Значення похідної в деякій точці дорівнює тангенсу кута, утвореного дотичною до кривої в цій точці з додатним напрямом осі Ох.
Тоді
.
2. Нехай функція у = f(x) є степеневою, , тобто v(x) = а.
Тоді
Приклад.Знайти у¢, якщо у = (х2 + 1)sinx.
Ø 1) .
2) .
3)
Похідні вищих порядків
Нехай у = f(x) — деяка диференційовна функція на інтервалі І, причому похідна цієї функції у¢ = f¢(x) також є диференційовною функцією на зазначеному інтервалі. Похідна функції f ¢(x) називається похідною другого порядку функції f і позначається f ¢¢ або f (2). Якщо f (2) диференційовна на інтервалі І, то похідна функції f (2) називається похідною третього порядку функції f (х) і позначається f (3).
Аналогічно, похідною n-го порядку f (n) функції f (х) за індукцією називається похідна функції f (n-1), якщо вона існує і диференційовна.
Іноді замість позначення f (n)(х) застосовують символ або Dny, Dnf(x).
Приклад. Для функції f(x) = х4 + 2х3 + х + 5 знайти похідну n-го порядку.
Ø f ¢(x) = 4х3 + 6х2 + 1,
f ²(x) = 12х2 + 12х,
f (3)(x) = 24х + 12,
f (4)(x) = 24,
f (n)(x) = 0 для n ³ 5.
Правила відшукання
похідних n-го порядку
На похідні n-го порядку легко поширюються правила відшукання похідних першого порядку.
Очевидно, виконуються рівності:
Виведемо так звану формулу Лейбніца, яка дає змогу обчислювати похідну n-го порядку від добутку двох функцій u(x) та v(x). Для того щоб вивести цю формулу, знаходимо спочатку кілька похідних, а далі встановлюємо загальне правило:
Закон утворення похідних зберігається для похідних будь-якого порядку й полягає ось у чому.
Вираз (u + v)n потрібно розкласти за формулою бінома Ньютона й у здобутому розкладі замінити показники степенів для u та v показниками порядку похідних, причому нульові степені, що входять у крайні члени розкладу, слід замінити самими функціями (тобто похідними нульового порядку):
Це формула Лейбніца.
Зауваження. Повне доведення цієї формули можна подати методом повної математичної індукції [9].
Приклад.Задано функцію . Знайти її похідну у(n).
Ø
,
або
.
Механічний та геометричний зміст похідної
Джерелом диференціального числення стали, як відомо, два питання:
1) про відшукання швидкості в разі довільного закону руху;
2) про відшукання дотичної до довільної лінії.
Обидва вони привели до однієї й тієї самої обчислювальної задачі, яку було покладено в основу диференціального числення. Ця задача полягає в тому, щоб за даною функцією f(x) відшукати іншу функцію f ¢(x), яка дістала назву похідної і являє собою швидкість зміни функції f(x) щодо зміни аргументу.
У механіці відповідна задача формулюється так: знайти швидкість тіла, що рухається за законом , у деякий момент часу t. Вважаємо, що відстань s і час t — фізичні величини, які можна вимірювати.
Нехай за час від t до t + Dt тіло пройшло шлях s + Ds = f(t + Dt).
Тоді Ds = f(t + Dt) – f(t).
Середня швидкість тіла, що рухається вздовж деякої лінії, визначається за формулою:
.
Щоб знайти миттєву швидкість v такого тіла, потрібно перейти до границі відношення при
:
.
Миттєвою швидкістю тіла, що рухається вздовж лінії s = f(t), називається похідна функції s = f(t) за часом t:
.
Приклад.Нехай — рівняння вільного руху тіла, g — прискорення його вільного падіння. Знайти миттєву швидкість тіла в будь-який момент часу; у момент часу t = 2 c.
Ø За означенням маємо
.
Зокрема, якщо t = 2, дістаємо:
.▲
Сформулюємо тепер розглянуту задачу мовою геометрії.
Нехай дано функцію у = f(x), графік якої наведено на
рис. 2. Диференціальне відношення дорівнює тангенсу кута b, утвореного січною, що проходить через точки Р та Q, які мають відповідно абсциси х та х + Dх, із додатним напрямом oсі Ох.
Якщо приріст Dх ® 0, то точка Q прямує до точки P, а кут b — до кута a, утвореного дотичною до розглядуваної кривої в даній точці з додатним напрямом осі Ох. Отже, маємо:
. (6)
Приклад.Знайти тангенси кутів нахилу дотичної до кривої
у = х2 у точках М1(½; ¼), М2(–1; 1) (рис. 3).
Рис. 3
Ø Згідно з (6) дістаємо:
За формулою похідної степеневої функції маємо:
Отже,
Рівняння дотичної
та нормалі до кривої
Розглянемо рівняння кривої у = f(x) (рис. 4). Візьмемо на кривій точку М(х1, у1) і запишемо рівняння дотичної до цієї кривої в точці М, припускаючи, що дотична не паралельна жодній координатній осі.
Рівняння кривої, що має кутовий коефіцієнт k і проходить через точку М, набирає вигляду
.
Для дотичної , тому рівняння дотичної буде таке:
Поряд із дотичною до кривої розглядають і її нормаль.
Нормаллю до кривої в даній точці називається пряма, яка проходить через цю точку і перпендикулярна до дотичної в ній.
Рис. 4
Із означення нормалі випливає, що її кутовий коефіцієнт kнорм пов’язаний із кутовим коефіцієнтом k дотичної рівністю
, тобто
Отже, дістаємо рівняння нормалі до кривої у = f(x) у точці
М (х1, у1):
Приклад.Записати рівняння дотичної та нормалі до кривої
у = х3 у точці М(1; 1).
· Оскільки у¢ = 3х2, то кутовий коефіцієнт дотичної
.
Отже, згідно з (1) рівняння дотичної буде таке:
, або
.
Рівняння нормалі:
, або
(рис. 5).
Рис. 5
1.Знайти похідну функції.
1) ; 2)
;
3) ; 4)
;
5) ; 6)
;
7) ; 8)
;
9) ; 10)
.
2.В якій точці похідна функції дорівнює 7?
3.Скласти рівняння дотичної до графіка функції в точці
:
1)
2)
4.Знайти кута похилу графіка функції
в точці
5.В яких точках графіка функції дотична до нього утворює тупий кут з віссю абсцис?
6. Знайти , якщо
.
7. Знайти похідну функції.
1) ; 2)
;
3) ; 4)
;
5) ; 6)
;
7) ; 8)
;
9) ; 10)
.
8. Знайти приріст функції в точці
, якщо
.
9. Вибрати функцію, для якої не існує похідної в точці .
1) ; 2)
;
3) ; 4)
.
10. Розв’язати рівняння , якщо:
1) ; 2)
;
3) ; 4)
.