Pochodna funkcji. Pochodna funkcji w punkcie. Różniczka funkcji i obliczenia przybliżone. Zastosowania pochodnych. Badanie funkcji.

Podobne dokumenty
Pochodne funkcji wraz z zastosowaniami - teoria

Wykład 5. Zagadnienia omawiane na wykładzie w dniu r

VIII. Zastosowanie rachunku różniczkowego do badania funkcji. 1. Twierdzenia o wartości średniej. Monotoniczność funkcji.

22 Pochodna funkcji definicja

I. Pochodna i różniczka funkcji jednej zmiennej. 1. Definicja pochodnej funkcji i jej interpretacja fizyczna. Istnienie pochodnej funkcji.

Rachunek różniczkowy funkcji jednej zmiennej

Rachunek różniczkowy funkcji f : R R

Pochodna funkcji jednej zmiennej

Zadania z analizy matematycznej - sem. I Pochodne funkcji, przebieg zmienności funkcji

Wykład 13. Informatyka Stosowana. 14 stycznia 2019 Magdalena Alama-Bućko. Informatyka Stosowana Wykład , M.A-B 1 / 34

f(x + x) f(x) . x Pochodne ważniejszych funkcji elementarnych (c) = 0 (x α ) = αx α 1, gdzie α R \ Z (sin x) = cos x (cos x) = sin x

Fakt 3.(zastosowanie różniczki do obliczeń przybliżonych) Przy czym błąd, jaki popełniamy zastępując przyrost funkcji

Wykład 11 i 12. Informatyka Stosowana. 9 stycznia Informatyka Stosowana Wykład 11 i 12 9 stycznia / 39

Rachunek różniczkowy funkcji jednej zmiennej. 1 Obliczanie pochodnej i jej interpretacja geometryczna

Ekstrema globalne funkcji

9. BADANIE PRZEBIEGU ZMIENNOŚCI FUNKCJI

Funkcja jednej zmiennej - przykładowe rozwiązania 1. Badając przebieg zmienności funkcji postępujemy według poniższego schematu:

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Pochodna funkcji. Zastosowania

Analiza Matematyczna MAEW101

Funkcje wielu zmiennych

WKLĘSŁOŚĆ I WYPUKŁOŚĆ KRZYWEJ. PUNKT PRZEGIĘCIA.

Wykłady z matematyki - Pochodna funkcji i jej zastosowania

Analiza Matematyczna I Wydział Nauk Ekonomicznych. wykład XI

RACHUNEK RÓŻNICZKOWY FUNKCJI JEDNEJ ZMIENNEJ. Wykorzystano: M A T E M A T Y K A Wykład dla studentów Część 1 Krzysztof KOŁOWROCKI

Pochodna funkcji c.d.-wykład 5 ( ) Funkcja logistyczna

Pochodna i jej zastosowania

Rachunek Różniczkowy

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

Wykład 6, pochodne funkcji. Siedlce

Analiza matematyczna - pochodna funkcji 5.8 POCHODNE WYŻSZYCH RZĘDÓW

1. Pochodna funkcji. 1.1 Pierwsza pochodna - definicja i własności Definicja pochodnej

Notatki z Analizy Matematycznej 3. Jacek M. Jędrzejewski

Wykład 4 Przebieg zmienności funkcji. Badanie dziedziny oraz wyznaczanie granic funkcji poznaliśmy na poprzednich wykładach.

2. ZASTOSOWANIA POCHODNYCH. (a) f(x) = ln 3 x ln x, (b) f(x) = e2x x 2 2.

Pochodna funkcji. Zastosowania pochodnej. Badanie przebiegu zmienności

Matematyka i Statystyka w Finansach. Rachunek Różniczkowy

Projekt Era inżyniera pewna lokata na przyszłość jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Granice funkcji-pojęcie pochodnej

Funkcje elementarne. Matematyka 1

Treści programowe. Matematyka 1. Efekty kształcenia. Literatura. Warunki zaliczenia. Ogólne własności funkcji. Definicja 1. Funkcje elementarne.

WYKŁAD Z ANALIZY MATEMATYCZNEJ I. dr. Elżbieta Kotlicka. Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki

Zadania do samodzielnego rozwiązania zestaw 11

1. Definicja granicy właściwej i niewłaściwej funkcji.

DEFINICJA. E-podręcznik pod redakcją: Vsevolod Vladimirov Autor: Tomasz Zabawa

Analiza matematyczna i algebra liniowa Pochodna funkcji

Treści programowe. Matematyka. Literatura. Warunki zaliczenia. Funkcje elementarne. Katarzyna Trąbka-Więcław

Wykład 11. Informatyka Stosowana. Magdalena Alama-Bućko. 18 grudnia Magdalena Alama-Bućko Wykład grudnia / 22

Analiza Matematyczna Ćwiczenia

Treści programowe. Matematyka. Efekty kształcenia. Warunki zaliczenia. Literatura. Funkcje elementarne. Katarzyna Trąbka-Więcław

Materiały do ćwiczeń z matematyki. 3 Rachunek różniczkowy funkcji rzeczywistych jednej zmiennej

MATEMATYKA I SEMESTR WSPIZ (PwZ) 1. Ciągi liczbowe

Matematyka z el. statystyki, # 4 /Geodezja i kartografia I/

11. Pochodna funkcji

II. Funkcje. Pojęcia podstawowe. 1. Podstawowe definicje i fakty.

4.3 Wypukłość, wklęsłość l punkty przegięcia wykresu funkcji

Pochodna funkcji: zastosowania przyrodnicze wykłady 7 i 8

x 2 5x + 6 x 2 x 6 = 1 3, x 0sin 2x = 2, 9 + 2x 5 lim = 24 5, = e 4, (i) lim x 1 x 1 ( ), (f) lim (nie), (c) h(x) =

Matematyka. rok akademicki 2008/2009, semestr zimowy. Konwersatorium 1. Własności funkcji

Roksana Gałecka Okreslenie pochodnej funkcji, podstawowe własnosci funkcji różniczkowalnych

Granica funkcji wykład 4

Granice funkcji. XX LO (wrzesień 2016) Matematyka elementarna Temat #8 1 / 21

II. FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

1 Pochodne wyższych rzędów

6. FUNKCJE. f: X Y, y = f(x).

10 zadań związanych z granicą i pochodną funkcji.

SIMR 2013/14, Analiza 1, wykład 5, Pochodna funkcji

Agata Boratyńska ZADANIA Z MATEMATYKI, I ROK SGH GRANICA CIĄGU

Wykład z Podstaw matematyki dla studentów Inżynierii Środowiska. Wykład 3. ANALIZA FUNKCJI JEDNEJ ZMIENNEJ

PLAN WYNIKOWY Z MATEMATYKI DLA KLASY IV TECHNIKUM 5 - LETNIEGO

< > Sprawdzić prawdziwość poniższych zdań logicznych (odpowiedź uzasadnić) oraz podać ich zaprzeczenia:

FUNKCJE. 1. Podstawowe definicje

Wzór Maclaurina. Jeśli we wzorze Taylora przyjmiemy x 0 = 0 oraz h = x, to otrzymujemy tzw. wzór Maclaurina: f (x) = x k + f (n) (θx) x n.

WYDZIAŁ INFORMATYKI I ZARZĄDZANIA, studia niestacjonarne ANALIZA MATEMATYCZNA1, lista zadań 1

Funkcje dwóch zmiennych

1 Funkcja wykładnicza i logarytm

1 + x 1 x 1 + x + 1 x. dla x 0.. Korzystając z otrzymanego wykresu wyznaczyć funkcję g(m) wyrażającą liczbę pierwiastków równania.

1 Wyrażenia potęgowe i logarytmiczne.

1 Funkcja wykładnicza i logarytm

Funkcje dwóch zmiennych

Szeregi funkcyjne. Szeregi potęgowe i trygonometryczne. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

Analiza Matematyczna MAEW101 MAP1067

Materiały do ćwiczeń z matematyki - przebieg zmienności funkcji

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI KLASA III ZAKRES ROZSZERZONY (90 godz.) , x

Tekst na niebiesko jest komentarzem lub treścią zadania b; stąd b = (6 π 3)/12. 3 Wzór stycznej: 2 x + 6 π

III. Funkcje rzeczywiste

Egzamin podstawowy (wersja przykładowa), 2014

Analiza matematyczna 1 zadania z odpowiedziami

Zajęcia nr 1 (1h) Dwumian Newtona. Indukcja. Zajęcia nr 2 i 3 (4h) Trygonometria

Pochodna funkcji a styczna do wykresu funkcji. Autorzy: Tomasz Zabawa

WYMAGANIA WSTĘPNE Z MATEMATYKI

Opracowanie: mgr Jerzy Pietraszko

Badanie funkcji. Zad. 1: 2 3 Funkcja f jest określona wzorem f( x) = +

Zbiory, funkcje i ich własności. XX LO (wrzesień 2016) Matematyka elementarna Temat #1 1 / 16

(5) f(x) = ln x + x 3, (6) f(x) = 1 x. (19) f(x) = x3 +2x

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

ANALIZA MATEMATYCZNA 1 zadania z odpowiedziami

5. Badanie przebiegu zmienności funkcji - monotoniczność i wypukłość

Analiza matematyczna 1 zadania z odpowiedziami

Transkrypt:

Pochodna funkcji Pochodna funkcji w punkcie. Różniczka funkcji i obliczenia przybliżone. Zastosowania pochodnych. Badanie funkcji. Małgorzata Wyrwas Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka Pochodna funkcji str. 1/57

Iloraz różnicowy Niech x 0 R oraz niech funkcja f będzie określona przynajmniej na przedziale (x 0 r, x 0 + r), gdzie r > 0. Ilorazem różnicowym funkcji f w punkcie x 0 odpowiadajacym przyrostowi h, gdzie 0 < h < r, nazywamy liczbę f(x 0 + h) f(x 0 ) h. Pochodna funkcji str. 2/57

Interpretacja geometryczna ilorazu różnicowego Iloraz różnicowy jest równy tangensowi kąta nachylenia siecznej przechodzącej przez punkty (x 0, f(x 0 )) oraz (x 0 + h, f(x 0 + h)) do dodatniej półosi Ox. y f(x 0 + h) f(x 0 ) x 0 y = f(x) α x = h x 0 + h f = f(x 0 + h) f(x 0 ) x tg α = f x Pochodna funkcji str. 3/57

Pochodna funkcji w punkcie Niech x 0 R oraz niech funkcja f będzie określona przynajmniej na przedziale (x 0 r, x 0 + r), gdzie r > 0. Jeżeli istnieje skończona granica lim h 0 f(x 0 + h) f(x 0 ) h. to nazywamy ją pochodna funkcji f w punkcie x 0 i oznaczamy f (x 0 ). Mówimy wtedy, że funkcja f jest różniczkowalna w punkcie x 0. Jeżeli granica ilorazu różnicowego w punkcie x 0 nie istnieje lub jest nieskończona, to mówimy, że funkcja f nie jest różniczkowalna w punkcie x 0. Pochodna funkcji str. 4/57

Pochodna funkcji w punkcie f (x 0 ) def = lim h 0 f(x 0 + h) f(x 0 ) h f (x 0 ) def = lim x x0 f(x) f(x 0 ) x x 0 Przykład: Niech f(x) = x 2. Wtedy f (x 0 ) def (x = lim 0 +h) 2 x 2 0 h 0 h = lim h 0 2x 0 h+h 2 h = 2x 0 lub f (x 0 ) def x = x x0 lim 2 x 2 0 x x 0 = lim x x0 (x x 0 ) (x+x 0 ) x x 0 = 2x 0 Pochodna funkcji str. 5/57

Pochodne ważniejszych funkcji elementarnych (c) = 0, gdzie c R. (x p ) = px p 1, dla p R, zakres zmienności x zależy od p. ( ) 1 = 1 x x 2, x R \ {0}. ( x ) = 1 2 x, x R +. (sin x) = cos x, x R. (cos x) = sin x, x R. Pochodna funkcji str. 6/57

Pochodne ważniejszych funkcji elementarnych (tg x) = 1 cos 2 x, x π 2 + kπ, k Z. (ctg x) = 1 sin 2 x, x kπ, k Z. (a x ) = a x ln a, a > 0, x R. (e x ) = e x, x R. (log a x) = 1 x ln a, x > 0 i 0 < a 1. (ln x) = 1 x, x > 0. Pochodna funkcji str. 7/57

Prosta styczna do wykresu funkcji Niech x 0 R oraz niech funkcja ciągła f będzie określona przynajmniej na przedziale (x 0 r, x 0 + r), gdzie r > 0. Prosta jest styczna do wykresu funkcji f w punkcie (x 0, f(x 0 )), jeżeli jest granicznym położeniem siecznych wykresu funkcji przechodzących przez punkty (x 0, f(x 0 )) i (x, f(x)), gdy x x 0. y f(x) y = f(x) sieczne f(x 0 ) styczna x 0 x x Pochodna funkcji str. 8/57

Interpretacja geometryczna pochodnej Pochodna funkcji w punkcie x 0 jest równa tangensowi kąta nachylenia stycznej do wykresu funkcji f w punkcie (x 0, f(x 0 )) do dodatniej półosi Ox. y y = f(x) f(x 0 ) α x 0 styczna x tg α = f (x 0 ) Równanie stycznej do wykresu funkcji f w punkcie (x 0, f(x 0 )): y = f (x 0 )(x x 0 ) + f(x 0 ). Pochodna funkcji str. 9/57

Przykład Niech f(x) = e x. Wówczas równanie stycznej do wykresu funkcji f w x 0 = 0 ma postać: y = x + 1. y y =e x y = x + 1 (0, 1) x Pochodna funkcji str. 10/57

Przykład Niech f(x) = sin x. Wówczas równanie stycznej do wykresu funkcji f w x 0 = π ma postać: y = π x. 1 y y =sin x π -1 π 2π 3π 4π y = π x x Pochodna funkcji str. 11/57

Pochodna funkcji na przedziale Funkcja ma pochodną na przedziale I otwartym wtedy i tylko wtedy, gdy ma pochodną w każdym punkcie tego przedziału. Funkcję określoną na przedziale I, której wartości w punktach x tego przedziału sa równe f (x) nazywamy pochodna funkcji f na przedziale I i oznaczamy symbolem f. f : x f (x), x I. Pochodna funkcji str. 12/57

Działania arytmetyczne na pochodnych funkcji Jeżeli funkcje f i g sa różniczkowalne w punkcie x 0, to: (f + g) (x 0 ) = f (x 0 ) + g (x 0 ). (f g) (x 0 ) = f (x 0 ) g (x 0 ). (f g) (x 0 ) = f (x 0 ) g(x 0 ) + f(x 0 ) g (x 0 ). ( f g ) (x 0 ) = f (x 0 ) g(x 0 ) f(x 0 ) g (x 0 ) g 2 (x 0 ), o ile g(x 0 ) 0. Jeżeli funkcja f jest różniczkowalna w punkcie x 0, zaś c R, to (cf) (x 0 ) = cf (x 0 ). Pochodna funkcji str. 13/57

Przykład f(x) = x 4 + 3x 2 1 x + x f (x) = 4x 3 + 6x + 1 x 2 + 1 2 x g(x) = sin x ctg x, x kπ, k Z, ( g (x) = cos x ctg x + sin x 1 ) sin 2 = cos x ctg x 1 x sin x h(x) = x2 1 x 2 + 1, x R, h (x) = 2x (x2 + 1) (x 2 1) 2x (x 2 + 1) 2 = 4x (x 2 + 1) 2 Pochodna funkcji str. 14/57

Twierdzenie o pochodnej funkcji złożonej Jeżeli funkcja f jest różniczkowalna w punkcie x 0 oraz funkcja g jest różniczkowalna w punkcie f(x 0 ), to funkcja g f jest różniczkowalna w punkcie x 0 oraz (g f) (x 0 ) = g (f(x 0 )) f (x 0 ). Przykład: f(x) = sin 3 x f (x) = 3 sin 2 x cos x g(x) = (3x 2 + x + 2) 5, g (x) = 5(3x 2 + x + 2) 4 (6x + 1) Pochodna funkcji str. 15/57

Postać logarytmiczno wykładnicza funkcji Każdą funkcję złożoną postaci [f(x)] g(x) można przedstawić w postaci logarytmiczno wykładniczej: [f(x)] g(x) = e g(x) ln f(x). Postać logarytmiczno wykładniczą stosujemy do obliczania pochodnych funkcji danych w postaci [f(x)] g(x). Przykład: f(x) = x x = e x ln x f (x) = e x ln x (ln x + x 1 x ) = xx (ln x + 1) Pochodna funkcji str. 16/57

Twierdzenie o pochodnej funkcji odwrotnej Niech x 0 D f. Niech f będzie funkcją ciągłą i różnowartościową w otoczeniu punktu x 0 oraz taką, że f (x 0 ) 0. Wówczas gdzie y 0 = f(x 0 ). ( f 1 ) (y0 ) = 1 f (x 0 ), Pochodna funkcji str. 17/57

Pochodne funkcji cyklometrycznych (arc sin x) = 1 1 x 2, x ( 1, 1). (arc cos x) = 1 1 x 2, x ( 1, 1). (arc tg x) = 1 1 + x 2, x R. (arc ctg x) = 1 1 + x 2, x R. Pochodna funkcji str. 18/57

Różniczka funkcji Niech funkcja f będzie określona na otoczeniu punktu x 0. Ponadto niech funkcja f ma pochodną właściwą (jest różniczkowalna) w punkcie x 0. Różniczka funkcji f w punkcie x 0 nazywamy funkcję zmiennych x określoną wzorem: df(x 0 )( x) def = f (x 0 ) x. Różniczkę funkcji f oznacza się także przez df(x 0 ) lub krótko df. Pochodna funkcji str. 19/57

Różniczka i obliczenia przybliżone Niech funkcja f będzie różniczkowalna w punkcie x 0. Wtedy f(x 0 + x) f(x 0 ) + f (x 0 ) x, przy czym błąd jaki popełniamy zastępując przyrost funkcji f jej różniczką df = f (x) x dąży szybciej do zera niż x, tzn. lim x 0 f df x = 0. Pochodna funkcji str. 20/57

Różniczka i obliczenia przybliżone y y = f(x) f(x 0 ) x 0 x df f x Pochodna funkcji str. 21/57

Przykład Wykorzystując różniczkę obliczymy wartość przybliżoną wyrażenia 15,96. Definiujemy funkcję f(x) = x. Przyjmujemy x 0 =16 x= 0,04. Ponieważ df dx = f (x) = 1 2 x,więc 15,96 16 + 1 2 16 ( 0,04) = 3,995. Pochodna funkcji str. 22/57

Zastosowanie różniczki funkcji do szacowania błędów pomiarów Niech wielkości fizyczne x i y będą związane zależnością y = f(x). Ponadto niech x oznacza błąd bezwzględny pomiaru wielkości x. Wtedy błąd bezwzględny y obliczeń wielkości y wyraża się wzorem przybliżonym y f (x 0 ) x, gdzie x 0 jest wynikiem pomiaru wielkości x, przy czym f (x 0 ) jest właściwa. Pochodna funkcji str. 23/57

Przykład Czas w biegu na 100 m mierzy się z dokładnością t = 0,01 s. Zawodnik uzyskał 10 s. Z jaką w przybliżeniu dokładnością można obliczyć prędkość V tego zawodnika? Ponieważ V = 100 t, więc V (t) = 100 t 2, więc V V (10) t = 100 [ 10 2 0,01 = 0,01 m s ]. Pochodna funkcji str. 24/57

Zwiazek różniczkowalności z ciagłości a funkcji Twierdzenie: Jeżeli funkcja f jest różniczkowalna w punkcie x 0, to jest w tym punkcie ciągła. Uwaga: Twierdzenie odwrotne nie jest prawdziwe. Na przykład funkcja f(x) = x jest ciągła w punkcie x 0 = 0, ale f (0) nie istnieje. y 2 y = x -4-2 2 x Pochodna funkcji str. 25/57

Zwiazek różniczkowalności z monotonicznościa funkcji Twierdzenie: Niech I oznacza dowolny przedział. Jeżeli dla każdego x I funkcja f spełnia warunek: f (x) = 0, to funkcja f jest stała na I; f (x) > 0, to funkcja f jest rosnąca na I; f (x) 0, to funkcja f jest niemalejąca na I; f (x) < 0, to funkcja f jest malejąca na I; f (x) 0, to funkcja f jest nierosnąca na I. Pochodna funkcji str. 26/57

Pochodne wyższych rzędów Pochodne n-tego rzędu funkcji f w punkcie x 0 definiujemy indukcyjnie f (n) (x 0 ) = ( f (n 1)) (x0 ), dla n 1. Przyjmujemy, że f (0) (x 0 ) = f(x 0 ) i f (1) (x 0 ) = f (x 0 ). Piszemy: f (2) = f, f (3) = f, f (4) = f IV lub f (1) = f, f (2) = f lub f (n) = dn f dx n. Pochodna funkcji str. 27/57

Definicja minimum funkcji Funkcja f ma w punkcie x 0 D f minimum lokalne, jeżeli δ>0 x S(x 0,δ) f(x) f(x 0 ). Funkcja f ma w punkcie x 0 D f minimum lokalne właściwe, jeżeli δ>0 x S(x 0,δ) f(x) > f(x 0 ). Pochodna funkcji str. 28/57

Definicja maksimum funkcji Funkcja f ma w punkcie x 0 D f maksimum lokalne, jeżeli δ>0 x S(x 0,δ) f(x) f(x 0 ). Funkcja f ma w punkcie x 0 D f maksimum lokalne właściwe, jeżeli δ>0 x S(x 0,δ) f(x) < f(x 0 ). Pochodna funkcji str. 29/57

Ekstrema funkcji Minima i maksima lokalne nazywamy EKSTREMAMI LOKALNYMI. Pochodna funkcji str. 30/57

Warunek konieczny istnienia ekstremum funkcji różniczkowalnej Twierdzenie (Fermata): Jeżeli funkcja f jest różniczkowalna w punkcie x 0 oraz posiada ekstremum lokalne w tym punkcie, to f (x 0 ) = 0. Uwaga: Twierdzenie odwrotne nie jest prawdziwe. Na przykład dla funkcji f(x) = x 3 mamy f (0) = 0, a f nie ma ekstremum w punkcie x 0 = 0. y y = x 3 x Pochodna funkcji str. 31/57

Warunek dostateczny istnienia maksimum funkcji różniczkowalnej Twierdzenie: Niech x 0 R i f będzie funkcją określoną przynajmniej w otoczeniu punktu x 0, ciągła w punkcie x 0 i różniczkowalna przynajmniej w sąsiedztwie punktu x 0. Jeżeli istnieje δ > 0 takie, że x (x 0 δ,x 0 ) f (x) > 0 oraz x (x 0,x 0 +δ) f (x) < 0 to w punkcie x 0 funkcja f ma maksimum lokalne właściwe. Pochodna funkcji str. 32/57

Warunek dostateczny istnienia minimum funkcji różniczkowalnej Twierdzenie: Niech x 0 R i f będzie funkcją określoną przynajmniej w otoczeniu punktu x 0, ciągłą w punkcie x 0 i różniczkowalną przynajmniej w sąsiedztwie punktu x 0. Jeżeli istnieje δ > 0 takie, że x (x 0 δ,x 0 ) f (x) < 0 oraz x (x 0,x 0 +δ) f (x) > 0 to w punkcie x 0 funkcja f ma minimum lokalne właściwe. Pochodna funkcji str. 33/57

II warunek dostateczny istnienia ekstremum funkcji różniczkowalnej Twierdzenie: Niech x 0 R i f będzie funkcją określoną przynajmniej w otoczeniu punktu x 0. Jeżeli 1 f (x 0 ) = f (x 0 ) =... = f (n 1) (x 0 ) = 0, 2 f (n) (x 0 ) 0, to, gdy n > 2 jest parzyste, funkcja f osiąga w punkcie x 0 ekstremum lokalne właściwe, przy czym jest to minimum, gdy f (n) (x 0 ) > 0, zaś maksimum gdy f (n) (x 0 ) < 0. Gdy n jest nieparzyste, ekstremum nie występuje. Pochodna funkcji str. 34/57

Minimum globalne Liczba m jest najmniejsza wartościa funkcji f na zbiorze A D f, jeżeli istnieje punkt x 0 A, taki że i dla każdego x A Liczbę m nazywamy f(x 0 ) = m f(x) f(x 0 ) = m. minimum globalnym funkcji f na zbiorze A. Pochodna funkcji str. 35/57

Maksimum globalne Liczba M jest największa wartościa funkcji f na zbiorze A D f, jeżeli istnieje punkt x 0 A, taki że i dla każdego x A Liczbę M nazywamy f(x 0 ) = M f(x) f(x 0 ) = M. maksimum globalnym funkcji f na zbiorze A. Pochodna funkcji str. 36/57

Ekstrema globalne Minimum i maksimum globalne nazywamy EKSTREMAMI GLOBALNYMI. Pochodna funkcji str. 37/57

Ekstrema globalne Niech A = a, b R i f : A R. Niech f ma pochodną właściwą lub niewłaściwą poza skończoną liczbą punktów przedziału A. Ponadto niech f ma skończoną liczbę punktów krytycznych, tzn. punktów x k, w których f (x k ) = 0 lub f (x k ) nie istnieje. Jeżeli f jest funkcja ciagł a na domkniętym i ograniczonym zbiorze A, to funkcja f osiaga na A wartość najmniejsza i największa. Pochodna funkcji str. 38/57

Algorytm znajdowania ekstremów globalnych funkcji Niech A = a, b R i f : A R. Niech f ma pochodną właściwą lub niewłaściwą poza skończoną liczbą punktów przedziału A. Ponadto niech f ma skończoną liczbę punktów krytycznych, tzn. punktów x k, w których f (x k ) = 0 lub f (x k ) nie istnieje. Ekstremów globalnych funkcji f na przedziale A szukamy postępując według algorytmu: Znajdujemy wszystkie punkty krytyczne wewnątrz przedziału A i obliczmy wartości funkcji w tych punktach. Obliczmy f(a) i f(b). Porównujemy otrzymane wartości funkcji znajdując wartość najmniejszą i największą. Pochodna funkcji str. 39/57

Przykład Niech f : A R R i f(x, y) = x 1, gdzie A = 0, 3. x = 1 jest punktem krytycznym funkcji f, gdyż f (1) nie istnieje. Wtedy f(1) = 0. f(0) = 1 i f(3) = 2. Wówczas m = f najmniejsze = 0 i M = f największe = 2. Pochodna funkcji str. 40/57

Zastosowanie pochodnych do obliczanie granic funkcji Twierdzenie (Reguła de l Hospitala): Niech funkcje f i g spełniają warunki: 1 funkcje f,g i f, g będą określone w sąsiedztwie punktu x 0 1 lim f(x) = lim g(x) = 0 albo lim f(x) = lim g(x) = x x0 x x0 x x0 x x0 3 istnieje granica Wówczas istnieje granica f (x) x x0 lim g (x) = a. f(x) x x0 lim g(x) oraz f(x) lim x x 0 g(x) = a. Powyższe twierdzenie jest prawdziwe również dla granic jednostronnych, niewłaściwych oraz dla granic w + lub w. Pochodna funkcji str. 41/57

Funkcja wypukła Funkcje f nazywamy wypukła na przedziale (a, b) R wtedy i tylko wtedy, gdy a<x 1 <x 2 <b 0<t<1 f(tx 1 + (1 t)x 2 ) < tf(x 1 ) + (1 t)f(x 2 ). Uwaga: Geometrycznie funkcja jest wypukła, jeżeli każdy odcinek siecznej wykresu leży powyżej fragmentu wykresu położonego miedzy punktami, przez które przechodzi sieczna. Pochodna funkcji str. 42/57

Funkcja wklęsła Funkcje f nazywamy wklęsła na przedziale (a, b) R wtedy i tylko wtedy, gdy a<x 1 <x 2 <b 0<t<1 f(tx 1 + (1 t)x 2 ) > tf(x 1 ) + (1 t)f(x 2 ). Uwaga: Geometrycznie funkcja jest wklęsła, jeżeli każdy odcinek siecznej wykresu leży poniżej fragmentu wykresu położonego miedzy punktami, przez które przechodzi sieczna. Pochodna funkcji str. 43/57

Warunki wystarczajace wypukłości i wklęsłości Twierdzenie: Jeżeli f (x) > 0 dla każdego x (a, b), to funkcja f jest wypukła na (a, b). Twierdzenie: Jeżeli f (x) < 0 dla każdego x (a, b), to funkcja f jest wklęsła na (a, b). Pochodna funkcji str. 44/57

Punkt przegięcia wykresu funkcji Niech funkcja f będzie określona i różniczkowalna przynajmniej w otoczeniu punktu x 0. Punkt (x 0, f(x 0 )) nazywamy punktem przegięcia wykresu funkcji f wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje liczba δ > 0, taka że funkcja f jest wypukła na (x 0 δ, x 0 ) oraz wklęsła na (x 0, x 0 + δ) lub odwrotnie. Warunek konieczny istnienia punktu przegięcia: Twierdzenie: Jeżeli funkcja f posiada pochodną drugiego rzędu w punkcie x 0 oraz posiada w punkcie (x 0, f(x 0 )) punkt przegięcia, to f (x 0 ) = 0. Pochodna funkcji str. 45/57

Warunek dostateczny istnienia punktu przegięcia Twierdzenie: Niech x 0 R i f będzie funkcją określoną przynajmniej w otoczeniu punktu x 0, ciągłą i różniczkowalną w punkcie x 0. Jeżeli istnieje δ > 0 takie, że x (x 0 δ,x 0 ) f (x) < 0 oraz x (x 0,x 0 +δ) f (x) > 0 lub x (x 0 δ,x 0 ) f (x) > 0 oraz x (x 0,x 0 +δ) f (x) < 0 to w punkcie (x 0, f(x 0 )) funkcja f ma punkt przegięcia. Pochodna funkcji str. 46/57

II warunek dostateczny istnienia punktu przegięcia Twierdzenie: Niech x 0 R i f będzie funkcją określoną przynajmniej w otoczeniu punktu x 0. Jeżeli 1 f (x 0 ) = f (x 0 ) =... = f (n 1) (x 0 ) = 0, 2 f (n) (x 0 ) 0, to, gdy n > 3 jest nieparzyste, funkcja f ma w punkcie (x 0, f(x 0 )) punkt przegięcia.. Pochodna funkcji str. 47/57

Pochodne a wykres funkcji f + + + f + + 0 0 f min. lok max. lok Uwaga: Jeżeli f (x 0 ) = 0 i f (x 0 ) 0, to x 0 jest punktem przegięcia się wykresu funkcji f. Pochodna funkcji str. 48/57

Badanie funkcji Przez badanie przebiegu zmienności funkcji i sporządzanie jej wykresu rozumiemy wykonanie następujących czynności: 1. Wyznaczenie dziedziny funkcji. 2. Wskazanie podstawowych własności: (a) parzystość lub nieparzystość (b) okresowość (c) miejsca zerowe funkcji (punkty przecięcia wykresu funkcji z osią OX) i punkty przecięcia wykresu funkcji z osią OY (d) ciągłość 3. Zbadanie zachowania się funkcji na "końcach" dziedziny - wyznaczenie asymptot wykresu funkcji. 4. Zbadanie pierwszej pochodnej - monotoniczność i ekstrema funkcji. 5. Zbadanie drugiej pochodnej - przedziały wklęsłości i wypukłości oraz punkty przegięcia wykresu funkcji. 6. Sporządzenie wykresu funkcji. Pochodna funkcji str. 49/57

Przykład Zbadać przebieg zmienności i naszkicować wykres funkcji f danej wzorem: f(x) = x3 + 4 x 2. 1. D f = R \ {0} = (, 0) (0, + ). 2. Podstawowe własności funkcji f: (a) funkcja f nie jest ani parzysta ani nieparzysta. (b) f nie jest funkcją okresową. (c) f(x) = 0 x 3 + 4 = 0 x = 3 4, zatem P 0 ( 3 4, 0) jest punktem przecięcia wykresu funkcji z osią OX; brak punktów przecięcia wykresu funkcji z osią OY. (d) f jest ciągła w swojej dziedzinie. Pochodna funkcji str. 50/57

Przykład c.d. f(x) = x3 +4 x 2 3. Ponieważ lim x 0 x 3 + 4 x 2 = [ ] 4 0 + = +, więc prosta x = 0 jest asymptotą pionową obustronną wykresu funkcji f. Ponieważ lim x ± x 3 + 4 x 2 = ±, więc wykres funkcji f nie ma asymptot poziomych. Pochodna funkcji str. 51/57

Przykład c.d. f(x) = x3 +4 x 2 Zbadajmy istnienie asymptot ukośnych y = ax + b: a = lim x ± f(x) x = lim x ± x 3 + 4 x 3 = lim x ± 1 + 4 x 3 1 = 1, b = lim x ± [f(x) ax] = lim = lim x ± x ± x 3 + 4 x 3 [ x 3 + 4 x 2 x 2 = lim x ± ] x 4 x 2 = [ ] 4 = 0. Istnieje więc jedna asymptota ukośna o równaniu y = x. Pochodna funkcji str. 52/57

Przykład c.d. f(x) = x3 +4 x 2 4. Monotoniczność i ekstrema: f (x) = 1 8 x 3 = x3 8 x 3, x 0. f (x) = 0 x = 2. f f + + 0 2 min. lok Ponadto f min (2) = 3. Pochodna funkcji str. 53/57

Przykład c.d. f(x) = x3 +4 x 2 5. Wklęsłość i wypukłość: f (x) = 24 x 4, x 0. Zauważmy, że dla każdego x 0 mamy f (x) > 0. f f + + 0 Zatem wykres nie posiada punktów przegięcia jest to wykres wypukły. Pochodna funkcji str. 54/57

Przykład c.d. f(x) = x3 +4 x 2 x (, 3 4 ) 3 4 ( 3 4, 0 ) 0 (0, 2) 2 (2, + ) f + + + + + + f + + + 2 f y = x 0 + + 3 y = x Pochodna funkcji str. 55/57

Przykład c.d. f(x) = x3 +4 x 2 6. 6 y y = x3 + 4 x 2 3-4 3 4-2 2 4 6 x -3 Pochodna funkcji str. 56/57

Dziękuję za uwagę Pochodna funkcji str. 57/57