Формулы дифференцирования элементарных функций. Производная, правила и формулы дифференцирования

24.09.2019

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.

При решении задач дифференцирования приходится искать производные функций различных классов. В этой статье мы рассмотрим основные правила дифференцирования , которые будем постоянно использовать при нахождении производных. Все эти правила докажем на основе определения производной функции и обязательно остановимся на подробном решении примеров, чтобы понять принцип их применения.

При доказательстве правил дифференцирования будем считать функции f(x) и g(x) дифференцируемыми на некотором промежутке X .

То есть, для любого справедливо , где - приращения соответствующих функций.

В другой записи .

К основным правилам дифференцирования относят:

Вынесение постоянного множителя за знак производной.

Докажем формулу . По определению производной имеем:

Произвольный множитель можно выносить за знак предельного перехода (это известно из свойств предела), поэтому

На этом доказательство первого правила дифференцирования завершено.

Достаточно часто приходится сначала упрощать вид дифференцируемой функции, чтобы воспользоваться таблицей производных и правилами нахождения производных. Следующие примеры это наглядно подтверждают.

Пример.

Выполнить дифференцирование функции .

Решение.

По свойствам логарифмической функции можно перейти к записи . Осталось вспомнить производную логарифмической функции и вынести постоянный множитель:

Пример.

Решение.

Преобразуем исходную функцию .

Применяем правило вынесения множителя за знак производной и из таблицы берем производную показательной функции:

Производная суммы, производная разности.

Для доказательства второго правила дифференцирования воспользуемся определением производной и свойством предела непрерывной функции.

Подобным образом можно доказать, что производная суммы (разности) n функций равна сумме (разности) n производных .

Пример.

Найти производную функции .

Решение.

Упростим вид исходной функции .

Используем правило производной суммы (разности):

В предыдущем пункте мы доказали, что постоянный множитель можно выносить за знак производной, поэтому

Осталось воспользоваться таблицей производных:

Производная произведения функций.

Докажем правило дифференцирования произведения двух функций .

Запишем предел отношения приращения произведения функций к приращению аргумента. Будем учитывать, что и (приращение функции стремиться к нулю при приращении аргумента, стремящемся к нулю).

Что и требовалось доказать.

Пример.

Продифференцировать функцию .

Решение.

В данном примере . Применяем правило производной произведения:

Обращаемся к таблице производных основных элементарных функций и получаем ответ:

Пример.

Найти производную функции .

Решение.

В этом примере . Следовательно,

Давайте рассмотрим случай нахождения производной произведения трех функций. В принципе, по этой же системе можно дифференцировать произведение и четырех, и пяти, и двадцати пяти функций.

Пример.

Выполнить дифференцирование функции .

Решение.

Будем исходить из правила дифференцирования произведения двух функций. В качестве функции f(x) будем считать произведение (1+x)sinx , а в качестве g(x) возьмем lnx :

Для нахождения вновь применяем правило производной произведения:

Используем правило производной суммы и таблицу производных:

Подставляем полученный результат:

Как видите, порой приходится применять несколько правил дифференцирования в одном примере. Сложного в этом ничего нет, главное действовать последовательно и не мешать все в кучу.

Пример.

Найти производную функции .

Решение.

Функция представляет собой разность выражений и , поэтому

В первом выражении выносим двойку за знак производной, а ко второму выражению применяем правило дифференцирования произведения:

Производная частного двух функций (производная дроби).

Докажем правило дифференцирования частного двух функций (дроби) . Стоит оговориться, что g(x) не обращается в ноль ни при каких x из промежутка X .

Видеокурс «Получи пятерку» включает все темы, необходимые для успешной сдачи ЕГЭ по математике на 60-65 баллов. Полностью все задачи 1-13 Профильного ЕГЭ по математике. Подходит также для сдачи Базового ЕГЭ по математике. Если вы хотите сдать ЕГЭ на 90-100 баллов, вам надо решать часть 1 за 30 минут и без ошибок!

Курс подготовки к ЕГЭ для 10-11 класса, а также для преподавателей. Все необходимое, чтобы решить часть 1 ЕГЭ по математике (первые 12 задач) и задачу 13 (тригонометрия). А это более 70 баллов на ЕГЭ, и без них не обойтись ни стобалльнику, ни гуманитарию.

Вся необходимая теория. Быстрые способы решения, ловушки и секреты ЕГЭ. Разобраны все актуальные задания части 1 из Банка заданий ФИПИ. Курс полностью соответствует требованиям ЕГЭ-2018.

Курс содержит 5 больших тем, по 2,5 часа каждая. Каждая тема дается с нуля, просто и понятно.

Сотни заданий ЕГЭ. Текстовые задачи и теория вероятностей. Простые и легко запоминаемые алгоритмы решения задач. Геометрия. Теория, справочный материал, разбор всех типов заданий ЕГЭ. Стереометрия. Хитрые приемы решения, полезные шпаргалки, развитие пространственного воображения. Тригонометрия с нуля - до задачи 13. Понимание вместо зубрежки. Наглядное объяснение сложных понятий. Алгебра. Корни, степени и логарифмы, функция и производная. База для решения сложных задач 2 части ЕГЭ.

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 , .

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 , .

Вариант 4

1. Найти производную функции .

2. Найти производную функции .

3. Написать уравнение касательной к графику функции в точке с абсциссой , .

Вариант 5

1. Найти производную функции .

2. Найти производную функции .

3. Написать уравнение касательной к графику функции в точке с абсциссой , .

Вариант 6

1. Найти производную функции .

2. Найти производную функции .

3. Написать уравнение касательной к графику функции в точке с абсциссой , .

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.

Во всех приведенных ниже формулах буквами u и v обозначены дифференцируемые функции независимой переменной x : , , а буквами a , c, n - постоянные:

Остальные формулы записаны как для функций независимой переменной, так и для сложных функций:

10.

11.

12.

13.

15.

17.

7а.

10а.

12а.

13а.

14а.

15а.

16а.

17а.

При решении приведенных ниже примеров сделаны подробные записи. Однако следует научиться дифференцировать без промежуточных записей.

Пример 1. Найти производную функции .

Решение. Данная функция есть алгебраическая сумма функций. Дифференцируем ее, используя формулы 3, 5, 7 и 8:

Пример 2. Найти производную функции

Решение. Применяя формулы 6, 3, 7 и 1, получим

Пример 3. Найти производную функции и вычислить ее значение при

Решение. Это сложная функция с промежуточным аргументом . Используя формулы 7а и 10, имеем

Вычислим значение производной при :

Пример 4. Найти производную функции .

Решение. Это сложная функция с промежуточным аргументом . Применяя формулы 3, 5, 7а, 11, 16а, получим

Пример 5. Найти производную функции .

Решение. Дифференцируем данную функцию по формулам 6, 12, 3 и 1:

Пример 6.

Решение. Сначала преобразуем функцию, используя свойства логарифмов :

Теперь дифференцируем по формулам 3, 16а, 7 и 1:

Вычислим значение производной при .

Пример 7. Найти производную функции и вычислить ее значение при .

Решение. Используем формулы 6, 3, 14а, 9а, 5 и 1:

Вычислим значение производной при :

Геометрический смысл производной.

Производная функции имеет простую и важную геометрическую интерпретацию .

Если функция дифференцируема в точке х , то график этой функции имеет в соответствующей точке касательную, причем угловой коэффициент касательной равен значению производной в рассматриваемой точке.

Угловой коэффициент касательной, проведенной к графику функции в точке (х 0 , у 0), равен значению производной функции при х = х 0 , т.е. .

Уравнение этой касательной имеет вид

Пример 8 . Составить уравнение касательной к графику функции в точке А (3,6).

Решение. Для нахождения углового коэффициента касательной найдем производную данной функции:

х = 3:

Уравнение касательной имеет вид

Или , т.е.

Пример 9. Составить уравнение касательной, проведенной к графику функции в точке с абсциссой х=2 .

Решение. Сначала найдем ординату точки касания . Так как точка А лежит на кривой, то ее координаты удовлетворяют уравнению кривой, т.е.

; .

Уравнение касательной, проведенной к кривой в точке , имеет вид . Для нахождения углового коэффициента касательной найдем производную:

Угловой коэффициент касательной равен значению производной функции при х = 2:

Уравнение касательной таково:

, , т.е.

Физический смысл производной. Если тело движется по прямой по закону s=s(t ), то за промежуток времени (от момента t до момента ) оно пройдет некоторый путь . Тогда есть средняя скорость движения за промежуток времени .

Скоростью движения тела в данный момент времени t называется предел отношения пути к приращению времени , когда приращение времени стремиться к нулю:

Следовательно, производная пути s по времени t равна скорости прямолинейного движения тела в данный момент времени:

Скорость протекания физических, химических и других процессов также выражается с помощью производной.

Производная функции равна скорости изменения этой функции при данном значении аргумента х :

Пример 10. Закон движения точки по прямой задан формулой (s - в метрах, t - в секундах). Найти скорость движения точки в конце первой секунды.

Решение. Скорость движения точки в данный момент времени равна производной пути s по времени t :

Итак, скорость движения точки в конце первой секунды равна 9 м/с.

Пример 11. Тело, брошенное вертикально вверх, движется по закону , где v 0 - начальная скорость, g - ускорение свободного падения тела. Найти скорость этого движения для любого момента времени t . Сколько времени будет подниматься тело и на какую высоту оно поднимется, если v 0 = 40 м/с?

Решение. Скорость движения точки в данный момент времени t равна производной пути s по времени t:

В высшей точке подъема скорость тела равна нулю:

, , , , с.

За 40/g секунд тело поднимается на высоту

, м.

Вторая производная.

Производная функции в общем случае является функцией от х . Если от этой функции вычислить производную, то получим производную второго порядка или вторую производную функции .

Второй производной функции называется производная от ее первой производной .

Вторая производная функции обозначается одним из символов - , , . Таким образом, .

Аналогично определяются и обозначаются производные любого порядка. Например, производная третьего порядка:

или ,

Пример 12. .

Решение. Сначала найдем первую производную

Пример 13. Найти вторую производную функции и вычислить ее значение при х=2 .

Решение. Сначала найдем первую производную:

Дифференцируя еще раз, найдем вторую производную:

Вычислим значение второй производной при х=2 ; имеем

Физический смысл второй производной.

Если тело движется прямолинейно по закону s = s(t) , то вторая производная пути s по времени t равна ускорению движения тела в данный момент времени t:

Таким образом, первая производная характеризует скорость некоторого процесса, а вторая производная - ускорение того же процесса.

Пример 14. Точка движется по прямой по закону . Найти скорость и ускорение движения .

Решение. Скорость движения тела в данный момент времени равна производной пути s по времени t, а ускорение - второй производной пути s по времени t . Находим:

; тогда ;

; тогда

Пример 15. Скорость прямолинейного движения пропорциональна квадратному корню из пройденного пути (как, например, при свободном падении). Доказать, что это движение происходит под действием постоянной силы.

Решение. По закону Ньютона , сила F, вызывающая движение, пропорциональна ускорению, т.е.

Или

Согласно условию, . Дифференцируя это равенство, найдем

Следовательно, действующая сила .

Приложения производной к исследованию функции .

1) Условие возрастания функции : Дифференцируемая функция y = f(x) монотонно возрастает на промежутке Х тогда и только тогда, когда её производная больше ноля, т. е. y = f(x) f’(x) > 0 . Это условие геометрически означает, чтокасательная к графику данной функции образует острый угол с положительным направлением к оси оХ.

2) Условие убывания функции : Дифференцируемая функция y = f(x) монотонно убывает на промежутке Х тогда и только тогда, когда её производная меньше ноля, т. е.

y = f(x)↓ f’(x)Это условие геометрически означает, чтокасательная к графику данной функции образует тупой угол с положительным направлением оси оХ)

3) Условие постоянства функции: Дифференцируемая функция y = f(x) постоянна на промежутке Х тогда и только тогда, когда её производная равна нулю, т. е. y = f(x) - постоянна f’(x) = 0 . Это условие геометрически означает, чтокасательная к графику данной функции параллельна оси оХ, т. е. α = 0)

Экстремумы функции.

Определение 1 : Точку х = х 0 называют точкой минимума функции y = f(x), если у этой точки существует окрестность, для всех точек которой (кроме самой точки) выполняется неравенство f(x)> f(x 0)

Определение 2: Точку х = х 0 называют точкой максимума функции y = f(x), если у этой точки существует окрестность, для всех точек которой (кроме самой точки) выполняется неравенство f(x) < f(x 0).

Определение 3: Точку минимума или максимума функции называют точкой экстремума . Значение функции в этой точке называют экстремальным.

Замечания : 1. Максимум (минимум) не является обязательно наибольшим (наименьшим) значением функции;

2. Функция может иметь несколько максимумов или минимумо;

3. Функция, определённая на отрезке, может достигать экстремума только во внутренних точках этого отрезка.

5) Необходимое условие экстремума: Если функция y = f(x) имеет экстремум в точке х = х 0 , то в этой точке производная равна нулю или не существует. Эти точки называются критическими точками 1 рода .

6) Достаточные условия существования экстремума функции: Пусть функция y = f(x) непрерывна на промежутке Х и имеет внутри этого промежуткак ритическую точку 1 рода х = х 0 , то:

а) если у этой точки существует такая окрестность, в которой при х < х 0 f’(x) < 0, а при x> x 0 f’(x) > 0, то х = х 0 является точкой минимума функции y = f(x);

б) если у этой точки существует такая окрестность, в которой при х < х 0 f’(x) > 0, а при x> x 0

f’(x) < 0, то х = х 0 является точкой максимума функции y = f(x);

в) если у этой точки существует такая окрестность, что в ней и справа и слева от точки х 0 знаки производной одинаковы, то в точке х 0 экстремума нет.

Промежутки убывания или возрастания функции называются промежутками монотонности.

Определение1: Кривая у = f(x) называется выпуклой вниз на промежутке а < х <в, если она лежит выше касательной в любой точке этого промежутка и кривая у = f(x) называется выпуклой вверх на промежутке а < х <в, если она лежит ниже касательной в любой точке этого промежутка.

Определение 2: Промежутки, в которых график функции обращён выпуклостью вверх или вниз, называются промежутками выпуклости графика функции.

Достаточное условие выпуклости кривой. График дифференцируемой функции Y = f(x) является выпуклым вверх на промежутке а < х <в, если f”(x) < 0 и выпуклым вниз , если f”(x) > 0.

Определение 1: Точки, в которых вторая производная равна нулю или не существует, называются критическими точками II рода .

Определение 2: Точка графика функцииY = f(x), разделяющая промежутки выпуклости противоположенных направлений этого графика, называется точкой перегиб.

точка перегиба

Пример : Дана функция у = х 3 - 2х 2 + 6х - 4.Исследовать функцию на промежутки монотонности и точки экстремума. Определить направление выпуклости и точки перегиба.

Решение: 1. Найдем область определения функции: D(y) = ;

2. Найдем первую производную: y’ = 3x 2 - 4x+ 6;

3. Решим уравнение: y’ = 0, 3x 2 - 4x+ 6 = 0, D 0, то данное уравнение не имеет решения, следовательно точек экстремуму нет. y’ , то функция возрастает на всей области определения.

4. Найдем вторую производную:y” = 6x - 4;

5. Решим уравнение: y” = 0, 6x - 4 = 0, х =

Ответ: ( ; - ) - точка перегиба, функция выпукла вверх при х и выпукла вверх при х

Асимптоты.

1. Определение : Асимптотой кривой называется прямая, к которой неограниченно приближается график данной функции.

2. Виды асимптот :

1) Вертикальные асимптоты . График функции y = f(x) имеет вертикальную асимптоту, если . Уравнение вертикальной асимптоты имеет вид х = а

2) Горизонтальные асимптоты . График функции y = f(x) имеет горизонтальную асимптоту, если . Уравнение горизонтальной асимптоты имеет вид у = b.

Пример 1 : Для функция y = найдите асимптоты.

3) Наклонные асимптоты. Прямая y = kx + b называется наклонной асимптотой графика функции y = f(x), если . Значения k и b вычисляются по формулам: k = ; b = .

Решение: , то y = 0 - горизонтальная асимптота;

(т. к. х - 3 ≠ 0, х ≠3), то х = 3 - вертикальная асимптота. ,т. е. k = 0, то кривая наклонной асимптоты не имеет.

Пример 2 : Для функции y = найдите асимптоты.

Решение: x 2 - 25 ≠ 0 при x ≠ ± 5, то х = 5 и х = - 5 являются горизонтальными асимптотами;

y = , то кривая не имеет вертикальной асимптоты;

k = ; b = , т. е. y = 5x - наклонная асимптота.

Примеры построения графиков функций .

Пример 1 .

Исследовать функцию и построить график функции у = х 3 - 6х 2 + 9х - 3

1. Найдём область определения функции: D(y) = R

у(- х) = (- х) 3 - 6·(- х) 2 + 9·(-х) - 3 = - х 3 - 6х 2 - 9х - 3 = - (х 3 + 6х 2 + 9х + 3), т. е.

(у = х 5 - х 3 - нечетная, у = х 4 + х 2 - четная)

3. Не является периодической.

4. Найдем точки пересечения с осями координат: если х = 0, то у = - 3 (0; - 3)

если У = 0, х найти затруднительно.

5. Найдем асимптоты графика функции: Вертикальных асимптот нет, т.к. нет значений х, при которых функция неопределенна; у = , т. е. горизонтальных асимптот нет;

k = , т. е. наклонных асимптот нет.

6. Исследуем функцию на промежутки монотонности и её экстремумы: y’ = 3x 2 - 12x + 9,

y’= 0, 3x 2 - 12x + 9 = 0 x 1 = 1; x 2 = 3 - критические точки 1 рода.

Определим знаки производной: y’(0) = 9 > 0; y’(2) = - 3 < 0; y’(4) = 9 > 0

y max = y(1) = 1, (1;1) - точка максимума; y min = y(3) = - 3, (3; - 3) - точка минимума, функция у при х и у .

7. Исследуем функцию на промежутки выпуклости и точки перегиба:

y” = (y’)’ = (3x 2 - 12x + 9)’ = 6x - 12, y” = 0, 6x - 12 = 0 x = 2 - критическая точка 1 рода.

Определим знаки второй производной: y”(0) = - 12 < 0; y”(3) = 6 > 0

Y(2) = - 1 (2; - 1) - точка перегиба, функция выпукла вверх при х и выпукла вниз при х .

8. Дополнительные точки:

х	- 1
у	- 19

9. Построим график функции:

Исследовать функцию и построить график функции у =

1. Найдём область определения функции: 1 - х ≠ 0, х ≠ 1, D(y) = .

2. Выясним, является ли данная функция чётной или нечетной: ,

у(- х) ≠ у(х) - не является чётной и у(- х) ≠ - у(х) - не является нечётной

3. Не является периодической.

4. Найдем точки пересечения с осями координат: х = 0, то у = - 2; у = 0, , то , т. е. (0; - 2); ().

5. Найдем асимптоты графика функции: т.к. х ≠ 1,то прямая х = 1 - вертикальная асимптота;