Pochodna funkcji jednej zmiennej







Analiza matematyczna 1/Wykład 9: Pochodna funkcji jednej zmiennej - Studia Informatyczne

/**/






/**/











Analiza matematyczna 1/Wykład 9: Pochodna funkcji jednej zmiennej

From Studia Informatyczne
< Analiza matematyczna 1

Spis treści [schowaj]

1 Pochodna funkcji jednej zmiennej
2 Pochodna: interpretacja fizyczna i geometryczna
3 Twierdzenia o pochodnych. Pochodne funkcji elementarnych
4 Pochodne funkcji określonych za pomocą szeregów potęgowych
5 Pochodna logarytmu
6 Porównanie pochodnych funkcji trygonometrycznych i hiperbolicznych
7 Twierdzenie Rolle'a. Punkty krytyczne
8 Twierdzenie o wartości średniej

if (window.showTocToggle) { var tocShowText = "pokaż"; var tocHideText = "schowaj"; showTocToggle(); }
[Edytuj]Pochodna funkcji jednej zmiennej
Definiujemy pochodną funkcji i podajemy jej interpretację
fizyczną i geometryczną. Wyznaczamy pochodne funkcji
elementarnych. Wykazujemy podstawowe własności funkcji
różniczkowalnych, w tym twierdzenie Rolle'a, Cauchy'ego i
twierdzenie Lagrange'a o wartości średniej. Związek znaku
pochodnej z monotonicznością funkcji pozwala na sformułowanie
warunku koniecznego i wystarczającego istnienia ekstremum.

[Edytuj]Pochodna: interpretacja fizyczna i geometryczna
Z pojęciem pochodnej zetknęliśmy się po raz pierwszy w szkole na
lekcjach fizyki. Wyznaczając prędkość średnią pewnego
obiektu poruszającego się po prostej, dzielimy drogę, jaką przebył
w określonym czasie, przez długość tego odcinka czasu:


gdzie oznacza drogę, jaką obserwowany
obiekt przebył w czasie . Następnie
spostrzegliśmy, że pomiar prędkości jest tym lepszy i bardziej
adekwatny do stanu obiektu w określonej chwili, im odcinek czasu
pomiędzy kolejnymi chwilami a jest krótszy.
Granicę ilorazu


nazywamy prędkością chwilową lub - krótko - prędkością obiektu w chwili i tradycyjnie oznaczamy symbolem lub

to ostatnie oznaczenie pochodnej jest często stosowane w równaniach różniczkowych.
Niech będzie dowolną funkcją o wartościach
rzeczywistych określoną w przedziale otwartym .



Styczna (na czerwono) jest granicznym polozeniem siecznej (na zielono)

Definicja 9.1.


Mówimy, że funkcja jest różniczkowalna w punkcie , jeśli istnieje granica ilorazu różnicowego



Granicę tę - jeśli istnieje - nazywamy pochodną funkcji w punkcie i oznaczamy symbolem: lub . Funkcję , która argumentowi przyporządkowuje wartość pochodnej funkcji w punkcie nazywamy funkcją pochodną funkcji lub - krótko - pochodną funkcji .


Zwróćmy uwagę, że dziedzina pochodnej jest zawsze
podzbiorem dziedziny funkcji .

Uwaga 9.2.

Jeśli funkcja jest różniczkowalna w
punkcie , to jest w tym punkcie ciągła. Skoro iloraz
różnicowy ma granicę przy ,
to licznik musi zmierzać do zera, stąd jest

ciągła w punkcie .
Implikacja odwrotna nie jest prawdziwa.
Przykład 9.3.


Rozważmy funkcję określoną na . Funkcja ta
jest ciągła w każdym punkcie . Natomiast nie jest
różniczkowalna w jednym punkcie - w punkcie , gdyż


Funkcja jest więc różniczkowalna w każdym punkcie zbioru liczb rzeczywistych z wyjątkiem punktu , gdyż nie istnieje granica ilorazu przy . W pozostałych punktach mamy , gdzie


oznacza funkcję signum (znak liczby). Dziedzina pochodnej jest podzbiorem właściwym dziedziny funkcji ,tj. (to znaczy: i ).




Wykres sumy czesciowej szeregu definiujacego funkcje g w przykładzie 9.4

Zwróćmy uwagę, że iloraz różnicowy



jest równy współczynnikowi kierunkowemu siecznej wykresu funkcji przechodzącej przez punkty oraz , jest równy tangensowi kąta, jaki sieczna ta tworzy z osią rzędnych. Gdy zmierza do zera, punkt zbliża się do punktu . Jeśli istnieje pochodna , to prostą o równaniu



będącą granicznym położeniem siecznych przechodzących przez punkty oraz , nazywamy styczną do wykresu funkcji w punkcie . Pochodna jest więc współczynnikiem kierunkowym stycznej do wykresu funkcji w punkcie .
Nietrudno podać przykład funkcji ciągłej, która nie jest
różniczkowalna w skończonej liczbie punktów, np. w punktach . Wystarczy bowiem rozważyć np. sumę



gdzie są stałymi różnymi od zera. Pochodna



istnieje w każdym punkcie zbioru , czyli wszędzie poza zbiorem .
Skonstruujmy funkcję, która jest ciągła i nie jest
różniczkowalna w żadnym punkcie zbioru liczb rzeczywistych.
Przykład 9.4.


Rozważmy wpierw funkcję . Pamiętamy (zob. ćwiczenia do modułu
drugiego), że funkcja ta jest określona na , parzysta, okresowa o okresie , przy czym dla
zachodzi równość . Można wykazać, że funkcja określona za pomocą nieskończonego szeregu



jest określona na , parzysta i okresowa o okresie , ciągła w każdym punkcie swojej dziedziny i nie jest różniczkowalna w żadnym punkcie zbioru .
[Edytuj]Twierdzenia o pochodnych. Pochodne funkcji elementarnych
W praktyce większość funkcji elementarnych, którymi
posługujemy się, jest różniczkowalna. Wyznaczmy pochodne kilku z
nich, posługując się definicją i znanymi wzorami.
Przykład 9.5.


a) Funkcja stała
określona w przedziale jest różniczkowalna w każdym
punkcie tego przedziału i ma pochodną równą zeru, gdyż iloraz
różnicowy będąc stale równy zeru, zmierza do
zera.
b) Jeśli jest stałą i istnieje , to istnieje pochodna
iloczynu (innymi słowy: stałą można
wyłączyć przed znak pochodnej). Mamy bowiem

przy .
c) Jednomian jest różniczkowalny w każdym punkcie
i . Na mocy wzoru dwumianowego Newtona
mamy bowiem


d) Funkcja jest różniczkowalna w każdym punkcie , ponieważ iloraz różnicowy

zmierza do , gdyż oraz przy .
e) Funkcja jest różniczkowalna w każdym punkcie, ponieważ iloraz różnicowy

zmierza do , gdyż oraz przy .

Zwróćmy uwagę, że dotychczas nie podaliśmy precyzyjnych definicji
funkcji sinus oraz cosinus, bazując na własnościach tych funkcji,
poznanych w szkole w oparciu o własności liczb ,
, gdy jest kątem trójkąta. W szczególności
skorzystaliśmy ze znanego faktu, że istnieje granica
. Formalnie
istnienie tej granicy należy wykazać po podaniu definicji funkcji
sinus.
Wykażemy teraz szereg prostych uwag, pozwalających efektywnie
wyznaczać pochodną.


Twierdzenie 9.6.


Niech będą funkcjami
określonymi na przedziale otwartym . Niech .
Jeśli istnieją pochodne oraz , to




Dowód 9.6.


a) Wobec założenia o istnieniu oraz iloraz
różnicowy


- na mocy twierdzenia o granicy sumy - ma granicę i jest ona
równa
b) Funkcja jest ciągła w punkcie , gdyż jest w tym punkcie
różniczkowalna, więc . Wobec istnienia pochodnych oraz
iloraz różnicowy


zmierza przy do granicy .
c) Jeśli tylko , to - wobec ciągłości funkcji w
punkcie i istnienia - iloraz różnicowy

zmierza do granicy przy .
d) Zauważmy, że . Na
podstawie wykazanego już twierdzenia o pochodnej iloczynu i
pochodnej odwrotności istnieje pochodna




Zastosujmy powyższe twierdzenie do wyznaczenia pochodnych kolejnych funkcji elementarnych.
Przykład 9.7.


a) Pamiętając, że tangens jest
ilorazem sinusa i cosinusa, możemy łatwo wyznaczyć pochodną funkcji
tangens:


b) W podobny sposób wyznaczamy pochodną funkcji cotangens:


c) Niech będzie funkcją
wielomianową. Na mocy uwagi o pochodnej jednomianu i twierdzenia o
pochodnej sumy w każdym punkcie zbioru istnieje pochodna



Niech i będą funkcjami
takimi, że zbiór zawiera obraz przedziału przez
funkcję .


Twierdzenie 9.8.


Jeśli istnieje pochodna i istnieje pochodna , gdzie , to istnieje pochodna złożenia i jest równa iloczynowi pochodnych, tzn.

Dowód 9.8.


Niech , gdzie . Wobec ciągłości
funkcji w punkcie mamy zbieżność , gdy
. Iloraz różnicowy

zmierza więc do
przy , gdyż
, gdy ,
zaś , gdy .





Twierdzenie 9.9.


Niech będzie funkcją odwrotną do
funkcji . Niech . Jeśli
istnieje pochodna , to funkcja jest
różniczkowalna w punkcie i zachodzi równość:




Dowód 9.9.


Niech i niech , .
Funkcja jest ciągła w punkcie , gdyż jest w tym punkcie
różniczkowalna, więc , gdy . Stąd istnieje
granica ilorazu różnicowego




Przykład 9.10.


Funkcja jest
odwrotna do funkcji , stąd - na mocy twierdzenia
o pochodnej funkcji odwrotnej - mamy


[Edytuj]Pochodne funkcji określonych za pomocą szeregów potęgowych
Augustin Louis Cauchy (1789-1857)Zobacz biografię
Naturalnym uogólnieniem wielomianu (sumy skończonej ilości jednomianów) jest szereg potęgowy



o środku w punkcie i
współczynnikach . Własności szeregów potęgowych omówimy
szerzej w ramach analizy matematycznej 2, pomijamy więc w tej
chwili szczegółowe dowody. Aby uprościć wypowiedzi potrzebnych
twierdzeń, zakładamy, że istnieje granica (tj. skończona lub równa
).
Korzystając z kryterium Cauchy'ego zbieżności szeregów, można
wykazać


Twierdzenie 9.11. [twierdzenie Cauchy'ego-Hadamarda]


Szereg potęgowy
jest zbieżny w
przedziale otwartym , gdzie

Jeśli , przyjmujemy ;
jeśli zaś , przyjmujemy .

Liczbę nazywamy promieniem zbieżności szeregu
potęgowego.
Można wykazać następujące


Twierdzenie 9.12.


Funkcja jest różniczkowalna w
każdym punkcie przedziału otwartego , gdzie
jest promieniem zbieżności szeregu potęgowego. Pochodną tej
funkcji wyraża szereg potęgowy




Innymi słowy: szereg potęgowy można różniczkować wewnątrz
przedziału, w którym jest zbieżny, a jego pochodną jest szereg
pochodnych jego składników.
Zastosujmy twierdzenie o różniczkowaniu szeregu potęgowego
do wyznaczenia pochodnej funkcji wykładniczej oraz
funkcji sinus i cosinus, które definiuje się za pomocą szeregów
potęgowych.
Wniosek 9.13.


Funkcje


są różniczkowalne w każdym punkcie
, przy czym


Dowód 9.13.


Promień zbieżności każdego z powyższych szeregów
definiujących odpowiednio funkcje sinus i cosinus równy
jest nieskończoności, ponieważ
. Aby przekonać się o tym,
możemy na przykład zastosować oszacowanie

z którego mamy

Na mocy twierdzenia o trzech ciągach istnieje więc granica
.
Stąd w całym przedziale możemy
stosować twierdzenie o różniczkowaniu szeregu potęgowego i mamy

W
podobny sposób dowodzimy dwóch pozostałych równości: oraz .

Oszacowanie

można wykazać indukcyjnie (szczegóły dowodu znajdują się np. w podręczniku Leona Jeśmianowicza i Jerzego Łosia Zbiór zadań z algebry, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, wyd.VII, Warszawa 1976). Uogólnieniem tego oszacowania jest

Twierdzenie 9.14. [twierdzenie Stirlinga]


Dla dowolnej liczby naturalnej
istnieje liczba (zależna od wyboru liczby
) taka, że zachodzi równość




Równość tę nazywamy wzorem Stirlinga. Zwróćmy uwagę, że
dla dużych czynnik , stąd


W wielu praktycznych obliczeniach wystarczy posługiwać się nawet przybliżeniem

lub (pamiętając, że ) oszacowaniem
, dla które wykorzystaliśmy do wyznaczenia promienia zbieżności szeregu definiującego funkcję .
[Edytuj]Pochodna logarytmu
Funkcja jest odwrotna do funkcji . Stąd - na mocy twierdzenia o pochodnej funkcji odwrotnej -
mamy

Uwaga 9.15. [wzór na pochodną logarytmu naturalnego]



Zauważmy też, że pochodna , dla
. Oznaczmy symbolem wartość bezwzględną
liczby . Na mocy twierdzenia o pochodnej złożenia funkcji mamy
równość


Ogólnie:

Uwaga 9.16.

Jeśli jest funkcją różniczkowalną w
punkcie i , to istnieje pochodna złożenia w punkcie i jest równa
.


Przykład 9.17.


Mamy


a także
Wniosek 9.18.


Pochodną funkcji wyznaczymy, różniczkując
złożenie iloczynu funkcji z funkcją
wykładniczą .


Przykład 9.19.


a) Wyznaczmy pochodną funkcji
wykładniczej o podstawie . Mamy , więc

czyli .
b) Wiemy już, że , gdy jest liczbą
naturalną. Korzystając z równości
jesteśmy także w stanie wykazać, że , gdy
jest dowolną liczbą rzeczywistą. Mamy bowiem



[Edytuj]Porównanie pochodnych funkcji trygonometrycznych i hiperbolicznych
Wprost z definicji funkcji hiperbolicznych, które poznaliśmy
w drugim module, korzystając z faktu, że pochodna , wyprowadzamy
Wniosek 9.20.


Wzory na pochodne funkcji hiperbolicznych


Dowodząc dwóch ostatnich wzorów, skorzystaliśmy z twierdzenia o
pochodnej iloczynu oraz z tożsamości ,
zwanej jedynką hiperboliczną.
Korzystając z twierdzenia o pochodnej funkcji odwrotnej i
powyższych wzorów, możemy łatwo wykazać, że

   oraz    Szczegółowe obliczenia przeprowadzimy w ramach ćwiczeń.

Uwaga 9.21.

Otrzymane wzory warto zestawić i porównać ze wzorami
określającymi pochodne funkcji trygonometrycznych i
cyklometrycznych.



[Edytuj]Twierdzenie Rolle'a. Punkty krytyczne
Niech będzie niepustym podzbiorem zbioru liczb
rzeczywistych i niech . Oznaczmy przez
odległość punktów .
Definicja 9.22.


Mówimy, że funkcja
osiąga maksimum lokalne (odpowiednio: minimum lokalne)
w punkcie , jeśli istnieje pewne otoczenie punktu ,
w którym wartości funkcji są nie większe (odpowiednio: nie
mniejsze) od wartości funkcji w punkcie , to znaczy


odpowiednio: Jeśli ponadto w pewnym sąsiedztwie punktu funkcja przyjmuje wartości mniejsze (odpowiednio: większe) od wartości funkcji w punkcie , co zapisujemy:

odpowiednio:
to mówimy, że funkcja osiąga silne (ścisłe) maksimum lokalne (odpowiednio: silne (ścisłe) minimum lokalne) w punkcie . Jeśli (odpowiednio: ) - to znaczy: jeśli w punkcie funkcja osiąga kres górny wartości (odpowiednio: kres dolny wartości) w zbiorze , to mówimy, że funkcja osiąga w punkcie maksimum globalne (odpowiednio: minimum globalne). Minima i maksima lokalne (odpowiednio: minima i maksima globalne) nazywamy też krótko ekstremami lokalnymi (odpowiednio: ekstremami globalnymi) funkcji.


Przykład 9.23.


Funkcja zawężona do
przedziału osiąga minimum lokalne w punkcie
równe . Funkcja ta osiąga dwa maksima lokalne w punktach
oraz równe odpowiednio: oraz .
Kresem górnym wartości funkcji w przedziale jest
liczba 4, stąd w punkcie funkcja osiąga maksimum
globalne. Kresem dolnym wartości funkcji jest liczba zero,
stąd w funkcja osiąga minimum globalne.
Z kolei zawężona do przedziału lewostronnie otwartego
osiąga minimum globalne w punkcie , a w punkcie
osiąga maksimum globalne. Nie osiąga ekstremum w punkcie
, gdyż nie jest określona w tym punkcie.
Zawężenie funkcji do przedziału obustronnie otwartego
osiąga minimum globalne w punkcie i jest to jedyne
ekstremum tej funkcji. W przedziale nie osiąga bowiem
maksimum. Kres górny zbioru wartości funkcji w przedziale
wynosi , kres ten nie jest realizowany przez żadną
wartość funkcji, to znaczy nie istnieje argument
taki, że .


Wykażemy teraz twierdzenie stanowiące warunek konieczny
istnienia ekstremum funkcji w punkcie, w którym jest ona
różniczkowalna.
Niech będzie funkcją określoną w pewnym
otoczeniu punktu .


Twierdzenie 9.24.


Jeśli funkcja osiąga ekstremum w punkcie i jest różniczkowalna w punkcie , to pochodna .

Dowód 9.24.


Załóżmy, że w punkcie funkcja osiąga maksimum lokalne. Wobec tego istnieje liczba taka, że dla mamy



natomiast dla mamy



Wobec istnienia pochodnej , istnieją granice powyższych ilorazów różnicowych

oraz

i muszą być równe. Stąd . W przypadku, gdy w punkcie funkcja osiąga minimum, rozumowanie przebiega podobnie.


Zwróćmy uwagę, że w twierdzeniu nie zakładaliśmy ciągłości
funkcji w otoczeniu punktu . Pamiętamy, że z faktu
istnienia pochodnej wynika ciągłość funkcji w
punkcie .



Rysunek do twierdzenia 9.25.


Twierdzenie 9.25. [twierdzenie Rolle'a]

Niech będzie funkcją ciągłą w przedziale domkniętym i różniczkowalną wewnątrz tego przedziału. Jeśli na końcach przedziału funkcja przyjmuje równe wartości , to istnieje punkt , w którym zeruje się pochodna funkcji .

Dowód 9.25.


Jeśli funkcja jest stała, to w każdym punkcie mamy . Jeśli natomiast nie jest stała, to z
twierdzenia Weierstrassa o osiąganiu kresów przez funkcję ciągłą
na zbiorze zwartym wynika, że w pewnym punkcie
funkcja osiąga kres górny lub kres dolny. Na podstawie
poprzedniego twierdzenia pochodna w tym punkcie zeruje się, tj.
.


Twierdzenie Rolle'a (zgodnie z interpretacją geometryczną
pochodnej) orzeka, że jeśli funkcja różniczkowalna w
przedziale przyjmuje na końcach przedziału (w
którym jest ciągła) tę samą wartość, to między punktami i
da się znaleźć punkt taki, że styczna do wykresu funkcji
w punkcie jest pozioma, tj. równoległa do osi
rzędnych.
Twierdzenie Rolle'a wymaga założenia o ciągłości funkcji w przedziale domkniętym i różniczkowalności we wszystkich punktach przedziału .



Rysunek do przykładu 9.26.

Przykład 9.26.


Funkcja



jest określona na przedziale domkniętym i
jest różniczkowalna wewnątrz tego przedziału, gdyż




Stąd w żadnym punkcie przedziału pochodna nie zeruje się, mimo że na końcach tego przedziału funkcja przyjmuje takie same wartości: . Twierdzenie Rolle'a nie zachodzi w tym przypadku, funkcja nie jest bowiem ciągła w punkcie .
Przykład 9.27.


Funkcja jest ciągła w
przedziale i na jego końcach osiąga równe wartości. Jest
także różniczkowalna we wnętrzu tego przedziału z wyjątkiem tylko
jednego punktu , w którym nie istnieje pochodna .
Twierdzenia Rolle'a również w tym przypadku nie stosuje się, gdyż
- jak pamiętamy - dla mamy



a więc nie ma w zbiorze takiego punktu, w którym zerowałaby się pochodna .


W szczególności nie istnieje styczna do wykresu funkcji
w punkcie .
Dziedzina pochodnej jest zawsze podzbiorem
dziedziny funkcji . Z twierdzenia 9.24.
wynika, że jeśli funkcja osiąga ekstremum w punkcie , to . Jednak funkcja może osiągać również
ekstrema w tych punktach, w których nie istnieje pochodna, tzn. w
punktach zbioru .
Definicja 9.28.


Niech . Mówimy, że
punkt jest punktem krytycznym funkcji ,
jeśli funkcja nie jest różniczkowalna w punkcie albo jest
w tym punkcie różniczkowalna i pochodna . Zbiór punktów


nazywamy zbiorem punktów krytycznych funkcji .
Wiemy (zob. przykład 9.4.), że funkcja
może nie być różniczkowalna w kilku punktach, a nawet w żadnym punkcie
swojej dziedziny, mimo że jest ciągła. Badając przebieg zmienności
funkcji, nie możemy więc zawężać poszukiwania punktów ekstremalnych
wyłącznie do tych punktów, w których funkcja jest różniczkowalna.
Uwaga 9.29.

Jeśli funkcja osiąga ekstremum w
pewnym punkcie, to punkt ten jest jej punktem krytycznym.


Dowód 9.29.


Funkcja może osiągać ekstremum w punkcie, który należy
do dziedziny pochodnej albo do różnicy dziedziny funkcji
i dziedziny jej pochodnej . W przypadku,
gdy , na mocy twierdzenia 9.24. mamy

, punkt jest więc krytyczny. Z kolei, jeśli , to punkt jest krytyczny, z definicji 9.28..

Zauważmy, że powyższa uwaga doprecyzowywuje warunek konieczny istnienia ekstremum zawarty w twierdzeniu 9.24. w przypadku, gdy funkcja nie jest
różniczkowalna w punkcie, w którym osiąga ekstremum. Co więcej,
funkcja może osiągać ekstremum w punkcie, w którym nie jest
nawet ciągła (zob. przykład poniżej). Punkt taki - na mocy uwagi
uwagi 9.2. - należy do zbioru ,
jest więc krytyczny.



Rysunek do przykładu 9.30.



Rysunek do przykładu 9.32.

Przykład 9.30.


a) Funkcja określona jest w
zbiorze , a różniczkowalna w . Jedynym punktem krytycznym jest punkt , w którym osiąga minimum.
b) Funkcja


różni się od poprzedniej funkcji jedynie wartością w zerze, nie jest w tym punkcie ciągła. Pochodna nie zeruje się w żadnym punkcie swojej dziedziny . Jedynym punktem krytycznym funkcji jest więc zero, w którym funkcja ta osiąga silne maksimum lokalne, gdyż dla mamy .


Przykład 9.31.


Funkcja zacieśniona do przedziału domkniętego jest różniczkowalna w przedziale otwartym . W każdym punkcie mamy . Stąd jedynymi punktami krytycznym są punkty , czyli końce przedziału domkniętego. W punkcie funkcja osiąga minimum , a w maksimum .
Przykład 9.32.


Funkcja określona
jest na przedziale domkniętym , a jej pochodna
istnieje w punktach przedziału
otwartego . Pochodna zeruje się w punkcie .
Stąd zbiór punktów krytycznych funkcji składa się z trzech
punktów: . Funkcja osiąga w punkcie
maksimum , a w dwóch pozostałych punktach krytycznych
osiąga minima . Zwróćmy uwagę, że w obu tych
punktach pochodna nie istnieje. Co więcej, granice jednostronne
pochodnej :



są nieskończone.


Przykład 9.33.


Funkcja określona
jest dla . Stąd
Jej pochodna określona jest w sumie
przedziałów otwartych .
Zwróćmy uwagę, że pochodna nie zeruje się w żadnym punkcie swojej
dziedziny. Jednak zbiór punktów krytycznych funkcji zawiera
dwa punkty: oraz , w których funkcja osiąga minima

.
W punktach zbioru funkcja nie musi
osiągać ekstremum, co ilustrują kolejne przykłady.
Przykład 9.34.


Każdy punkt przedziału jest
punktem krytycznym funkcji Dirichleta


gdyż nie jest ona różniczkowalna (ani
nawet ciągła) w żadnym punkcie tego przedziału. Jednak w żadnym punkcie przedziału
(ani w punkcie wymiernym, ani w niewymiernym) funkcja Dirichleta nie
osiąga ekstremum, gdyż w dowolnie małym otoczeniu któregokolwiek punktu
znajdziemy punkty wymierne i niewymierne, w których funkcja przyjmuje
skrajnie różne wartości: albo jeden, albo zero.





Rysunek do przykładu 9.33.



Rysunek do przykładu 9.35.


Przykład 9.35.


Funkcja
określona jest dla wszystkich liczb rzeczywistych, stąd . Jej pochodna


nie zeruje się w żadnym punkcie swojej dziedziny . Funkcja jest nieparzysta, ściśle rosnąca, nie osiąga więc ekstremum w żadnym punkcie swojej dziedziny, również w , mimo że jest to punkt krytyczny tej funkcji.


[Edytuj]Twierdzenie o wartości średniej
Wnioskiem z twierdzenia Rolle'a jest następujące


Twierdzenie 9.36. [twierdzenie Cauchy'ego]


Niech będą funkcjami ciągłymi w przedziale domkniętym
i różniczkowalnymi w przedziale otwartym . Wówczas
istnieje punkt taki, że




Zwróćmy uwagę, że powyższą równość można zapisać w bardziej
przejrzystej postaci (i łatwiejszej do zapamiętania):


o ile oraz . Twierdzenie Cauchy'ego
głosi w tym przypadku, że istnieje wewnątrz przedziału
punkt taki, że stosunek przyrostów wartości funkcji i
między punktami i jest równy stosunkowi pochodnych
tych funkcji w punkcie .
Dowód 9.36.


Rozważmy pomocniczo funkcję
określoną
dla . Funkcja jest ciągła w przedziale domkniętym
, różniczkowalna w przedziale otwartym o pochodnej
równej


Ponadto . Na mocy twierdzenia Rolle'a istnieje więc taki punkt , w którym zeruje się pochodna , skąd wynika teza twierdzenia.



Jako wniosek z twierdzenia Cauchy'ego otrzymujemy


Twierdzenie 9.37. [twierdzenie Lagrange'a]


Jeśli funkcja
jest ciągła w przedziale domkniętym i
różniczkowalna w każdy punkcie przedziału otwartego , to
istnieje punkt taki, że



Dowód 9.37.


Wystarczy w twierdzeniu Cauchy'ego podstawić Wówczas , oraz .


Styczna do wykresu w punkcie (na czerwono)
jest równolegla do siecznej (na zielono)

Twierdzenie Lagrange'a nazywane jest też twierdzeniem o przyrostach (skończonych) lub twierdzeniem o wartości średniej, gdyż tezę twierdzenia można zapisać też następująco:



Innymi słowy: przyrost wartości funkcji odpowiadający
przyrostowi argumentu funkcji od do równy jest iloczynowi
przyrostu argumentu i wartości pochodnej funkcji w
pewnym punkcie pośrednim leżącym między punktami i .
Pamiętamy, że interpretacją geometryczną ilorazu różnicowego
jest współczynnik kierunkowy
siecznej wykresu funkcji przechodzącej przez punkty i . Twierdzenie Lagrange'a orzeka więc, że
między punktami i da się znaleźć taki punkt , że
styczna do wykresu funkcji w punkcie jest
równoległa do siecznej przechodzącej przez punkty i
.
Wnioskiem z twierdzenia Lagrange'a o wartości średniej jest
twierdzenie, które wiąże monotoniczność funkcji ze znakiem
pierwszej pochodnej.


Twierdzenie 9.38.


Niech będzie funkcją różniczkowalną w przedziale
.
a) Jeśli dla wszystkich , to jest
rosnąca w przedziale .
a') Jeśli dla wszystkich , to jest
ściśle rosnąca w przedziale .
b) Jeśli dla wszystkich , to jest stała
w przedziale .
c) Jeśli dla wszystkich , to jest
malejąca w przedziale .
c') Jeśli dla wszystkich , to jest
ściśle malejąca w przedziale .



Dowód 9.38.


Dla dowolnych punktów z przedziału zgodnie
z twierdzeniem Lagrange'a potrafimy wskazać punkt taki, że . Z równości tej
wynikają powyższe implikacje.



Wnioskiem z tego twierdzenia jest warunek wystarczający istnienia ekstremum w przypadku, gdy funkcja jest różniczkowalna.
Wniosek 9.39.


Niech będzie funkcją różniczkowalną w przedziale .
Jeśli w punkcie pochodna funkcji zeruje się (tj.
) oraz zmienia znak, to znaczy
a) jest dodatnia w przedziale i ujemna w ,
b) jest ujemna w przedziale i dodatnia w ,
to funkcja osiąga w punkcie ekstremum, odpowiednio:
a) minimum lokalne,

b) maksimum lokalne.
Dowód 9.39.


a) Na mocy poprzedniego twierdzenia funkcja jest ściśle rosnąca w przedziale i ściśle malejąca w przedziale , osiąga więc maksimum lokalne w punkcie . Dowód w przypadku b) jest podobny.



Zwróćmy uwagę, że nie potrzeba zakładać zerowania się pierwszej pochodnej funkcji w punkcie . Prawdziwy jest więc także
Wniosek 9.40.


Jeśli funkcja ciągła w przedziale jest
różniczkowalna w przedziałach oraz , przy
czym pochodna jest
a) dodatnia w przedziale i ujemna w ,
b) ujemna w przedziale i dodania w ,
to funkcja osiąga w punkcie ekstremum,
odpowiednio:
a) minimum lokalne,

b) maksimum lokalne.
Przykład funkcji , która osiąga minimum w punkcie
, a ma pochodną ujemną dla , a dodatnią dla i
wcale nie ma pochodnej w punkcie , stanowi ilustrację
ostatniego wniosku.
Przykład 9.41.


Pochodna funkcji wynosi



Stąd w przedziale , a w obu przedziałach oraz pochodna jest dodatnia. Na mocy wykazanego twierdzenia, funkcja jest ściśle rosnąca w przedziale , następnie maleje w przedziale i znowu
rośnie w przedziale . Wobec tego w punkcie osiąga maksimum lokalne równe , a w punkcie minimum lokalne równe .






Rysunek do przykładu 9.41.



Rysunek do przykładu 9.42.(a)




Rysunek do przykładu 9.42.(b)

Uwaga 9.42.

Założenie, że pochodna (odpowiednio ,
itd) w każdym punkcie przedziału jest istotne.
a) Rozważmy funkcję: gdzie oznacza część
całkowitą liczby rzeczywistej , czyli największą liczbę
całkowitą nie większą od . Wówczas jest różniczkowalna w
zbiorze (czyli wszędzie poza zbiorem liczb
całkowitych) i w zbiorze tym pochodna , mimo że funkcja
jest rosnąca.
b) Funkcja jest różniczkowalna w zbiorze
i w każdym punkcie tego zbioru jej pochodna
. Jednak funkcja ta nie jest ściśle rosnąca w zbiorze
. Jest natomiast ściśle rosnąca w każdym z
przedziałów postaci , gdzie .


Podane funkcje są ciągłe poza zbiorem liczb całkowitych. Można
jednak skonstruować przykład funkcji ciągłej, rosnącej o zerowej
pochodnej w prawie każdym punkcie, to znaczy w każdym punkcie
przedziału poza punktami trójkowego zbioru Cantora




Przypomnijmy, że zbiór ten rozważaliśmy w ramach pierwszego modułu.

Georg Ferdinand Ludwig Philipp Cantor (1845-1918)Zobacz biografię


Rysunek do przykładu 9.43.

Przykład 9.43.


Niech będzie dowolną liczbą z przedziału zapisaną w systemie trójkowym za pomocą ciągu cyfr . Niech będzie najmniejszą liczbą naturalną, dla której . Innymi słowy: niech będzie pozycją pierwszej jedynki w zapisie trójkowym liczby , licząc od przecinka pozycyjnego w prawo.
Jeśli nie ma takiej liczby, przyjmujemy . Określmy ciąg




za pomocą którego definiujemy funkcję Cantora (zwaną także diabelskimi schodami) wzorem






Łatwo sprawdzić, że , , a na odcinkach, które
usuwamy kolejno z przedziału podczas kolejnych etapów
konstrukcji trójkowego zbioru Cantora, funkcja ta jest stała:












i tak dalej. Można wykazać, że funkcja ta jest ciągła w
każdym punkcie przedziału . Zauważmy, że funkcja Cantora
jest różniczkowalna w każdym punkcie zbioru
(tj. w każdym punkcie przedziału poza punktami trójkowego
zbioru Cantora ). Pochodna funkcji Cantora jest w tych
punktach równa zeru, a mimo to (co nietrudno zauważyć) funkcja

Cantora jest rosnąca (niemalejąca) w przedziale .



Źródło: "http://wazniak.mimuw.edu.pl/index.php?title=Analiza_matematyczna_1/Wyk%C5%82ad_9:_Pochodna_funkcji_jednej_zmiennej"







if (window.isMSIE55) fixalpha();

Nawigacja


Strona główna
Przedmioty
Uczelnie
O nas
MIMINF
MIMMAT





Szukaj



 



Napisz do nas

maruda@mimuw.edu.pl






Tę stronę ostatnio zmodyfikowano o 14:28, 18 wrz 2006; Tę stronę obejrzano 42388 razy; O Wikipedii Disclaimers





_uacct = "UA-321791-4";
urchinTracker();



Wyszukiwarka