Параметрическое дифференцирование. Производная функции, заданной неявно

Логарифмическое дифференцирование

Производные элементарных функций

Основные правила дифференцирования

Дифференциал функции

Главная линейная часть приращения функции A Dx в определении дифференцируемости функции

Df=f (x ) - f (x 0)=A (x - x 0)+o (x – x 0), x®x 0

называется дифференциалом функции f (x ) в точке x 0 и обозначается

df (x 0)=f¢ (x 0)Dx= A Dx.

Дифференциал зависит от точки x 0 и от приращения Dx. На Dx при этом смотрят, как на самостоятельное переменное, так что в каждой точке дифференциал представляет собой линейную функцию от приращения Dx.

Если в качестве функции рассмотреть f (x )=x , то получим dx= Dx, dy=Adx . Это согласуется с обозначением Лейбница

Геометрическая интерпретация дифференциала как приращения ординаты касательной.

Рис. 4.3

1) f= const, f¢= 0, df= 0Dx= 0.

2) f=u+v, f¢=u¢+v¢, df = du+dv.

3) f=uv, f¢=u¢v+v¢u, df = u dv + v du.

Следствие. (cf (x ))¢=cf¢ (x ), (c 1 f 1 (x )+…+c n f n (x ))¢= c 1 f¢ 1 (x )+…+ c n f¢ n (x )

4) f=u/v, v (x 0)¹0 и производная существует, то f¢= (u¢v-v ¢u )/v 2 .

Для краткости будем обозначать u=u (x ), u 0 =u (x 0), тогда

Переходя к пределу при Dx® 0 получим требуемое равенство.

5) Производная сложной функции.

Теорема. Если существуют f¢ (x 0), g¢ (x 0) и x 0 =g (t 0), то в некоторой окрестности t 0 определена сложная функция f (g (t )), она дифференцируема в точке t 0 и

Доказательство .

f (x ) - f (x 0)=f¢ (x 0)(x-x 0)+ a(x )(x-x 0), x ÎU (x 0).

f (g (t ))- f (g (t 0))= f¢ (x 0)( g (t )- g (t 0))+ a( g (t ))( g (t )- g (t 0)).

Поделим обе части этого равенства на (t - t 0) и перейдем к пределу при t®t 0 .

6) Вычисление производной обратной функции.

Теорема. Пусть f непрерывна и строго монотонна на [a,b ]. Пусть в точке x 0 Î(a,b ) существует f¢ (x 0)¹ 0, тогда обратная функция x=f -1 (y ) имеет в точке y 0 производную, равную

Доказательство . Считаем f строго монотонно возрастающей, тогда f -1 (y ) непрерывна, монотонно возрастает на [f (a ),f (b )]. Положим y 0 =f (x 0), y=f (x ), x - x 0 =Dx,

y - y 0 =Dy . В силу непрерывности обратной функции Dy ®0 Þ Dx ®0, имеем

Переходя к пределу, получим требуемое равенство.

7) Производная четной функции нечетна, производная нечетной функции четна.

Действительно, если x® - x 0 , то -x® x 0 , поэтому

Для четной функции для нечетной функции

1) f= const, f¢ (x )=0.

2) f (x )=x, f¢ (x )=1.

3) f (x )=e x , f¢ (x )= e x ,

4) f (x )=a x , (a x )¢ = a x ln a.

5) ln a.

6) f (x )=ln x ,

Следствие. (производная четной функции нечетна)

7) (x m )¢= mx m -1 , x >0, x m =e m ln x .

8) (sin x )¢= cos x,

9) (cos x )¢=- sin x, (cos x )¢= (sin(x+ p/2))¢= cos(x+ p/2)=-sin x.

10) (tg x )¢= 1/cos 2 x.

11) (ctg x )¢= -1/sin 2 x.

16) sh x, ch x .

f(x), , откуда следует, что f¢ (x )=f (x )(ln f (x ))¢ .

Ту же формулу можно получить иначе f (x )=e ln f (x ) , f¢=e ln f (x ) (ln f (x ))¢.

Пример. Вычислить производную функции f=x x .

=x x = x x = x x = x x (ln x + 1).

Геометрическое место точек на плоскости

будем называть графиком функции, заданной параметрически . Говорят также о параметрическом задании функции.

Замечание 1. Если x, y непрерывны на [a,b ] и x (t ) строго монотонна на отрезке (например, строго монотонно возрастает), то на [a,b ] , a=x (a), b=x (b) определена функция f (x )=y (t (x )), где t (x ) – обратная к x(t) функция. График этой функции совпадает с графиком функции

Если область определения параметрически заданной функции можно разбить на конечное число отрезков , k= 1,2,…,n, на каждом из которых функция x (t ) строго монотонна, то параметрически заданная функция распадается на конечное число обычных функций f k (x )=y (t -1 (x )) с областями определения [x (a k ), x (b k )] для участков возрастания x (t ) и с областями определения [x (b k ), x (a k )] для участков убывания функции x (t ). Полученные таким образом функции называются однозначными ветвями параметрически заданной функции.

На рисунке показан график параметрически заданной функции

При выбранной параметризации область определения разбивается на пять участков строгой монотонности функции sin(2t ), именно: t Î t Î , t Î , t Î , и, соответственно, график распадется на пять однозначных ветвей, соответствующих этим участкам.

Рис. 4.4

Рис. 4.5

Можно выбрать другую параметризацию того же геометрического места точек

В этом случае таких ветвей будет только четыре. Они будут соответствовать участкам строгой монотонности t Î , t Î , t Î , t Î функции sin(2t ).

Рис. 4.6

Четыре участка монотонности функции sin(2t ) на отрезке длинной.

Рис. 4.7

Изображение обоих графиков на одном рисунке позволяет приблизительно изобразить график параметрически заданной функции, используя участки монотонности обеих функций.

Рассмотрим для примера первую ветвь, соответствующую отрезку t Î . На концах этого участка функция x= sin(2t ) принимает значения -1 и 1 , поэтому эта ветвь будет определена на [-1,1] . После этого нужно смотреть на участки монотонности второй функции y= cos(t ), у нее на два участка монотонности . Это позволяет сказать, что у первой ветви имеется два участка монотонности. Найдя концевые точки графика можно соединить их прямыми для того, чтобы обозначить характер монотонности графика. Проделав это с каждой ветвью, получим участки монотонности однозначных ветвей графика (на рисунке они выделены красным цветом)

Рис. 4.8

Первая однозначная ветвь f 1 (x )=y (t (x )) , соответствующая участку будет определена для x Î[-1,1]. Первая однозначная ветвь t Î , x Î[-1,1].

Все остальные три ветви будут иметь областью определения тоже множество [-1,1].

Рис. 4.9

Вторая ветвь t Î x Î[-1,1].

Рис. 4.10

Третья ветвь t Î x Î[-1,1]

Рис. 4.11

Четвертая ветвь t Î x Î[-1,1]

Рис. 4.12

Замечание 2. Одна и та же функция может иметь различные параметрические задания. Различия могут касаться, как самих функций x (t ), y (t ) , так и области определения этих функций.

Пример различных параметрических заданий одной и той же функции

и t Î[-1, 1].

Замечание 3. Если x,y непрерывны на , x (t)- строго монотонна на отрезке и существуют производные y¢ (t 0), x¢ (t 0)¹0, то существует f¢ (x 0)= .

Действительно, .

Последнее утверждение распространяется и на однозначные ветви параметрически заданной функции.

4.2 Производные и дифференциалы высших порядков

Старшие производные и дифференциалы. Дифференцирование функций, заданных параметрически. Формула Лейбница.

Функцию можно задать несколькими способами. Это зависит от правила, которое используется при ее задании. Явный вид задания функции имеет вид y = f (x) . Бывают случаи, когда ее описание невозможно или неудобно. Если есть множество пар (х; у) ,которые необходимо вычислять для параметра t по промежутку (а; b) . Для решения системы x = 3 · cos t y = 3 · sin t с 0 ≤ t < 2 π необходимо задавать окружность с центром координат с радиусом равным 3 .

Определение параметрической функции

Отсюда имеем, что x = φ (t) , y = ψ (t) определены на при значении t ∈ (a ; b) и имеют обратную функцию t = Θ (x) для x = φ (t) , тогда идет речь о задании параметрического уравнения функции вида y = ψ (Θ (x)) .

Бывают случаи, когда для исследования функции требуется заниматься поиском производной по х. Рассмотрим формулу производной параметрически заданной функции вида y x " = ψ " (t) φ " (t) , поговорим о производной 2 и n -ого порядка.

Вывод формулы производной параметрически заданной функции

Имеем, что x = φ (t) , y = ψ (t) , определенные и дифферецируемые при значении t ∈ a ; b , где x t " = φ " (t) ≠ 0 и x = φ (t) , тогда существует обратная функция вида t = Θ (x) .

Для начала следует переходить от параметрического задания к явному. Для этого нужно получить сложную функцию вида y = ψ (t) = ψ (Θ (x)) , где имеется аргумент x .

Исходя из правила нахождения производной сложной функции, получаем, что y " x = ψ Θ (x) = ψ " Θ x · Θ " x .

Отсюда видно, что t = Θ (x) и x = φ (t) являются обратными функциями из формулы обратной функции Θ " (x) = 1 φ " (t) , тогда y " x = ψ " Θ (x) · Θ " (x) = ψ " (t) φ " (t) .

Перейдем к рассмотрению решения нескольких примеров с использованием таблицы производных по правилу дифференцирования.

Пример 1

Найти производную для функции x = t 2 + 1 y = t .

Решение

По условию имеем, что φ (t) = t 2 + 1 , ψ (t) = t , отсюда получаем, что φ " (t) = t 2 + 1 " , ψ " (t) = t " = 1 . Необходимо использовать выведенную формулу и записать ответ в виде:

y " x = ψ " (t) φ " (t) = 1 2 t

Ответ: y x " = 1 2 t x = t 2 + 1 .

При работе с производной функции ч параметром t указывается выражение аргумента x через этот же параметр t , чтобы не потерять связь между значениями производной и параметрически заданной функции с аргументом, которому и соответствуют эти значения.

Чтобы определить производную второго порядка параметрически заданной функции, нужно использовать формулу производной первого порядка на полученной функции, тогда получаем, что

y "" x = ψ " (t) φ " (t) " φ " (t) = ψ "" (t) · φ " (t) - ψ " (t) · φ "" (t) φ " (t) 2 φ " (t) = ψ "" (t) · φ " (t) - ψ " (t) · φ "" (t) φ " (t) 3 .

Пример 2

Найти производные 2 и 2 порядка заданной функции x = cos (2 t) y = t 2 .

Решение

По условию получаем, что φ (t) = cos (2 t) , ψ (t) = t 2 .

Тогда после преобразования

φ " (t) = cos (2 t) " = - sin (2 t) · 2 t " = - 2 sin (2 t) ψ (t) = t 2 " = 2 t

Отсюда следует, что y x " = ψ " (t) φ " (t) = 2 t - 2 sin 2 t = - t sin (2 t) .

Получим, что вид производной 1 порядка x = cos (2 t) y x " = - t sin (2 t) .

Для решения нужно применить формулу производной второго порядка. Получаем выражение вида

y x "" = - t sin (2 t) φ " t = - t " · sin (2 t) - t · (sin (2 t)) " sin 2 (2 t) - 2 sin (2 t) = = 1 · sin (2 t) - t · cos (2 t) · (2 t) " 2 sin 3 (2 t) = sin (2 t) - 2 t cos (2 t) 2 sin 3 (2 t)

Тогда задание производной 2 порядка с помощью параметрической функции

x = cos (2 t) y x "" = sin (2 t) - 2 t cos (2 t) 2 sin 3 (2 t)

Аналогичное решение возможно решить другим методом. Тогда

φ " t = (cos (2 t)) " = - sin (2 t) · 2 t " = - 2 sin (2 t) ⇒ φ "" t = - 2 sin (2 t) " = - 2 · sin (2 t) " = - 2 cos (2 t) · (2 t) " = - 4 cos (2 t) ψ " (t) = (t 2) " = 2 t ⇒ ψ "" (t) = (2 t) " = 2

Отсюда получаем, что

y "" x = ψ "" (t) · φ " (t) - ψ " (t) · φ "" (t) φ " (t) 3 = 2 · - 2 sin (2 t) - 2 t · (- 4 cos (2 t)) - 2 sin 2 t 3 = = sin (2 t) - 2 t · cos (2 t) 2 s i n 3 (2 t)

Ответ: y "" x = sin (2 t) - 2 t · cos (2 t) 2 s i n 3 (2 t)

Аналогичным образом производится нахождение производных высших порядков с параметрически заданными функциями.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

До сих пор рассматривались уравнения линий на плоскости, связывающие непосредственно текущие координаты точек этих линий. Однако часто применяется другой способ задания линии, в котором текущие координаты рассматриваются как функции третьей переменной величины.

Пусть даны две функции переменной

рассматриваемые для одних и тех же значений t. Тогда любому из этих значений t соответствует определенное значение и определенное значение у, а следовательно, и определенная точка . Когда переменная t пробегает все значения из области определения функций (73), точка описывает некоторую линию С в плоскости Уравнения (73) называются параметрическими уравнениями этой линии, а переменная - параметром.

Предположим, что функция имеет обратную функцию Подставив эту функцию во второе из уравнений (73), получим уравнение

выражающее у как функцию

Условимся говорить, что эта функция задана параметрически уравнениями (73). Переход от этих уравнений к уравнению (74) называется исключением параметра. При рассмотрении функций, заданных параметрически, исключение параметра не только не обязательно, но и не всегда практически возможно.

Во многих случаях гораздо удобнее, задаваясь различными значениями параметра вычислять затем по формулам (73) соответствующие значения аргумента и функции у.

Рассмотрим примеры.

Пример 1. Пусть - произвольная точка окружности с центром в начале координат и радиусом R. Декартовы координаты х и у этой точки выражаются через ее полярный радиус и полярный угол, который мы здесь обозначим через t, следующим образом (см. гл. I, § 3, п. 3):

Уравнения (75) называются параметрическими уравнениями окружности. Параметром в них является полярный угол , который меняется в пределах от 0 до .

Если уравнения (75) почленно возвести в квадрат и сложить, то в силу тождества параметр исключится и получится уравнение окружности в декартовой системе координат определяющее две элементарные функции:

Каждая из этих функций задается параметрически уравнениями (75), но области изменения параметра для этих функций различны. Для первой из них ; графиком этой функции служит верхняя полуокружность. Для второй функции графиком ее является нижняя полуокружность.

Пример 2. Рассмотрим одновременно эллипс

и окружность с центром в начале координат и радиусом а (рис. 138).

Каждой точке М эллипса сопоставим точку N окружности, имеющую ту же абсциссу, что и точка М, и расположенную с ней по одну сторону от оси Ох. Положение точки N, а следовательно, и точки М, вполне определяется полярным углом t точки При этом для их общей абсциссы получим следующее выражение: х = a. Ординату у точки М найдем из уравнения эллипса:

Знак выбран потому, что ордината у точки М и ордината точки N должны иметь одинаковые знаки.

Таким образом, для эллипса получены следующие параметрические уравнения:

Здесь параметр t изменяется от 0 до .

Пример 3. Рассмотрим окружность с центром в точке а) и радиусом а, которая, очевидно, касается оси абсцисс в начале координат (рис. 139). Предположим, это эта окружность катится без скольжения по оси абсцисс. Тогда точка М окружности, совпадавшая в начальный момент с началом координат, описывает линию, которая называется циклоидой.

Выведем параметрические уравнения циклоиды, приняв за параметр t угол МСВ поворота окружности при перемещении ее фиксированной точки из положения О в положение М. Тогда для координат и у точки М мы получим следующие выражения:

Вследствие того что окружность катится по оси без скольжения, длина отрезка ОВ равна длине дуги ВМ. Так как длина дуги ВМ равна произведению радиуса а на центральный угол t, то . Поэтому . Но Следовательно,

Эти уравнения и являются параметрическими уравнениями циклоиды. При изменении параметра t от 0 до окружность совершит один полный оборот. Точка М при этом опишет одну арку циклоиды.

Исключение параметра t приводит здесь к громоздким выражениям и практически нецелесообразно.

Параметрическое задание линий особенно часто используется в механике, причем роль параметра играет время.

Пример 4. Определим траекторию снаряда, выпущенного из орудия с начальной скоростью под углом а к горизонту. Сопротивлением воздуха и размерами снаряда, считая его материальной точкой, пренебрегаем.

Выберем систему координат. За начало координат примем точку вылета снаряда из дула. Ось Ох направим горизонтально, а ось Оу - вертикально, расположив их в одной плоскости с дулом орудия. Если бы не было силы земного тяготения, то снаряд двигался бы по прямой, составляющей угол а с осью Ох и к моменту времени t прошел бы путь Координаты снаряда в момент времени t были бы соответственно равны: . Вследствие земного тяготения снаряд должен к этому моменту вертикально опуститься на величину Поэтому в действительности в момент времени t координаты снаряда определяются по формулам:

В этих уравнениях - постоянные величины. При изменении t будут изменяться также координаты у точки траектории снаряда. Уравнения являются параметрическими уравнениями траектории снаряда, в которых параметром является время

Выразив из первого уравнения и подставив его во

второе уравнение, получим уравнение траектории снаряда в виде Это - уравнение параболы.

Рассмотрим задание линии на плоскости, при котором переменные x, y являются функциями третьей переменной t (называемой параметром):

Для каждого значения t из некоторого интервала соответствуют определенные значения x и y, а , следовательно, определенная точка M (x, y) плоскости. Когда t пробегает все значения из заданного интервала, то точка M (x, y ) описывает некоторую линию L . Уравнения (2.2) называются параметрическими уравнениями линии L .

Если функция x = φ(t) имеет обратную t = Ф(x), то подставляя это выражение в уравнение y = g(t), получим y = g(Ф(x)), которое задает y как функцию от x . В этом случае говорят, что уравнения (2.2) задают функцию y параметрически.

Пример 1. Пусть M (x, y) – произвольная точка окружности радиуса R и с центром в начале координат. Пусть t – угол между осью Ox и радиусом OM (см. рис. 2.3). Тогда x, y выражаются через t:

Уравнения (2.3) являются параметрическими уравнениями окружности. Исключим из уравнений (2.3) параметр t. Для этого каждое из уравнений возведем в квадрат и сложим, получим: x 2 + y 2 = R 2 (cos 2 t + sin 2 t) или x 2 + y 2 = R 2 – уравнение окружности в декартовой системе координат. Оно определяет две функции: Каждая из этих функций задается параметрическими уравнениями (2.3), но для первой функции , а для второй .

Пример 2 . Параметрические уравнения

задают эллипс с полуосями a, b (рис. 2.4). Исключая из уравнений параметр t , получим каноническое уравнение эллипса:

Пример 3 . Циклоидой называется линия, описанная точкой, лежащей на окружности, если эта окружность катится без скольжения по прямой (рис. 2.5). Введем параметрические уравнения циклоиды. Пусть радиус катящейся окружности равен a , точка M , описывающая циклоиду, в начале движения совпадала с началом координат.

Определим координаты x , y точки M после того, как окружность повернулась на угол t
(рис. 2.5), t = ÐMCB . Длина дуги MB равна длине отрезка OB, так как окружность катится без скольжения, поэтому

OB = at, AB = MD = asint, CD = acost, x = OB – AB = at – asint = a(t – sint),

y = AM = CB – CD = a – acost = a(1 – cost).

Итак, получены параметрические уравнения циклоиды:

При изменении параметра t от 0 до 2π окружность поворачивается на один оборот, при этом точка M описывает одну арку циклоиды. Уравнения (2.5) задают y как функцию от x . Хотя функция x = a(t – sint) имеет обратную функцию, но она не выражается через элементарные функции, поэтому функция y = f(x) не выражается через элементарные функции.

Рассмотрим дифференцирование функции, заданной параметрически уравнениями (2.2). Функция x = φ(t) на некотором интервале изменения t имеет обратную функцию t = Ф(x) , тогда y = g(Ф(x)) . Пусть x = φ(t) , y = g(t) имеют производные, причем x"t≠0 . По правилу дифференцирования сложной функции y"x=y"t×t"x. На основании правила дифференцирования обратной функции , поэтому:

Полученная формула (2.6) позволяет находить производную для функции, заданной параметрически.

Пример 4. Пусть функция y , зависящая от x , задана параметрически:

Решение . .
Пример 5. Найти угловой коэффициент k касательной к циклоиде в точке M 0 , соответствующей значению параметра .
Решение. Из уравнений циклоиды: y" t = asint, x" t = a(1 – cost), поэтому

Угловой коэффициент касательной в точке M 0 равен значению при t 0 = π/4:

ДИФФЕРЕНЦИАЛ ФУНКЦИИ

Пусть функция в точке x 0 имеет производную. По определению:
поэтому по свойствам предела (разд. 1.8) , где a – бесконечно малая при Δx → 0 . Отсюда

Δy = f "(x0)Δx + α×Δx. (2.7)

При Δx → 0 второе слагаемое в равенстве (2.7) является бесконечно малой высшего порядка, по сравнению с , поэтому Δy и f " (x 0)×Δx – эквивалентные, бесконечно малые (при f "(x 0) ≠ 0).

Таким образом, приращение функции Δy состоит из двух слагаемых, из которых первое f "(x 0)×Δx является главной частью приращения Δy, линейной относительно Δx (при f "(x 0)≠ 0).

Дифференциалом функции f(x) в точке x 0 называется главная часть приращения функции и обозначается: dy или df (x 0) . Следовательно,

df (x0) =f "(x0)×Δx. (2.8)

Пример 1. Найти дифференциал функции dy и приращение функции Δy для функции y = x 2 при:
1) произвольных x и Δx ; 2) x 0 = 20, Δx = 0,1.

Решение

1) Δy = (x + Δx) 2 – x 2 = x 2 + 2xΔx + (Δx) 2 – x 2 = 2xΔx + (Δx) 2 , dy = 2xΔx.

2) Если x 0 = 20, Δx = 0,1, то Δy = 40×0,1 + (0,1) 2 = 4,01; dy = 40×0,1= 4.

Запишем равенство (2.7) в виде:

Δy = dy + a×Δx. (2.9)

Приращение Δy отличается от дифференциала dy на бесконечно малую высшего порядка, по сравнению с Δx, поэтому в приближенных вычислениях пользуются приближенным равенством Δy ≈ dy, если Δx достаточно мало.

Учитывая, что Δy = f(x 0 + Δx) – f(x 0), получаем приближенную формулу:

f(x 0 + Δx) ≈ f(x 0) + dy. (2.10)

Пример 2 . Вычислить приближенно .

Решение. Рассмотрим:

Используя формулу (2.10), получим:

Значит, ≈ 2,025.

Рассмотрим геометрический смысл дифференциала df(x 0) (рис. 2.6).

Проведем к графику функции y = f(x) касательную в точке M 0 (x0, f(x 0)), пусть φ – угол между касательной KM0 и осью Ox, тогда f"(x 0) = tgφ. Из ΔM0NP:
PN = tgφ×Δx = f "(x 0)×Δx = df(x 0). Но PN является приращением ординаты касательной при изменении x от x 0 до x 0 + Δx.

Следовательно, дифференциал функции f(x) в точке x 0 равен приращению ординаты касательной.

Найдем дифференциал функции
y = x. Так как (x)" = 1, то dx = 1×Δx = Δx. Будем считать, что дифференциал независимой переменной x равен ее приращению, т.е. dx = Δx.

Если x – произвольное число, то из равенства (2.8) получаем df(x) = f "(x)dx, откуда .
Таким образом, производная для функции y = f(x) равна отношению ее дифференциала к дифференциалу аргумента.

Рассмотрим свойства дифференциала функции.

Если u(x), v(x) – дифференцируемые функции, то справедливы следующие формулы:

Для доказательства этих формул используются формулы производных для суммы, произведения и частного функции. Докажем, например, формулу (2.12):

d(u×v) = (u×v)"Δx = (u×v" + u"×v)Δx = u×v"Δx + u"Δx×v = u×dv + v×du.

Рассмотрим дифференциал сложной функции: y = f(x), x = φ(t), т.е. y = f(φ(t)).

Тогда dy = y" t dt, но y" t = y" x ×x" t , поэтому dy =y" x x" t dt. Учитывая,

что x" t = dx, получаем dy = y" x dx =f "(x)dx.

Таким образом, дифференциал сложной функции y = f(x), где x =φ(t), имеет вид dy = f "(x)dx, такой же, как в том случае, когда x является независимой переменной. Это свойство называется инвариантностью формы дифференциал а.