15.11.2022   група  №7   алгебра і початки аналізу

Тема уроку: Похідна функції, її геометричний і фізичний зміст

1. Передивіться відеоурок

https://www.youtube.com/watch?v=HFePeVBGTl8

2. Законспектуйте і вивчіть

Нехай задано функцію у = f(х) на деякому проміжку. Візьмемо довільну внутрішню точку х₀ цього проміжку, надамо значенню х₀ довільного приросту ∆х (число Ах може бути як додатним, так і від’ємним), але такого, щоб точка х₀ + ∆х належала даному проміжку.

Тоді

1) обчислимо в точці х₀ приріст ∆у = ∆f(х₀) функції:

∆у = ∆f (x₀) = f(х₀ + ∆x) - f (х₀);

2) складемо відношення  =  = ;

3) знайдемо границю цього відношення за умови, що ∆х → 0, тобто:  =   

Якщо дана границя існує, то її називають похідною функції у = f(х) у точці х₀ і позначають f'(х₀)або y' (читають так: «еф штрих від х₀ або у штрих»).

Похідною функції у = f(х) у точці х₀ називають границю відношення приросту функції до приросту аргументу за умови, що приріст аргументу прямує до нуля, а границя існує, тобто

f’(x₀) =  = .

Приклад 1. Знайдіть похідну функції f(х) = 3х² + 2 у точці х₀.

Розв'язання

Знайдемо приріст функції:

∆f = f (х₀ + ∆х) - f (х₀) = 3 (х₀ + ∆х)² + 2 - 3х²₀ - 2 = 3x²₀ + 6х₀ ∆х + 3 ∆х² + 2 - 3x²₀ - 2 = 6х₀ ∆х + 3 ∆х² = ∆х(6х₀ + 3 ∆х).

Знайдемо відношення приросту функції до приросту аргументу:

 =  = 6x₀ + 3∆x.

Знайдемо похідну даної функції в точці х₀:

f’(x₀) =  =  (6x₀ + 3∆x) = 6x₀ + 3 ∙ 0 = 6x₀.

Відповідь: 6х₀.

Приклад 2. Знайдіть похідну функції f(х) = kx + b(k i b — сталі) у точці х₀.

Розв’язання

Знайдемо приріст функції:

∆f = f (x₀ + ∆х) - f (x₀ ) = k (x₀ + ∆х) + b - kх₀ - b = kх₀ + k ∆х - kх₀ = k ∆х.

Знайдемо відношення приросту функції до приросту аргументу:

 =  = k.

Отже, f'(х0) =  = k = k, або (kх + b)' = k.

Відповідь: k

Із другого прикладу можна зробити висновок, що похідна лінійної функції — стала величина, яка дорівнює кутовому коефіцієнтy прямої. Якщо у формулі (kx + b)' = k покласти k= 0, b = С, де С — довільна стала, то одержимо, що С = 0, тобто похідна сталої дорівнює нулю.

Якщо у формулі (kx + b)' = k покласти k = 1, b = 0, то одержимо х' = 1.

Функцію, яка має похідну в точці х₀, називають диференційованою в цій точці. Функцію, яка має похідну в кожній точці деякого проміжку, називають диференційованою на цьому проміжку. Операція знаходження похідної називається диференціюванням.

Нехай D₁ — множина точок, у яких функція y = f(x) диференційована.  Якщо кожному x ∈ D₁ поставити у відповідність число f' (a), то одержимо нову функцію з областю визначення D₁. Цю функцію позначають f':

f’(x) =  

Фізичний зміст похідної

Нехай матеріальна точка M рухається прямолінійно за законом s = f(t) 

(рис. 1).

Рис. 1

У момент t₀ вона зайняла положення M₀ і пройшла шлях s₀ = f(t₀). Знайдемо швидкість точки в момент t₀.

Припустимо, що за довільно вибраний проміжок часу ∆t, починаючи з моменту t₀, точка перемістилася на відстань ∆s і зайняла положення М₁.

Тоді t₁= t₀+ ∆t, s₁= f(t₁) = s₀ + ∆s.

За проміжок часу At матеріальна точка проходить шлях

∆S = f(t₁) - f(t₀) = f(t₀ + ∆t) - f(t₀). Середня швидкість (v_cep) руху на проміжку М₀M₁ дорівнює

v_cep =  = .

Ця величина дає лише приблизне уявлення про швидкість руху матеріальної точки на розглянутому проміжку. Вона буде точнішою, якщо проміжок ∆t зменшуватиметься.

Таким чином, можна вважати, якщо ∆t наближається до нуля, то середня швидкість v_{cep =} , буде наближатися до швидкості в момент t₀.

Миттєвою швидкістю точки, яка рухаєтеся прямолінійно, у момент t₀ називають границю середньої швидкості за умови, що ∆t наближається до нуля:

v_cep =  =  =  .

Числа At, As називають відповідно приростом часу і приростом шляху.

Отже, миттєвою швидкістю точки, яка рухаєтеся прямолінійно, є границя відношення приросту шляху ∆s до відповідного приросту часу At, коли приріст часу наближається до нуля.

Порівнюючи одержані результати з означенням похідної, можна зробити висновок: якщо матеріальна точка рухається прямолінійно і її координата змінюється за законом s = s(t). то швидкість її руху v (t) у момент t дорівнює похідній s'(t):

v (t) = s'(t).

Приклад 3. Точка рухається прямолінійно за законом s(t) = 5t² +1 + 3 (s — шлях у метрах, t — час у секундах). Знайдіть швидкість точки: а) у довільний момент t₀; б) у момент t = 2 с.

Розв'язання    

а) Нехай значення аргументу t₀ одержало приріст ∆t, тоді t₁ = t₀ + ∆t.

Знайдемо відповідний приріст шляху:

∆s = s(t₀ + ∆t) - s(t₀) = 5(t₀ + ∆t)² + (t₀ + ∆t) + 3 - (5t²₀ + t₀ +3) =

= 5t²₀ + 10t₀ ∆t + 5∆t² + t0 + ∆t + 3 - 5t²₀ - t₀ - 3 = 10 t₀ ∆t+ 5 ∆t² + ∆t.

Знайдемо відношення приросту шляху до приросту часу (середню швидкість):

 =  =  = 10t₀ + 1 + 5∆t.

Знайдемо границю відношення приросту шляхy до приросту часу (границю середньої швидкості):

 =  (10t₀ + 1 + 5∆t) = 10t₀ + 1.

Отже, миттєва швидкість точки в довільний момент t₀ дорівнює 10t₀ + 1.

Таким чином, при заданому законі руху s (t) миттєва швидкість v (t) у довільний момент t обчислюється за формулою v (t) = 10t + 1.

б) Якщо t = 2 с, то маємо

v(2)= 10 ∙ 2 + 1 = 21 (м/с).

Відповідь: а) 10t₀ + 1; б) 21 (м/с).

Геометричний зміст похідної

У курсі геометрії дотичною до кола називають пряму, яка лежить у площині кола і має з колом лише одну спільну точку. Таке означення дотичної не може бути перенесено на всі криві (парабола, синусоїда, гіпербола тощо).

Наприклад, вісь ОТ має тільки одну спільну точку з графіком функції у = х³, проте її не можна вважати дотичною до кубічної параболи в точці 0 

(рис. 2).

Пряма у = 1 і синусоїда у = sin х мають безліч спільних точок (рис. 3), проте пряму у = 1 вважають дотичною до синусоїди.

Рис. 2

Рис. 3

Для введення означення дотичної до кривої розглянемо функцію у = f(х) і її графік — криву лінію (рис. 4). Нехай точки А і M належать графіку функції у = f(x), проведемо січну AM.

Зафіксуємо точку А. Нехай точка М, рухаючись по кривій, наближається до точки А. При цьому січна AM буде повертатися навколо точки А і в граничному положенні при наближенні точки М до точки А січна займе положення прямої AT. Пряму AT називають дотичною до даної кривої в точці А.

Рис. 4

Дотичною AT до графіка функції у = f(х) в точці А називають граничне положення січної AM, коли точка M, рухаючись по кривій, наближається до точки А.

Слід мати на увазі, що не в усякій точці кривої можна провести до неї дотичну. На рис. 5 зображено криву у = f(x), яка в точці А не має дотичної, бо якщо точка М буде наближатися до точки А по лівій частині кривої, то січна МА займе граничне положення AQ.

Якщо точка N буде наближатися но правій частині кривої, то січна NA займе граничне положення AT. Одержуємо дві різні прямі AQ і AT. Це означає, що в точці А до даної кривої дотичної не існує.

Поставимо задачy: провести дотичну до графіка функції у = f(х) у точці А (х₀; у₀).

Дотична — це пряма, а положення прямої у = kх + b, яка проходити через точку А (х₀; у₀), визначається кутовим коефіцієнтом прямої k = tg а, де а — кут між прямою і додатним напрямом осі ОХ (рис. 6).

Отже, провести дотичну до графіка означає знайти число k.

Рис. 5

Рис. 6

Нехай у точці А (х₀;у₀) (рис. 7) кривої у f = (X) існує дотична, визначимо кутовий коефіцієнт дотичної. Для цього:

1) надамо аргументу х₀ приросту ∆х, одержимо нове значення аргументу х₀ + ∆х:

2) знайдемо відповідний приріст функції ∆у = f (х₀ + ∆х) - f(х₀);

3) знайдемо відношення  = .

Із трикутника АМК маємо  = tg∠MAK. Оскільки ∠MAK =  — куту нахилу січної AM із додатним напрямом осі ОХ, то  tg;

Рис. 7

4) якщо ∆х → 0, то ∆y → 0, і точка М буде переміщуватися но кривій, наближаючись до точки А.

При цьому січна AM буде повертатися навколо точки А, а величина кута  буде змінюватися зі зміною ∆х. Граничним положенням січної AM при ∆х → 0 буде дотична АТ, яка утворює з додатним напрямом осі ОХ деякий кут. величину якого позначимо через а.

Отже,  =  tg = tga = k — кутовий коефіцієнт дотичної.

Порівнюючи одержані результати з означенням похідної, можна зробити висновок: значення похідної функції у = f(х) у точці х₀ дорівнює кутовому коефіцієнту дотичної до графіка функції в точці з абсцисою х₀:

f'(x₀) = k = tga (pиc. 8).

Рис. 8