Похідна: означення, таблиця, правила

Похідна вимірює швидкість зміни функції. Для графіка це нахил дотичної, для руху — миттєва швидкість, для будь-якого процесу — темп його зростання чи спадання. На НМТ похідну майже завжди рахують за таблицею й правилами, тому технічна вправність тут важливіша за розуміння границь. Але саме розуміння геометричного змісту дозволяє перевіряти відповідь і не робити грубих помилок.

Означення

Похідною функції ff у точці xx називають границю відношення приросту функції до приросту аргументу, коли той прямує до нуля:

f(x)=limΔx0f(x+Δx)f(x)Δx.f'(x) = \lim_{\Delta x \to 0}\dfrac{f(x+\Delta x) - f(x)}{\Delta x}.

Процес знаходження похідної називають диференціюванням.

Дріб під границею — це середня швидкість зміни на відрізку завдовжки Δx\Delta x. Спрямовуючи Δx\Delta x до нуля, ми переходимо від середньої швидкості до миттєвої. Ця сама конструкція геометрично перетворює січну на дотичну.

Геометричний зміст

Похідна f(x0)f'(x_0) дорівнює кутовому коефіцієнту дотичної до графіка функції в точці x0x_0 — тобто тангенсу кута нахилу дотичної. Рухай точку дотику й стеж за нахилом:

Звідси випливає надійна перевірка результату: там, де функція зростає, похідна додатна, де спадає — від'ємна, а в точках «вершин» дорівнює нулю. Якщо для параболи y=x2y = x^2 ти дістав від'ємну похідну при x>0x > 0, десь є помилка.

Таблиця похідних

Похідні елементарних функцій варто знати напам'ять. Скористайся режимом самоперевірки:

Правила диференціювання

Нехай u=u(x)u = u(x), v=v(x)v = v(x) — функції, kk — стала. Кожне правило — окремим рядком:

ПравилоФормулаСловами
Сталий множник(ku)=ku(k\,u)' = k\,u'число «виноситься» за похідну
Сума / різниця(u±v)=u±v(u \pm v)' = u' \pm v'диференціюємо почленно
Добуток(uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv'«перша штрих на другу плюс перша на другу штрих»
Частка(uv)=uvuvv2\left(\dfrac{u}{v}\right)' = \dfrac{u'v - uv'}{v^2}у чисельнику мінус, знизу — квадрат знаменника

Найчастіше на НМТ трапляються степенева формула й правила для суми та сталого множника. Наприклад:

(3x45x2+7)=34x352x+0=12x310x.\left(3x^4 - 5x^2 + 7\right)' = 3\cdot4x^3 - 5\cdot2x + 0 = 12x^3 - 10x.

Похідна многочлена — почленно

Диференціюй кожен доданок окремо: (xn)=nxn1(x^n)' = n x^{n-1}, похідна сталого множника виноситься, а похідна вільного члена (сталої) дорівнює нулю.

Зверни увагу на важливу асиметрію: сума й різниця диференціюються почленно, а добуток і частка — ні. Записи (uv)=uv(uv)' = u'v' чи (uv)=uv\left(\dfrac{u}{v}\right)' = \dfrac{u'}{v'} — груба помилка. Перевір на числах: (xx)=(x2)=2x(x \cdot x)' = (x^2)' = 2x, тоді як xx=1x' \cdot x' = 1.

Приклад 1 — похідна многочлена в точці

Знайдемо f(2)f'(2) для f(x)=x34x2+5x1f(x) = x^3 - 4x^2 + 5x - 1.

  1. Диференціюємо почленно: f(x)=3x28x+5f'(x) = 3x^2 - 8x + 5;
  2. підставляємо x=2x = 2: 3482+53\cdot4 - 8\cdot2 + 5;
  3. рахуємо: 1216+5=112 - 16 + 5 = 1.

Відповідь: f(2)=1f'(2) = 1. Змістовно це означає, що в точці x=2x = 2 дотична до графіка має нахил 11, тобто утворює з віссю OxOx кут 45°45°.

Приклад 2 — правило добутку

Знайдемо похідну функції f(x)=(2x+1)(x23)f(x) = (2x + 1)(x^2 - 3).

Спосіб 1 — за правилом добутку. Тут u=2x+1u = 2x+1, v=x23v = x^2 - 3, отже u=2u' = 2, v=2xv' = 2x:

f(x)=2(x23)+(2x+1)2x=2x26+4x2+2x=6x2+2x6f'(x) = 2(x^2 - 3) + (2x+1)\cdot 2x = 2x^2 - 6 + 4x^2 + 2x = 6x^2 + 2x - 6.

Спосіб 2 — розкрити дужки заздалегідь. f(x)=2x3+x26x3f(x) = 2x^3 + x^2 - 6x - 3, звідки f(x)=6x2+2x6f'(x) = 6x^2 + 2x - 6 — той самий результат.

Для многочленів другий спосіб зазвичай швидший і надійніший, тож правило добутку приберігай для випадків, коли розкрити дужки не вийде.

Рівняння дотичної

Дотична до графіка y=f(x)y=f(x) у точці з абсцисою x0x_0 має рівняння:

y=f(x0)+f(x0)(xx0).y = f(x_0) + f'(x_0)\,(x - x_0).

Її кутовий коефіцієнт дорівнює f(x0)f'(x_0). Наприклад, для f(x)=x2f(x)=x^2 у точці x0=3x_0=3: f(3)=6f'(3)=6, f(3)=9f(3)=9, тож дотична — y=9+6(x3)=6x9y = 9 + 6(x-3) = 6x - 9.

Порядок дій тут завжди однаковий: обчислити f(x0)f(x_0), обчислити f(x0)f'(x_0), підставити у формулу. Найчастіша помилка — підставити у формулу саму функцію f(x)f(x) замість числа f(x0)f(x_0).

Типові помилки

  • Диференціюють добуток почленно. (uv)uv(uv)' \ne u'v'.
  • Забувають, що похідна сталої дорівнює нулю — або, навпаки, «диференціюють» сталу в одиницю.
  • Помиляються в степеневій формулі. (xn)=nxn1(x^n)' = nx^{n-1}: показник стає множником і зменшується на одиницю.
  • Плутають f(x)f'(x) і f(x0)f'(x_0). Перше — функція, друге — число.
  • Втрачають мінус у правилі частки. У чисельнику саме uvuvu'v - uv', і порядок доданків тут важливий.

Перевір себе

Порада щодо вводу

Вираз-відповідь вводь як 12*x^3 - 10*x (зірочку можна пропускати: 12x^3-10x). Перевірка приймає будь-який еквівалентний за значенням запис і будь-який порядок доданків.

Розібрані приклади

Так виглядають задачі цієї теми в тренажері. Тут вони розібрані повністю — у самому тренажері числа в умові щоразу нові, а розв’язання відкривається після вашої відповіді.

  1. Приклад 1. Похідна степеня

    Знайдіть похідну (6x2) \left(6x^{2}\right)'

    Відповідь: 12x12*x

    Розв'язання: (6x2)=62x1=12x\left(6x^{2}\right)' = 6\cdot2\,x^{1} = 12x
  2. Приклад 2. Похідна многочлена

    Знайдіть похідну (x3+2x2+3x6) \left(x^{3} + 2x^{2} + 3x - 6\right)'

    Відповідь: 3x2+4x+33*x^2 + 4*x + 3

    Розв'язання: Почленно: 3x2+4x+3 3x^{2} + 4x + 3
  3. Приклад 3. Похідна в точці

    Задано f(x)=x22x2. f(x) = x^{2} - 2x - 2. Знайдіть f(3). f'(3).

    Відповідь: 44

    Розв'язання: f(x)=2x2; f(3)=4f'(x) = 2x - 2; \ f'(3) = 4