Riepilogo
Questa lezione apre l’ultima unità del corso, che passa da ciò che la derivata dice in un punto a ciò che dice in un intervallo. Presenta il percorso dell’unità: il teorema di Weierstrass garantisce che una funzione continua in un intervallo chiuso e limitato assume il suo massimo e il suo minimo; quello di Fermat li localizza dove la derivata si annulla; quelli di Rolle, Lagrange e Cauchy trasformano il segno della derivata in informazione su un intervallo intero, e da essi discendono la regola di de l’Hôpital, la monotonia, i criteri per gli estremi, la concavità, la curvatura, l’ottimizzazione e il metodo di Newton-Raphson. Ricostruisce la storia di questi risultati, dal metodo di Fermat per i massimi fino al teorema di Darboux, in un ordine quasi inverso a quello dell’unità; formula il problema che la percorre, il passaggio dal locale al globale, e mostra con un esempio nei numeri razionali che questo passaggio dipende dalla completezza dei reali. Termina indicando dove si impiegano queste applicazioni in altri corsi del sito e nella scienza e nella tecnica.
Obiettivi di apprendimento
- Descrivere il percorso dell’unità e spiegare che cosa dimostra ogni lezione e di quali risultati già ottenuti si serve.
- Spiegare perché le conclusioni globali su una funzione, come l’esistenza di un massimo, la monotonia o la convergenza di un metodo, richiedono, oltre alla derivata, la completezza dei numeri reali.
- Collocare nel loro contesto storico i risultati dell’unità, dal metodo di Fermat per i massimi fino al teorema di Darboux, e distinguere l’ordine in cui furono scoperti dall’ordine in cui si dimostrano.
- Indicare dove intervengono le applicazioni delle derivate in altri corsi e in applicazioni scientifiche e tecniche.
Valutazione d’ingresso
Prima di percorrere l’unità conviene misurare il punto di partenza. Questa autovalutazione non assegna voti: serve a sapere dove soffermarsi. Le prime nove domande riguardano, nell’ordine, le nove lezioni di contenuto dell’unità, una ciascuna, e misurano la comprensione del loro risultato centrale (che cosa garantisce, sotto quali ipotesi, che cosa non garantisce), non un enunciato da ricordare; le stesse abilità si misurano di nuovo alla fine, nella lezione di sintesi, con altri dati. Le ultime cinque verificano ciò che questa unità dà per acquisito dalle due unità che la precedono: il teorema di Bolzano, il segno della derivata in un punto, la derivata seconda, la derivazione implicita e gli infinitesimi equivalenti.
Prima di iniziare l’unità, misura il tuo punto di partenza. È un’autovalutazione breve: non riceve voto e il risultato resta solo nel tuo browser.
Domanda 1In quale di questi casi il teorema di Weierstrass garantisce che la funzione assume il suo valore massimo nell’insieme indicato?
La funzione è continua e limitata, ma non è un intervallo limitato, e il teorema non si applica. Infatti non c’è massimo: i valori si avvicinano a senza raggiungerlo.L’intervallo non è chiuso: gli manca l’estremo dell’intervallo , dove starebbe il massimo. I valori si avvicinano a senza raggiungerlo.L’intervallo è chiuso e limitato, ma la funzione non è continua in : il suo limite da sinistra è e il suo valore è . I valori si avvicinano a senza raggiungerlo.La funzione è continua, in quanto valore assoluto di un polinomio, e l’intervallo è chiuso e limitato. Il teorema non richiede la derivabilità: non è derivabile in , dove assume il suo minimo, , e assume il suo massimo, , in .Ripassare: Teorema di Weierstrass dei valori estremi
Domanda 2Una funzione è derivabile in , con e per ogni . Che cosa si può garantire su ?
Si è supposto che la derivata valga in tutto l’intervallo; l’ipotesi ne fornisce solo una limitazione. La funzione costante soddisfa le condizioni e vale in .Si è limitato il valore invece dell’incremento: la disuguaglianza del valor medio limita , non . La funzione soddisfa le ipotesi e vale in .Non occorre conoscerla: il teorema del valor medio trasforma una limitazione della derivata in una limitazione dell’incremento, senza sapere in quale punto il coefficiente angolare della tangente uguaglia quello della corda.Per il teorema del valor medio, per qualche di , e : è la disuguaglianza del valor medio. Entrambi i valori estremi sono assunti, con e con , sicché non si può garantire nulla di più.Ripassare: Teoremi di Fermat, Rolle, Lagrange e Cauchy
Domanda 3Calcolare .
La regola di de l’Hôpital afferma che, se il quoziente delle derivate ha limite, quello delle funzioni ha lo stesso limite; se non lo ha, la regola non dice nulla, e il limite può esistere.Questo fattore oscilla, ma è limitato, ed è moltiplicato per , che tende a più rapidamente di .Si è sostituito con , come se fosse un infinitesimo equivalente. L’equivalenza del seno con il suo argomento vale quando l’argomento tende a , e non tende a .Per vicino a , il quoziente è : il primo fattore tende a , e il secondo a , perché . La regola di de l’Hôpital non decide: il quoziente delle derivate, , non ha limite.Ripassare: Regola di de l’Hôpital
Domanda 4È strettamente crescente in la funzione ?
Ciò che impedisce la monotonia stretta non è il numero degli zeri della derivata, ma che essa si annulli su tutto un intervallo; qui gli zeri sono isolati.Una derivata positiva basta per crescere strettamente, ma non è necessaria: è strettamente crescente in e la sua derivata si annulla in .Il coseno oscilla, ma non scende mai più rapidamente di quanto salga: la derivata della somma, , non è mai negativa.La derivata si annulla solo nei punti isolati , con intero. Per la proposizione della monotonia stretta con derivata non negativa, è strettamente crescente in .Ripassare: Monotonia e criterio della derivata prima
Domanda 5Una funzione è continua in e derivabile in ogni punto di tranne che in , e la sua derivata si annulla solo in . Se , , , e , quali sono i suoi valori massimo e minimo assoluti in ?
Si sono dimenticati i punti in cui la funzione non è derivabile, che sono anch’essi punti critici: in la funzione vale .Si sono confrontati solo i valori negli estremi dell’intervallo; gli estremi assoluti possono trovarsi anche nei punti critici interni.I valori nei candidati bastano: la proposizione garantisce che gli estremi assoluti sono assunti in uno di essi, e fornisce tutti i candidati.Per la proposizione degli estremi assoluti in un intervallo chiuso e limitato, essi esistono e sono assunti in , in o in un punto critico: in , dove non c’è derivata, o in , dove essa si annulla. Basta confrontare , , e ; il valore in , che non è un candidato, non interviene.Ripassare: Massimi e minimi di una funzione
Domanda 6Quali sono i punti di flesso di ?
Che si annulli è necessario, ma non sufficiente: occorre che la concavità cambi, e mostra in che può non cambiare.Sono i punti critici, dove la tangente è orizzontale. Un punto di flesso è un punto in cui la concavità cambia, e questo lo decide la derivata seconda, non la prima.Il criterio della derivata terza dà una condizione sufficiente, e quando non si applica non decide nulla. In si applica: , che non è zero.La derivata seconda, , cambia segno in ; in no, perché è negativa da entrambi i lati. Vicino a la funzione è concava da entrambi i lati, e non è un punto di flesso, benché lì si annulli .Ripassare: Concavità, convessità e punti di flesso
Domanda 7Qual è la circonferenza osculatrice al grafico di nel punto ?
Ha la stessa tangente e il raggio corretto, ma si incurva dall’altro lato: il suo centro sta sotto il punto, e poiché , il centro di curvatura sta sopra di esso.Il numero è la curvatura, non il raggio: il raggio di curvatura è il suo reciproco.Si è usato come raggio, con il centro sulla verticale del punto, il che vale solo se la tangente è orizzontale. Qui il coefficiente angolare è , e il fattore non è .Con e , il raggio è , e il centro sta sulla normale, che è la retta , a quella distanza dal punto e dal lato verso cui il grafico si incurva: sopra il punto, perché .Ripassare: Curvatura e raggio di curvatura
Domanda 8Quali sono i punti della parabola più vicini al punto ?
È il punto più basso della parabola, ma non il più vicino a : la sua distanza è , e quella dei punti di ordinata è . Il punto critico di è un massimo locale.Si è scartata la radice negativa come se fosse una lunghezza. È un’ascissa, che può essere negativa, e il punto simmetrico rispetto all’asse verticale si trova alla stessa distanza.La proposizione della distanza di un punto da un grafico garantisce il minimo per una funzione continua in un intervallo che contiene i suoi estremi, come : i punti lontani sono lontani, e il minimo si cerca in un intervallo chiuso e limitato.Basta minimizzare il quadrato della distanza, , che assume il suo minimo in per la proposizione della distanza di un punto da un grafico. La sua derivata, , si annulla in e in , e il valore in questi due, , è minore di .Ripassare: Problemi di ottimizzazione
Domanda 9La funzione è crescente e convessa in , e la sua radice è , vicina a . Che cosa fanno le iterate di Newton-Raphson dal punto iniziale ?
A sinistra della radice, la tangente di una funzione convessa e crescente taglia l’asse a destra della radice, perché sta sotto il grafico. L’approssimazione monotona richiede un punto iniziale in cui sia positiva.Il teorema non si applica da , ma sì da : il corollario mostra che la prima correzione porta al lato giusto.Solo la prima correzione attraversa la radice; da in poi, tutte le iterate restano alla sua destra.In la funzione è negativa: è il lato sbagliato. Per il corollario del punto iniziale dal lato sbagliato, la prima iterata cade dove è positiva, e da essa il teorema della convergenza monotona fornisce iterate che decrescono verso la radice; la seconda è , vicina a .Ripassare: Il metodo di Newton-Raphson
Domanda 10Dalle unità precedentiUna funzione è continua in , con e . Che cosa si può garantire?
Il teorema garantisce l’esistenza, non l’unicità: soddisfa le ipotesi e si annulla in tre punti. Per l’unicità occorre qualcosa di più, per esempio che la funzione sia strettamente monotona.Due valori non decidono la monotonia: fra di essi la funzione può salire e scendere, come .Il punto medio è il primo che la bisezione esamina, ma la radice può trovarsi altrove: soddisfa le ipotesi e si annulla in .È il teorema di Bolzano: una funzione continua in un intervallo chiuso e limitato, con valori di segno opposto negli estremi dell’intervallo, si annulla in qualche punto interno.Ripassare: Teorema dei valori intermedi
Domanda 11Dalle unità precedentiUna funzione è definita in un intervallo aperto che contiene , e . Che cosa si può garantire?
La derivata in un punto non controlla la monotonia attorno: la funzione che vale se e in ha derivata in , e non è crescente in alcun intervallo aperto che contenga .La proposizione è locale: vale solo vicino a . Il seno ha derivata in , e vale in .L’ipotesi parla solo della derivata in : può non essere derivabile nei punti vicini, e anche se lo è, la sua derivata può non essere continua in .È la proposizione del segno della derivata in un punto: il rapporto incrementale conserva vicino a il segno del suo limite. Confronta ogni valore vicino con , non i valori vicini fra loro.Ripassare: Tassi di variazione e tassi di variazione correlati
Domanda 12Dalle unità precedentiCalcolare per .
È , la derivata prima: occorre derivare ancora una volta.Manca la derivata dell’addendo di , che è .Si sono moltiplicate le derivate seconde dei fattori, . La derivata seconda di un prodotto non è il prodotto delle derivate seconde.Per la regola del prodotto, , e derivando di nuovo, ; in il logaritmo si annulla.Ripassare: Derivate di ordine superiore e differenziale
Domanda 13Dalle unità precedentiL’equazione definisce vicino al punto una funzione derivabile , con . Quanto vale ?
Si è derivato come se fosse costante: manca il termine della regola del prodotto.Si è derivato come , senza moltiplicare per : dipende da , e la regola della catena dà .Si è perso il segno nel ricavare l’incognita: da si ottiene .Derivando rispetto a , con la regola del prodotto in e la regola della catena in , si ottiene ; nel punto resta .Ripassare: Derivata della funzione inversa e derivazione implicita
Domanda 14Dalle unità precedentiCalcolare .
Si è preso come equivalente di ; l’equivalente è .È il limite del quoziente inverso: si sono scambiati il numeratore e il denominatore.Questa forma indica solo che il teorema del limite di un quoziente non si applica; il limite può esistere, e qui esiste.Per , e ; sostituendo il numeratore e il denominatore con i loro equivalenti, il quoziente è .Ripassare: Infinitesimi e infiniti equivalenti
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