Riepilogo
Questa lezione apre l’unità sulle derivate. Presenta il percorso dell’unità, che definisce la derivata come il limite del rapporto incrementale, la scrive come una fattorizzazione con un fattore continuo, quella di Carathéodory, e ne ricava, senza mai dividere per quantità che possono annullarsi, le regole di derivazione, la regola della catena e la derivata della funzione inversa, fino ad arrivare alle derivate di ordine superiore, al differenziale e ai tassi di variazione. Ricostruisce la storia della derivata, dal metodo di Fermat per le tangenti fino alla definizione di Cauchy, passando per le flussioni di Newton, la notazione di Leibniz, la critica di Berkeley e il programma di Lagrange, che diede alla derivata il nome e la notazione; formula il problema che le diede origine, la tangente a una curva qualsiasi e la velocità in un istante, e mostra con un esempio come la fattorizzazione sostituisca la divisione per un incremento nullo. Termina indicando dove si usano le derivate nell’unità seguente, in altri corsi del sito e nella scienza e nella tecnica.
Obiettivi di apprendimento
- Descrivere il percorso dell’unità e spiegare che cosa dimostra ciascuna lezione e di quali risultati anteriori si serve.
- Spiegare perché la tangente a una curva qualsiasi e la velocità istantanea esigono di definire la derivata come un limite, e perché la fattorizzazione di Carathéodory permette di dimostrare le regole senza dividere per quantità che possono annullarsi.
- Collocare nel loro contesto storico le tappe della nozione di derivata, dal metodo di Fermat fino alla definizione di Cauchy, e individuare il problema o la critica che ha dato impulso a ciascuna.
- Indicare dove intervengono le derivate nell’unità seguente, 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 un’abilità di calcolo o di ragionamento, 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 dall’unità che precede e da Algebra e Geometria I e II: un limite trigonometrico, un limite notevole dell’esponenziale, l’ piccolo, la funzione inversa e il coseno dell’arcoseno.
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 1La funzione è definita in . A partire dalla definizione di derivata, qual è la retta tangente al suo grafico nel punto ?
È la retta normale, non la tangente: il suo coefficiente angolare, , la rende perpendicolare alla tangente.Il coefficiente angolare è corretto, ma la retta non passa per il punto: la tangente è , e si è omesso .Si è perso il segno nella sottrazione: , che è negativo per piccolo. La funzione decresce vicino a , e il coefficiente angolare è negativo.Per vicino a , il rapporto incrementale è , che tende a ; quindi , e la tangente è la retta che passa per con quel coefficiente angolare.Ripassare: La derivata come limite di una funzione
Domanda 2Calcolare la derivata di in .
Si sono derivati separatamente il numeratore e il denominatore, , come se la derivata di un quoziente fosse il quoziente delle derivate. Non lo è: la regola del quoziente ha due termini e il quadrato del denominatore.Si è scambiato l’ordine della sottrazione al numeratore. La regola è : prima la derivata del numeratore per il denominatore.Manca l’elevamento al quadrato del denominatore: in vale , e il suo quadrato è .Per la regola del quoziente, .Ripassare: Regole di derivazione
Domanda 3Calcolare la derivata di in .
Si è preso come derivata del coseno. La derivata del coseno è , e i due termini si cancellano in .Si sono moltiplicate le derivate dei due fattori, . La derivata di un prodotto non è il prodotto delle derivate: manca il termine .Si è derivato solo l’esponenziale, come se il coseno fosse costante. È il primo termine della regola del prodotto; manca il secondo, .Per la regola del prodotto e le derivate dell’esponenziale e del coseno, , e in il seno e il coseno sono uguali. La tangente al grafico in quel punto è orizzontale.Ripassare: Derivate delle funzioni elementari
Domanda 4Calcolare la derivata di in .
Manca la derivata della funzione più interna, , che apporta il fattore : ogni funzione della composizione contribuisce con la sua derivata, calcolata nel punto che le corrisponde.Si è preso come derivata del coseno: il segno meno di è andato perso.Si è derivato solo il quadrato, , come se il coseno fosse la variabile. Mancano le derivate del coseno e di .Per la regola della catena applicata due volte, , e in l’argomento è .Ripassare: Regola della catena per la derivata della composizione di funzioni
Domanda 5In quale di questi intervalli il teorema di Bolzano assicura che l’equazione ha una soluzione?
In quell’intervallo non cambia segno: e . Il teorema non assicura nulla, e di fatto lì non c’è soluzione, perché è crescente e vale in .e hanno lo stesso segno, sicché il teorema non si applica; inoltre, vale almeno in quell’intervallo.Ogni equazione si scrive in quella forma portando tutto in un membro: equivale a .La funzione è un polinomio, dunque continua, con e ; per il teorema di Bolzano si annulla in qualche punto di , che è una soluzione dell’equazione.Ripassare: Teorema dei valori intermedi
Domanda 6La funzione è continua e strettamente crescente in . Quanto vale ?
Si è calcolata la derivata di in , che è un valore di , non un punto del suo dominio che gli corrisponda. La formula è , e .È la derivata di nel punto che corrisponde a ; quella dell’inversa è il suo reciproco: riflettendo il grafico, un coefficiente angolare diventa .Si è calcolato , che non è la derivata dell’inversa né è calcolato nel punto corretto.Poiché , si ha , e , che non è zero. Per il teorema della derivata dell’inversa, .Ripassare: Derivata della funzione inversa e derivazione implicita
Domanda 7Calcolare la derivata di in .
Si è usata la regola della potenza, , come se l’esponente fosse costante. Quando variano la base e l’esponente, bisogna scrivere la potenza con l’esponenziale naturale.Si è usata la regola dell’esponenziale, , come se la base fosse costante. È solo uno dei due termini.È la derivata di , cioè la derivata logaritmica ; manca la moltiplicazione per .Per ogni , , e . In , e la parentesi vale .Ripassare: La variabile all’esponente e la derivazione logaritmica
Domanda 8Calcolare la derivata di ordine di in .
Manca il coefficiente binomiale : la formula di Leibniz ha gli stessi coefficienti del binomio di Newton.Si sono moltiplicate le derivate di ordine dei due fattori, e quella di è nulla. La derivata di ordine di un prodotto è una somma su tutti i modi di ripartire le cinque derivazioni tra i fattori.Nel termine in cui il fattore è derivato una volta, l’esponenziale è derivato quattro volte, non cinque: la sua derivata di ordine è .Per la formula di Leibniz, poiché le derivate di di ordine maggiore di sono nulle, restano solo due termini: . In , il primo si annulla e il secondo vale .Ripassare: Derivate di ordine superiore e differenziale
Domanda 9Un rettangolo conserva la sua area di centimetri quadrati mentre la sua base cresce al ritmo di centimetri al secondo. Con quale rapidità varia la sua altezza nell’istante in cui la base misura centimetri?
Si è sostituito prima di derivare. L’altezza vale solo in quell’istante; la relazione da derivare è quella che vale in ogni istante.Si è perso il segno: se l’area è costante e la base cresce, l’altezza deve diminuire.È la derivata dell’altezza rispetto alla base, . La rapidità di variazione rispetto al tempo si ottiene moltiplicandola per .Se è la base e l’altezza, in ogni istante; derivando rispetto al tempo, . Quando la base misura , l’altezza misura , e dà .Ripassare: Tassi di variazione e tassi di variazione correlati
Domanda 10Dalle unità precedentiCalcolare .
È il limite di , non quello di questo quoziente: il coseno si allontana da molto più lentamente di quanto il seno si allontani da .È il limite di , con al denominatore. Con , il quoziente ha un fattore in più, che tende a .indica solo che la regola del quoziente non si applica; il limite può esistere, e qui esiste.Per , il quoziente è , prodotto di una funzione che tende a per un’altra che tende a .Ripassare: Il teorema del confronto e i limiti trigonometrici
Domanda 11Dalle unità precedentiCalcolare .
Si è applicato il limite notevole senza cambiare variabile: l’esponente è , non .Si è perso il segno dell’esponente: è minore di per , sicché il quoziente è negativo.Che il numeratore tenda a non basta: anche il denominatore tende a .Con il cambio di variabile , che non si annulla se , il quoziente è , e il limite notevole dà .Ripassare: Continuità delle funzioni elementari e limiti notevoli
Domanda 12Dalle unità precedentiQuale di queste funzioni è per ?
È equivalente a , non trascurabile: il suo quoziente per tende a .Tende a , ma più lentamente di : il suo quoziente per non è limitato.L’addendo è trascurabile rispetto a , ma non lo è: il quoziente per tende a , e la funzione è dello stesso ordine di .Il suo quoziente per è , che tende a : è trascurabile rispetto a .Ripassare: Infinitesimi e infiniti equivalenti
Domanda 13Dalle unità precedentiSe , quanto vale ?
Si è ricavato , ma manca l’estrazione della radice cubica.Si è letto come il reciproco : l’esponente indica qui la funzione inversa, non l’inverso moltiplicativo.È , l’immagine di ; l’inversa percorre il cammino in senso contrario e cerca la controimmagine.è il numero la cui immagine è : dà , e .Ripassare: Operazioni tra funzioni, inversa e trasformazioni dei grafici
Domanda 14Dalle unità precedentiQuanto vale ?
Il segno del seno non passa al coseno: l’angolo sta in , dove il coseno è positivo o nullo.È il quadrato del coseno, ; manca l’estrazione della radice.Si è trattato il coseno come se disfacesse l’arcoseno; è il seno che lo disfa: .L’arcoseno assume valori in , dove il coseno non è negativo; per l’identità pitagorica, il coseno è .Ripassare: Le funzioni trigonometriche inverse
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