Valós függvények (3) (Derivált)
. Legyen a belső pontja D f -nek. Ha létezik és véges a f(x) f(a) x a x a = f (a) () határérték, akkor f differenciálható a-ban. Az f (a) szám az f a-beli differenciálhányadosa. 2. Ha minden olyan D f -beli a-hoz, ahol f differenciálható, hozzárendeljük a differenciálhányados f (a) értékét, akkor egy új függvényt definiáltunk, ez az f derivált függvénye vagy deriváltja, amit f -vel jelölünk. 3. Ha az f függvény differenciálható a-ban, akkor folytonos is a-ban. 4. Egy függvény differenciálhatósága azt jelenti, hogy a függvény nem változik túl hirtelen, a függvény grafikonja sima. Először arra fogunk törekedni, hogy minél több függvény derivált függvényét meghatározzuk. A derivált függvény nagyon hatékony eszköz a fő cél, az eredeti függvény tulajdonságainak felderítésében.
5. Feladat Határozzuk meg az f(x) =, D x f = (, 0) (0, + ) függvény derivált függvényét. Megoldás: Először egy konkrét a 0 helyen számoljuk ki a differenciálhányados értékét. Legyen pl. a = 3. Ekkor f(x) f(a) x a x a = x 3 x 3 x 3 = x 3 3 x 3x x 3 = x 3 (x 3) 3x(x 3) = = x 3 3x = 3 = 2 9. De ez a számolás tetszőleges a 0 számra ugyanígy megismételhető: f(x) f(a) x a x a = x a x a x a = x a a x ax x a = x a (x a) ax(x a) = = x a ax = a 2, ami persze minden nullától különböző a-ra egy véges érték. Tehát f a D f minden pontjában differenciálható, f (x) = és D x 2 f = D f = (, 0) (0, + ). First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit
6. Az elemi függvények deriváltjai az efv2.pdf fájlban megtalálhatók. Ezek az úgynevezett alapderiváltak. Minden általunk vizsgált függvény az elemi függvényekből épül fel a különböző függvényműveletek segítségével. Ezért van az elemi függvények olyan nagy jelentőségük. Ahhoz, hogy az elemi függvényekből felépülő bonyolult függvények deriváltjait el tudjuk készíteni szükségünk lesz arra, hogy mi a kapcsolat a függvényműveletek és a deriválás között, azaz hogyan kell összeget, szorzatot, törtet, stb. deriválni, ha a tagok, tényzők stb. deriváltjait ismerjük. Ezeket adják meg a deriválási szabályok. A továbbiakban az alapderiváltak és a deriválási szabályok biztos ismerete elengedhetetlen lesz!
7. Tegyük fel, hogy f és g differenciálható x-ben. Ekkor f + g, f g és f is differenciálható x-ben és g (f(x) + g(x)) = f (x) + g (x), (2) (f(x) g(x)) = f (x) g(x) + f(x) g (x), (3) ( ) f(x) = f (x) g(x) f(x) g (x), ha g(x) 0. (4) g(x) g 2 (x) A (3) és (2) deriválási szabályokból következik, hogy az előbbi feltételek mellett (f(x) g(x)) = f (x) g (x), (5) (c f(x)) = c f (x), ahol c R tetszőleges. (6) Ha f differenciálható x-ben és g differenciálható f(x)-ben, akkor a h = g f összetett függvény is differenciálható x-ben, és h (x) = (g(f(x))) = g (f(x)) f (x). (7) First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit
8. Feladat 2 Határozzuk meg az f(x) = 2 cos x 3 ln x függvény derivált függvényét. Megoldás: Az ilyen szövegezésű feladatokban csak a derivált függvény képletének a meghatározása a cél, a derivált függvény értelmezési tartományának meghatározásától eltekintünk. Ez egyébbként leggyakrabban a két formula - az eredeti függvény képlete, és a derivált függvény képlete - lehetséges legbővebb értelmezési tartományainak metszete. Az f függvény egy különbség, amit az (5) deriválási szabály szerint tagonként deriválhatunk: f (x) = (2 cos x) (3 ln x). A (6) deriválási szabály szerint deriváláskor a konstans szorzó kiemelhető, tehát f (x) = (2 cos x) (3 ln x) = 2(cos x) 3(ln x). Az utóbbi formulában csak alapderiváltak szerepelnek, amelyeket ismerünk. Így f (x) = 2 sin x 3 x.
9. Feladat 3 Határozzuk meg az f(x) = x arctg x függvény derivált függvényét. Megoldás: Ez a függvény egy szorzat függvény. A (3) deriválási szabály alapján f (x) = ( x) arctg x + x (arctg x). Deriváláskor a gyökvonást célszerű hatványozásként felfogni, azaz ( f (x) = x 2) arctg x + x (arctg x). Ebben a képletben már csak alapderiváltak szerepelnek, tehát f (x) = 2 x 2 arctg x + x + x 2 = = arctg x 2 x + x + x 2. Nagyon gyakran előfordul, ezért érdemes külön is megjegyezni, hogy ( x) = 2 x.
0. Feladat 4 Határozzuk meg az f(x) = lg x függvény derivált függvényét. tg x Megoldás: Mivel a függvény egy törtfüggvény, a (4) deriválási szabályt kell alkalmazni. f (x) = (lg x) tg x lg x (tg x) (tg x) 2 = tg x lg x x ln 0 cos 2 x. (tg x) 2 A legutolsó törtet persze lehetne egyszerűsíteni, pl. úgy, hogy eltüntetjük az emeletes törtet. Amikor csak a derivált függvény meghatározása a cél, nem fogjuk a lehetséges egyszerűsítéseket elvégezni.
. Feladat 5 Határozzuk meg a h(t) = cos(t 2 +3t ) függvény derivált függvényét. Megoldás: A függvények argumentumát nem csak x-el jelölhetjük, attól, hogy milyen szimbólumot használunk a deriválási szabályok persze nem függnek. Most egy összetett fügvénnyel van dolgunk, h = g f, ha f(t) = t 2 + 3t, és g(t) = cos t. Mivel a (7) deriválási szabály alapján f (t) = 2t + 3, g (t) = sin t, h (t) = (g(f(t))) = g (f(t)) f (t) = = sin(t 2 + 3t ) (2t + 3).
2. Feladat 6 Határozzuk meg az f(x) = x3 arctg (2x + ) függvény derivált + sh (2x) x függvényét. Megoldás: Természetesen az a leggyakoribb, hogy egy feladaton belül több deriválási szabályt is alkalmazni kell. f (x) = (x3 arctg(2x + )) [ x + sh(2x)] x 3 arctg(2x + ) ( x + sh(2x)) [ x + sh(2x)] = 2 = = [ (x 3 ) arctg(2x + ) + x 3 (arctg(2x + )) ] [ x + sh(2x)] x 3 arctg(2x + ) ( x + sh(2x)) [ x + sh(2x)] = 2 [ 3x 2 arctg(2x + ) + x 3 2 +(2x+) 2 ] [ x + sh(2x)] x 3 arctg(2x + ) [ x 2 + 2ch(2x) ] [ x + sh(2x)] 2.
3. Ha f folytonos az [a, b] zárt intervallumon és differenciálható az (a, b) nyílt intervallumon, továbbá f(a) = f(b), akkor van olyan c (a, b), hogy f (c) = 0. (Rolle tétel.) Ha f folytonos az [a, b] zárt intervallumon és differenciálható az (a, b) nyílt intervallumon, akkor van olyan c (a, b), hogy f (c) = f(b) f(a). b a (Lagrange középértéktétel.) Ha f és g folytonos az [a, b] zárt intervallumon és differenciálható az (a, b) nyílt intervallumon, g -nek nincs zérushelye (a, b)-ben, akkor van olyan c (a, b), hogy f (c). (Chauchy középértéktétel.) = f(b) f(a) g (c) g(b) g(a) 4. Ha az f függvény differenciálható a-ban és az f függvény is differenciálható a-ban, akkor f kétszer differenciálható a-ban. Ilyenkor f a (x) f (a) = f (a) véges határértéket az f a-beli másodrendű x a x a differenciálhányadosának hívjuk. f másodrendű derivált függvénye vagy második deriváltja az a függvény, amely azokra az x-ekre van értelmezve, ahol f kétszer differenciálható, és minden ilyen x-hez az f x-beli másodrendű differenciálhányadosát rendeli. Ezt a függvényt f jelöli.
5. Feladat 7 Határozzuk meg az f(x) = xe x függvény második deriváltját. Megoldás: f mindenütt deriválható és f is mindenütt deriválható és f (x) = e x + xe x. f (x) = (f (x)) = e x + e x + xe x = 2e x + xe x. 6. Legyen f differenciálható az a helyen. Ekkor f grafikonjához az (a, f(a)) koordinátájú pontban húzható érintő egyenes egyenlete a formulából határozható meg. A y f(a) x a = f (a) (8) g(x) = f (a)(x a) + f(a) (9) lineáris függvényt az f a-beli linarizáltjának hívjuk. Ennek legfontosabb tulajdonsága, hogy az érintési pont közelében nagyon jól közelíti f-et. First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit
7. Feladat 8 Írjuk fel az f(x) = x 2 x függvény a = -beli érintőjének egyenletét. 4 Megoldás: Az f függvény minden pozitív a-ra differenciálható. ) Kiszámoljuk a (8) formulában szereplő számokat. f(a) = f 6 2 = 7 6. f (x) = 2x 2 x, f (a) = f Ezután behelyettesíthetünk a (8) képletbe: y f(a) x a ( ) 4 = f (a), = 2 2 2 ( 4 = 2. = y + 7 6 x 4 = 2, y + 7 6 = x 4 2 = x 2 + 8, y = x 2 5 6. First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit
8. Feladat 9 Alkalmas linearizáltat használva számoljuk ki közelítően ln(0.97) értékét. Megoldás: Mivel 0.97 közel van -hez, az f(x) = ln x függvény -beli linearizáltját fogjuk felhasználni a közelítő érték kiszámolására. f() = 0, f (x) = x, f () =. Az -beli linearizált tehát a (9) formula alapján g(x) = f ()(x ) + f() = x. Ennek helyettesítési értéke 0.97-ben g(0.97) = 0.03. Ezt fogadjuk el ln(0.97) közelítésének: ln(0.97) 0.03. Kalkulátorral számolva ln(0.97) 0.03045920748, ami azt mutatja, hogy a közelítésünk elég jó volt.
9. Tegyük fel, hogy f és g differenciálható az (a, p) (p, b) halmazon, ahol a < b, g-nek és g -nek nincs gyöke ebben a halmazban. Tegyük fel, hogy vagy f(x) = g(x) = 0, x p x p f(x) = ± és g(x) = ±, (0) x p x p ahol p lehet p, p+ vagy p is. Ha L R {, }, és f (x) x p g (x) f(x) = L, akkor x p g(x) = L. () A tétel p = ± esetén is érvényes, azzal a különbséggel, hogy ekkor g-nek és g -nek a megfelelő végtelen egy környezetében ne legyen gyöke. Ez a l Hospital szabály. Fontos, hogy a l Hospital szabályt csak 0 vagy ± típusú eszek 0 ± kiszámolására használjuk, különben hibás eredményt kapunk.
20. Feladat 0 ln(+x) Számítsuk ki a határértéket. x 0 sin x Megoldás: A esz 0 típusú, és teljesülnek a l Hospital szabály alkalmazhatóságának feltételei. A deriváltak hányadosának 0 esze (ln( + x)) x 0 (sin x) Tehát a l Hospital szabály alapján = x 0 +x cos x = = x 0 ( + x) cos x =. ln( + x) x 0 sin x =.
2. Feladat x ln x Számítsuk ki a határértéket. x + x+ln x Megoldás: A esz ± típusú, és teljesülnek a l Hospital szabály alkalmazhatóságának feltételei. A deriváltak hányadosának esze ± most x + (x ln x) (x + ln x) = x + tehát a l Hospital szabály alapján x + ln x + + x x ln x x + ln x = +. = +,
22. Feladat 2 e Számítsuk ki a x x határértéket. x 0 x 2 Megoldás: A esz 0 típusú, és teljesülnek a l Hospital szabály alkalmazhatóságának feltételei. Tekintjük a deriváltak hányadosának 0 eszét: (e x x) e x = x 0 (x 2 ) x 0 2x. Ez még mindig 0 típusú, és erre a eszre is teljesülnek a 0 l Hospital szabály alkalmazhatóságának feltételei, tehát azt alkalmazzuk a kiszámolására, azaz ismét vesszük a deriváltak hányadosának eszét: (e x ) x 0 (2x) e x = x 0 2 = 2. Így kétszer alkalmazva a l Hospital szabályt x 0 e x x x 2 = 2.
23. Feladat 3 Számítsuk ki a tgx ln x határértéket. x 0+ Megoldás: A esz 0 ± típusú. Hogy alkalmazhassuk a l Hospital szabályt, felírjuk a törtet szorzatként. Erre két lehetőség is van, és általában csak az egyik vezet eredményre. Sajnos nem lehet szigorú szabályt megfogalmazni arra, hogy melyik átírás vezet célhoz. Meg kell próbálni a deriválás szempontjából egyszerűbbnek tűnőt, de ha a deriváltak hányadosának a esze az eredetinél is komplikáltabb, akkor a másik átírás vezet célhoz. Tekintsük most a következő átírást: tgx ln x = x 0+ x 0+ ln x tgx ln x = x 0+ ctgx. Ez egy ± típusú esz, és teljesülnek a l Hospital szabály alkalmazhatóságának feltételei. ± (ln x) ( ) x 0+ (ctgx) = x sin x = ( sin x) = 0. x 0+ x 0+ x } {{ } sin 2 x } {{ } 0 Ezért x 0+ tgx ln x = 0. First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit
24. Feladat 4 ( ) Számítsuk ki a határértéket. x 0 x e x Megoldás: Az x és az e x azonos előjelű mennyiség minden x-re, itt tehát azonos előjelű végtelenek különbégéről van szó, akárhogy tart is az x nullába. Most azonban ezt a ± ( ± ) típusú különbséget könnyen átírhatjuk tört alakba: e = x x. Ez a esz x 0 x e x x 0 x(e x ) típusú, és teljesülnek rá a l Hospital szabály alkalmazhatóságának 0 0 feltételei. (e x x) x 0 (x(e x )) = x 0 e x e x + xe x. Ez még mindig 0 típusú, és teljesülnek rá a l Hospital szabály alkalmazhatóságának feltételei, tehát tekintjük a deriváltak hányadosának 0 eszét: (e x ) x 0 (e x + xe x ) = x 0 ) Ezért x 0 ( x e x = 2. e x e x + e x + xe x = 2.
25. Feladat 5 Számítsuk ki a (x x + ln(x2 + )) határértéket. Megoldás: A esz ± ± típusú, és mivel nem törtek különbségéről van szó, nem nyilvánvaló, hogy hogyan alakítsuk át úgy a különbséget, hogy a l Hospital szabály alkalmazható legyen. Ilyenkor általában az vezet célhoz, ha kiemeljük azt a tagot, amelyik a leggyorsabban tart a végtelenbe, ez a tag most az x. (Az ln(x 2 + ) nagy x-re lényegében 2 ln x, az ln x grafikonja egyre laposabb, egyre jobban elhajlik az x grafikonjától.) Ez alapján tekintsük az alábbi átírást: (x x + ln(x2 + )) = x x + ( ln(x2 + ) x Mivel tejlesülnek az alkalmazhatóság feltételei, kiszámoljuk a l Hospital ln(x szabály segítségével a 2 +) eszt. x + x (ln(x 2 + )) = x + (x) x + 2x x 2 + ) = 0, tehát (x x + ln(x2 + )) = x ln(x2 + ) = +. x + } {{ x } 0. First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit
26. Feladat 6 Számítsuk ki a (e x + x) x határértéket. x 0+ Megoldás: A esz + típusú. Az ilyen hatvány alakú eszeket úgy lehet kezelni, hogy először kiszámoljuk az eredeti hatvány természetes alapú logaritmusának a eszét. Ha az A, akkor az eredeti esz e A, ha az +, akkor az eredeti is annyi, végül, ha az, akkor az eredeti esz nulla. ( Most tehát ) tekintjük a ln (e x + x) x = x 0+ x 0+ x ln(ex ln(e + x) = x +x) eszt. x 0+ x Ez 0 típusú, és a l Hospital szabály alkalmazható. 0 x 0+ (ln(e x + x)) (x) = x 0+ e x + e x +x = 2. Az eredeti esz természetes alapú logaritmusa tehát 2, ezért az eredeti esz e 2, vagyis x 0+ (ex + x) x = e 2.