {\sin \DeltaX} {\DeltaX} = -1, \\ f'_+(0) & =\LimIn[\DeltaX]{0^+} \frac {f(0 + \DeltaX) - f(0)} {\DeltaX} = \LimIn[\DeltaX]{0^+} \frac {\sin |\DeltaX|} {\DeltaX} = \LimIn[\DeltaX]{0^+} \frac {\sin \DeltaX} {\DeltaX} = 1. \end{split}\]

Ponieważ nie są sobie równa, to \(f'(0)\) nie istnieje.

Definicja 6.3

Powiemy, że funkcja \(f:[a,b]\to \rr\) jest różniczkowalna :

  1. w punkcie \(a\), jeśli istnieje \(f'(a) = f'_+(a)\)

  2. w punkcie \(b\), jeśli istnieje \(f'(b) = f'_-(b)\)

  3. (na \([a,b]\)), jeśli \(\forall x\in [a,b]\) istnieje \(f'(x)\).

6.4. Reguła de l`Hospitala#

Twierdzenie 6.5 (reguła de l`Hospitala)

Niech \(f,g:X \to \rr\) i załóżmy, że dziedziny \(\displaystyle \frac f g\) i \(\displaystyle \frac {f'} {g'}\) zawierają pewne sąsiedztwo punktu \(x_0\in\rr\), oraz spełniony jest jeden z warunków:

\[ \begin{aligned} \LimIn{x_0} f(x) = \LimIn{x_0} g(x) = 0 \Quad{\text{lub}} \LimIn{x_0} g(x) = \pm\infty. \end{aligned} \]

Wówczas, jeśli istnieje granica \(\LimIn{x_0} \frac {f'(x)}{g'(x)}\), to istnieje granica \(\LimIn{x_0} \frac {f(x)}{g(x)}\) i są sobie równe:

\[\LimIn{x_0} \frac {f(x)}{g(x)} = \LimIn{x_0} \frac {f'(x)}{g'(x)} .\]

Uwaga 6.2

  1. Twierdzenie zachodzi również dla granic jednostronnych oraz dla \(x \to \pm \infty\).

  2. W twierdzeniu nie zakładamy, że \(x_0 \in X\).

  3. Reguła de l`Hospitala pozwala obliczać granice, gdy pojawia się jeden z symboli nieoznaczonych \(\IndefiniteSymbol[0]\) lub \(\IndefiniteSymbol[\infty]\), ale można jej użyć również do symboli nieoznaczonych:

    \[ \begin{aligned} 0\cdot \infty & : \quad f\cdot g = \frac {f} { \frac 1 g} & 0^0,\ \infty^0,\ 1^\infty & : \quad f^g = e^{g\cdot \ln f} & \infty - \infty & : \quad f - g = \frac {\frac 1 g - \frac 1 f} { \frac 1 {fg}}. \end{aligned} \]

Ćwiczenie 6.5

Policzmy granice:

  1. \(\displaystyle\LimIn{+\infty} \frac {x - \sin x} {x + \sin x} \)

  2. \(\LimIn{0} \frac {e^x - 1 - x} {x^2} \)

  3. \(\displaystyle\LimIn{0^+} \sqrt x \cdot \ln x \)

  4. \(\displaystyle\LimIn{+\infty} x^{\frac 1 x} \)

  5. \(\displaystyle\LimIn{0} \frac {1} {\sin x} - \frac 1 x.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 6.15, Ćw. 6.19.

6.5. Styczna i normalna do wykresu funkcji#

SageMath (Ukryj)

../_images/490557ca1925e67d58ff494980977b8fa696ff3ea38cd773328f440279abdeda.png

Narration

Niech \(f:X\to \rr\) będzie różniczkowalna w punkcie \(x_0\in X\).

Jak wiemy, \(f'(x_0)\) jest tangensem kąta między osią OX, a styczną do wykresu funkcji \(f\) w punkcie \((x_0, f(x_0))\).

Zatem punkt \((x,y)\neq (x_0,f(x_0))\) należący do tej prostej spełnia równanie

\[f'(x_0) = \frac {y - f(x_0)} {x - x_0}.\]

Innymi słowy, prosta styczna do wykresu funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\) zadana jest równaniem

\[y = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0).\]

Jeśli \(f'(x_0)\neq 0\), to prosta do niej prostopadła, ma współczynnik kierunkowy \(- \frac 1 {f'(x_0)}\).

Jeśli przechodzi przez punkt \((x_0, f(x_0))\), dana jest równaniem

\[y = - \frac 1 {f'(x_0)}(x - x_0) + f(x_0).\]

Nazywamy ją prostą normalną do wykresu funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\).

Jeśli \(f'(x_0) = 0\), to prosta normalna ma równanie \(x = x_0\)

Ponadto, jeśli

\[\LimIn{x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} = \pm\infty,\]

czyli „pochodna \(f\) w punkcie \(x_0\) jest nieskończona”, to prosta styczna (normalna) do wykresu funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\), ma równanie \(x = x_0\) (\(y = f(x_0)\)).

Ćwiczenie 6.6

Napiszmy równania stycznej i normalnej do paraboli \(y - x^2 - 4x=0\) w punkcie o odciętej \(1\).

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 7.7.

6.6. Własności funkcji różniczkowalnych#

Twierdzenie 6.6 (o ciągłości funkcji różniczkowalnych)

Jeśli funkcja \(f\) jest różniczkowalna w punkcie \(x_0\in D_f\), to jest ciągła w tym punkcie.

SageMath (Ukryj)

../_images/b20cb5462611f36a28c6b2d4597bf20eb1dfc008abbf749857bb9a3fef5b08ff.png

Przykład 6.5

Twierdzenie nie zachodzi w drugą stronę.

Np.: \(\Quad{f(x) = |x|}\) jest ciągła w \(0\), ale:

\[f'_-(0) = -1, \qquad f'_+(0) = 1,\]

więc pochodna nie istnieje.

SageMath (Ukryj)

../_images/a04b400d791b8b0f54099c87d36151fef4c82efc7932f33626c7df13f59da794.png

Twierdzenie 6.7 (Rolle’a)

Niech funkcja \(f: [a,b] \to \rr\) spełnia założenia:

  • jest ciągła na \([a,b]\),

  • jest różniczkowalna na \((a,b)\),

  • \(f(a) = f(b)\).

Wówczas istnieje \(x_0 \in (a,b)\) taki, że \(f'(x_0) = 0\).

SageMath (Ukryj)

../_images/5289ddcb5b31bdfa905d90f841c4db47fe6a6a0e53e160134a5bff870017dbb5.png

Twierdzenie 6.8 (Lagrange’a, o przyrostach)

Niech funkcja \(f: [a,b] \to \rr\) spełnia założenia:

  • jest ciągła na \([a,b]\),

  • jest różniczkowalna na \((a,b)\).

Wówczas istnieje \(x_0 \in (a,b)\) taki, że

\[f(b) - f(a) = f'(x_0)\cdot(b-a).\]

Wniosek 6.9 (z tw. Lagrange’a)

Jeśli \(f: [a,b] \to \rr\) spełnia założenia tw. Lagrange’a, to:

  1. \(\forall x \in (a,b) \ f'(x) = 0 \quad \imply \quad \exists C\in \rr \ \forall x \in [a,b] \ f(x) = C \ \)

  2. \(\forall x \in (a,b) \ f'(x) > 0 \quad \imply \quad f\) jest rosnąca na \([a,b]\)

  3. \(\forall x \in (a,b) \ f'(x) < 0 \quad \imply \quad f\) jest malejąca na \([a,b]\).

Ćwiczenie 6.7

Pokażmy, że wielomian \(3x^5 + 15x -8\) ma dokładnie jeden pierwiastek rzeczywisty.

Ćwiczenie 6.8

Pokażmy, że \(\displaystyle \arcsin x + \arccos x = \frac \pi 2\) dla \(x\in [-1,1]\),

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 7.8.

Ćwiczenie 6.9

Pokażmy, że \(\displaystyle \forall x\in (0,1) \ \arctg x < x - \frac {x^3} 6.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 7.8, Ćw. 7.13.

6.7. Pochodne wyższych rzędów#

Narration

Niech \(f:X\to\rr\) będzie funkcją różniczkowalną.

Wówczas przyporządkowanie \(x \mapsto f'(x)\) zadaje funkcję \(f': X\to\rr\).

Definicja 6.4

Jeśli funkcja \(f'\) jest różniczkowalna w punkcie \(x_0\in X\), to tę pochodną,

\[ (f')'(x_0) = \LimIn[\DeltaX]{0} \frac {f'(x_0 + \DeltaX) - f'(x_0)} {\DeltaX} = \LimIn[x]{x_0} \frac {f'(x) - f'(x_0)} {x - x_0}, \]

nazywamy pochodną drugiego rzędu lub drugą pochodną funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\) i oznaczamy przez

\[f''(x_0) \qquad\text{lub}\qquad \Diff[x^2]{^2 f}(x_0) .\]

Mówimy wtedy, że funkcja \(f\) jest dwukrotnie różniczkowalna w punkcie \(x_0.\)

Narration

Ponieważ druga pochodna funkcji \(f\) jest pochodną pewnej funkcji, to można zastosować do niej analogiczne rozumowanie, w ten sposób definiując pochodną trzeciego rzędu, itd.

Definicja 6.5

Dla \(n\in \nn_0\), pochodną \(n\)-tego rzędu lub \(n\)-tą pochodną funkcji \(f\) w punkcie \(x_0\) oznaczamy przez

\[f^{(n)}(x_0) \qquad\text{lub}\qquad \Diff[x^n]{^n f}(x_0) ,\]

definiując iteracyjnie:

\[\begin{split} f^{(0)}(x_0) & = f(x_0), \\ f^{(n)}(x_0) & = \left(f^{(n-1)}\right)'(x_0) \\ & = \LimIn[\DeltaX]{0} \frac {f^{(n-1)}(x_0 + \DeltaX) - f^{(n-1)}(x_0)} {\DeltaX} \\ & = \LimIn[x]{x_0} \frac {f^{(n-1)}(x) - f^{(n-1)}(x_0)} {x - x_0}, \end{split}\]

dla \(n\in \nn.\)

Jeśli \(f^{(n)}(x_0)\) istnieje, to mówimy że funkcja \(f\) jest \(n\)-krotnie różniczkowalna w punkcie \(x_0.\)

Ćwiczenie 6.10

Dla funkcji \(f(x) = \begin{cases} x^2, & \text{dla } x \leq 0 \\ x^4, & \text{dla } x > 0 \end{cases} \) sprawdźmy, czy istnieje \(f''(0).\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 6.12, Ćw. 6.17.

SageMath (Ukryj)

../_images/0f52d512b63373fceb0dde79e981b6eeaed1ed072f2c4b2f319af54e6ac9dcaf.png