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Topos Uranos

Monotonia e criterio della derivata prima

Riepilogo

Questa lezione trasforma il segno della derivata in un’informazione su un intervallo intero. Con il teorema del valor medio di Lagrange dimostra che una funzione con derivata positiva in un intervallo vi è strettamente crescente, e con derivata non negativa, crescente; viceversa, la derivata di una funzione crescente non è negativa, benché quella di una funzione strettamente crescente possa annullarsi, e la lezione caratterizza quando ciò accade. Ne discendono l’invertibilità di una funzione a derivata positiva, il nome dei candidati a estremi locali, i punti critici, e il criterio della derivata prima, che decide se c’è un estremo in base al cambiamento di segno della derivata. Il teorema di Darboux, dimostrato con quelli di Weierstrass e di Fermat, mostra che una derivata, anche quando non è continua, non salta valori: non ha discontinuità eliminabili né di salto, e, se non si annulla in un intervallo, non vi cambia segno. La lezione termina con disuguaglianze che si dimostrano confrontando funzioni attraverso la loro derivata, e mantiene ciò che l’unità sulle derivate aveva annunciato più volte senza poterlo dimostrare.

Obiettivi di apprendimento

  1. Dimostrare con il teorema del valor medio che il segno della derivata in un intervallo decide la monotonia, e riconoscere quando una funzione strettamente crescente ha derivata nulla in alcuni punti.
  2. Trovare i punti critici di una funzione e decidere con il criterio della derivata prima quali sono estremi locali, compresi i punti senza derivata.
  3. Dimostrare il teorema di Darboux e usarlo per mostrare che una funzione con un salto non è la derivata di alcuna funzione in un intervallo.
  4. Dimostrare disuguaglianze tra funzioni studiando il segno della derivata della loro differenza, e accorgersi di quando tale argomento sarebbe circolare.

Il segno della derivata e la monotonia

La proposizione sul segno della derivata in un punto, della lezione sui tassi di variazione, confronta ogni valore vicino ad aa con f(a)f(a), e niente di più: la funzione x+2x2sin⁡1xx + 2x^2 \sin \frac{1}{x}, completata con 00 in 00, ha derivata 11 in 00 e non è crescente in alcun intervallo che contenga 00. Per ottenere informazioni su un intervallo intero bisogna conoscere il segno della derivata in tutti i suoi punti, e il teorema del valor medio, della lezione sui teoremi di Fermat, Rolle, Lagrange e Cauchy, traduce tale conoscenza in un confronto di valori. Ricordiamo che, secondo la lezione sulle operazioni tra funzioni, di Algebra e Geometria I, una funzione ff è crescente in un insieme II se x<yx < y implica f(x)≤f(y)f(x) \leq f(y) per tutti i suoi punti, e strettamente crescente se implica f(x)<f(y)f(x) < f(y):

(∀x∈I)(∀y∈I)(x<y→f(x)≤f(y)),(∀x∈I)(∀y∈I)(x<y→f(x)<f(y))(\forall x \in I)(\forall y \in I)\left(x < y \rightarrow f(x) \leq f(y)\right), \qquad (\forall x \in I)(\forall y \in I)\left(x < y \rightarrow f(x) < f(y)\right)

e decrescente o strettamente decrescente se implica f(x)≥f(y)f(x) \geq f(y) o f(x)>f(y)f(x) > f(y).

TeoremaMonotonia dal segno della derivata

Sia ff continua in un intervallo II e derivabile in ogni punto interno di II.

  • Se f′(x)≥0f'(x) \geq 0 in ogni punto interno xx di II, allora ff è crescente in II; se f′(x)>0f'(x) > 0 in ciascuno di essi, è strettamente crescente in II.
  • Se f′(x)≤0f'(x) \leq 0 in ogni punto interno xx di II, allora ff è decrescente in II; se f′(x)<0f'(x) < 0 in ciascuno di essi, è strettamente decrescente in II.

Tra due punti qualsiasi, il teorema del valor medio dà alla differenza dei valori il segno della derivata in un punto intermedio.

Dimostrazione

  1. f(y)−f(x)=f′(c)(y−x),x<c<yf(y) - f(x) = \dato{c}{f'(c)}(y - x), \qquad x < c < y

    Siano x<yx < y due punti di II. Poiché II è un intervallo, contiene [x,y]\icc{x}{y}, dove ff è continua, e i punti di (x,y)\ioo{x}{y} sono punti interni di II, dove ff è derivabile. Per il teorema del valor medio di Lagrange, esiste cc tra xx e yy tale che:

  2. f′(c)≥0→f(x)≤f(y),f′(c)>0→f(x)<f(y)f'(c) \geq 0 \rightarrow \resaltar{f(x) \leq f(y)}, \qquad f'(c) > 0 \rightarrow \resaltar{f(x) < f(y)}

    Il fattore y−xy - x è positivo, cosicché la differenza ha il segno di f′(c)f'(c): se f′(c)≥0f'(c) \geq 0, non è negativa, e se f′(c)>0f'(c) > 0, è positiva. Poiché xx e yy erano due punti qualsiasi di II con x<yx < y, la funzione è crescente, o strettamente crescente.

  3. −f(x)≤−f(y)→f(x)≥f(y)-f(x) \leq -f(y) \rightarrow \resaltar{f(x) \geq f(y)}

    Se la derivata non è positiva, si applica quanto detto a −f-f, che è continua in II e ha derivata −f′(x)-f'(x) in ogni punto interno, per il teorema della derivata di una combinazione lineare, della lezione sulle regole di derivazione. Che −f-f sia crescente significa che ff è decrescente.

La derivata si richiede solo nei punti interni; negli estremi dell’intervallo che vi appartengono basta la continuità. Così, x\sqrt{x} è strettamente crescente in [0,∞)\ico{0}{\infty}, benché non sia derivabile in 00. Il teorema mantiene tre annunci dell’unità sulle derivate. La lezione sulle derivate delle funzioni elementari ha osservato che la derivata della tangente, 1+tan⁡2x1 + \tan^2 x, è positiva, benché la tangente non sia crescente nel suo dominio, che non è un intervallo; in ogni intervallo (−π2+kπ,π2+kπ)\ioo{-\frac{\pi}{2} + k\pi}{\frac{\pi}{2} + k\pi}, con kk intero, il teorema la rende strettamente crescente. La lezione sulla variabile all’esponente ha calcolato la derivata x1x⋅1−ln⁡xx2x^{\frac{1}{x}} \cdot \frac{1 - \ln x}{x^2}, che è positiva in (0,e)\ioo{0}{e} e negativa in (e,∞)\ioo{e}{\infty}; poiché la funzione è continua in (0,∞)\ioo{0}{\infty}, è strettamente crescente in (0,e]\ioc{0}{e} e strettamente decrescente in [e,∞)\ico{e}{\infty}. Ciò ritrova la proposizione sul massimo di xx elevato a 1x\frac{1}{x}, di quella lezione, e inoltre confronta due numeri dallo stesso lato di ee: poiché e<3<4e < 3 < 4, si ha 313>4143^{\frac{1}{3}} > 4^{\frac{1}{4}}, cioè 34>433^4 > 4^3. La stessa lezione ha dimostrato che la derivata di (1+1x)x\left(1 + \frac{1}{x}\right)^x è positiva in ogni x>0x > 0: la funzione è strettamente crescente in (0,∞)\ioo{0}{\infty}.

ProposizioneIl segno della derivata di una funzione monotona

Sia ff crescente in un intervallo II e derivabile in un punto interno aa di II. Allora f′(a)≥0f'(a) \geq 0. Se ff è decrescente, f′(a)≤0f'(a) \leq 0. Se la derivata fosse negativa, la proposizione sul segno della derivata in un punto metterebbe a destra di aa valori minori di f(a)f(a).

Dimostrazione

  1. x∈J, a<x<a+δ→f(x)<f(a)x \in J, \ a < x < a + \delta \rightarrow \dato{menor}{f(x) < f(a)}

    Sia r>0r > 0 tale che J=(a−r,a+r)J = \ioo{a - r}{a + r} sia contenuto in II, e sia FF la restrizione di ff a JJ; per il lemma del carattere locale della derivata, della lezione sulle regole di derivazione, FF è derivabile in aa e F′(a)=f′(a)F'(a) = f'(a). Supponiamo che f′(a)<0f'(a) < 0. Per la proposizione sul segno della derivata in un punto, applicata a FF nell’intervallo aperto JJ, esiste δ>0\delta > 0 tale che:

  2. f(a)≤f(a+ρ2)<f(a)→f′(a)≥0f(a) \leq f\left(a + \frac{\rho}{2}\right) < f(a) \qquad \rightarrow \qquad \resaltar{f'(a) \geq 0}

    Sia ρ\rho il minore tra δ\delta e rr. Il punto a+ρ2a + \frac{\rho}{2} sta in JJ ed è maggiore di aa; poiché ff è crescente, il suo valore non è minore di f(a)f(a), in contraddizione con il primo momento. Pertanto f′(a)≥0f'(a) \geq 0. Se ff è decrescente, −f-f è crescente, e −f′(a)≥0-f'(a) \geq 0.

Per una funzione derivabile in tutti i punti di un intervallo aperto, essere crescente equivale dunque ad avere derivata non negativa. Il viceversa non si estende alla monotonia stretta: x3x^3 è strettamente crescente in R\mathbb{R}, e la sua derivata si annulla in 00. La proposizione spiega anche l’esempio dell’inizio: la lezione sui tassi di variazione ha trovato, arbitrariamente vicino a 00, punti in cui la derivata di x+2x2sin⁡1xx + 2x^2 \sin \frac{1}{x} è negativa, e in nessun intervallo che li contenga la funzione può essere crescente. Il difetto sta nel fatto che quella derivata non è continua in 00; se lo è, il segno in un punto si estende a un intervallo.

CorollarioDerivata positiva e continua in un punto

Sia ff derivabile in ogni punto di un intervallo aperto II, e sia aa un punto di II in cui f′f' è continua, con f′(a)>0f'(a) > 0. Allora esiste un δ>0\delta > 0 tale che ff è strettamente crescente in (a−δ,a+δ)\ioo{a - \delta}{a + \delta}. La derivata conserva il suo segno vicino ad aa, e il teorema si applica nell’intervallo in cui lo conserva.

Dimostrazione

  1. ∣x−a∣<δ→f′(x)>0\abs{x - a} < \delta \rightarrow \resaltar{f'(x) > 0}

    Poiché f′f' è continua in aa, il suo limite in aa è f′(a)>0f'(a) > 0. Per la proposizione della limitatezza locale e della permanenza del segno, della lezione sul limite di una funzione, esiste un δ>0\delta > 0, che si può prendere tale che (a−δ,a+δ)\ioo{a - \delta}{a + \delta} sia contenuto in II, con f′(x)>0f'(x) > 0 in quell’intervallo. Lì ff è derivabile, e quindi continua; per il teorema, è strettamente crescente.

Quando una funzione a derivata non negativa è strettamente crescente? L’esempio di x3x^3 mostra che la derivata può annullarsi in qualche punto; ciò che non può fare è annullarsi in tutto un intervallo.

ProposizioneMonotonia stretta con derivata non negativa

Sia ff continua in un intervallo II e derivabile in ogni punto interno di II, con f′(x)≥0f'(x) \geq 0 in ciascuno di essi. Allora ff è strettamente crescente in II se e solo se non esiste alcun intervallo (p,q)\ioo{p}{q}, con p<qp < q, contenuto in II, in tutti i punti del quale f′f' si annulli. In particolare, se f′f' si annulla solo in un numero finito di punti, ff è strettamente crescente in II. Una funzione crescente che non è strettamente crescente ripete un valore, e tra i due punti in cui lo ripete è costante.

Dimostrazione

  1. f′(x)=0,s<x<t→f(s)=f(t)f'(x) = 0, \quad s < x < t \qquad \rightarrow \qquad \resaltar{f(s) = f(t)}

    Supponiamo che f′f' si annulli in tutti i punti di un intervallo (p,q)\ioo{p}{q} contenuto in II, e siano p<s<t<qp < s < t < q. In [s,t]\icc{s}{t} la funzione è continua e ha derivata nulla nei punti di (s,t)\ioo{s}{t}; per il corollario della derivata nulla in un intervallo, della lezione sui teoremi di Fermat, Rolle, Lagrange e Cauchy, è costante in [s,t]\icc{s}{t}, e non è strettamente crescente.

  2. s<x<t→f(s)≤f(x)≤f(t)=f(s)→f(x)=f(s)s < x < t \rightarrow f(s) \leq f(x) \leq f(t) = f(s) \rightarrow \dato{cte}{f(x) = f(s)}

    Viceversa, supponiamo che ff non sia strettamente crescente. Per il teorema, è crescente, cosicché esistono s<ts < t in II con f(s)=f(t)f(s) = f(t); ogni valore intermedio resta racchiuso tra due valori uguali, e ff è costante in [s,t]\icc{s}{t}.

  3. s<x<t→f′(x)=0s < x < t \rightarrow \resaltar{f'(x) = 0}

    Sia xx un punto di (s,t)\ioo{s}{t}. La restrizione di ff a (s,t)\ioo{s}{t} è costante, con derivata nulla in xx; per il lemma del carattere locale della derivata, f′(x)=0f'(x) = 0. La derivata si annulla in tutto l’intervallo (s,t)\ioo{s}{t}, contenuto in II. Se f′f' si annulla solo in un numero finito di punti, non esiste un tale intervallo, perché ogni intervallo (p,q)\ioo{p}{q} con p<qp < q ha infiniti punti.

La funzione x+sin⁡xx + \sin x, del problema risolto 1 della lezione sulla derivata della funzione inversa, ha derivata 1+cos⁡x≥01 + \cos x \geq 0, che si annulla negli infiniti punti π+2kπ\pi + 2k\pi; tra due di essi consecutivi la derivata è positiva, e nessun intervallo è formato da zeri. La proposizione la rende strettamente crescente in R\mathbb{R}, cosa che quella lezione aveva ottenuto con la formula della differenza di due seni e che lì sembrava sorprendente. Lo stesso ragionamento ammette un numero finito di punti senza derivata: se ff è continua in II e ha derivata positiva in tutti i suoi punti interni salvo in x1<⋯<xkx_1 < \dots < x_k, il teorema la rende strettamente crescente in ogni intervallo tra due di quei punti consecutivi (e negli intervalli estremi), e le disuguaglianze si combinano. Così, x3\sqrt[3]{x} è strettamente crescente in R\mathbb{R}, benché non sia derivabile in 00. La continuità non si può sopprimere (problema proposto 1).

CorollarioDerivata positiva e funzione inversa

Sia ff continua in un intervallo II con più di un punto e derivabile in ogni punto interno di II, con f′(x)>0f'(x) > 0 in ciascuno di essi, o con f′(x)<0f'(x) < 0 in ciascuno di essi. Allora ff è strettamente monotona in II, la sua immagine J=f(I)J = f(I) è un intervallo e l’inversa f−1 ⁣:J→If^{-1} \colon J \to I è continua; in ogni punto b=f(a)b = f(a), con aa interno a II, l’inversa è derivabile, e (f−1)′(b)=1f′(a)\left(f^{-1}\right)'(b) = \frac{1}{f'(a)}. Il teorema dà la monotonia stretta, che è l’ipotesi del teorema della derivata della funzione inversa.

Dimostrazione

  1. x<y→f(x)<f(y),J=f(I)x < y \rightarrow \resaltar{f(x) < f(y)}, \qquad J = f(I)

    Per il teorema, ff è strettamente crescente, o strettamente decrescente, in II. Per i corollari dell’immagine di un intervallo e della continuità dell’inversa, della lezione sul teorema dei valori intermedi, JJ è un intervallo e f−1f^{-1} è continua in JJ.

  2. (f−1)′(b)=1f′(a)\left(f^{-1}\right)'(b) = \resaltar{\frac{1}{f'(a)}}

    Se aa è interno, ff è derivabile in aa con f′(a)≠0f'(a) \neq 0, e il teorema della derivata della funzione inversa, della lezione sulla derivata della funzione inversa, dà la derivata di f−1f^{-1} in b=f(a)b = f(a).

Le valutazioni dell’unità sulle derivate davano per scontato che x5+xx^5 + x e x3+2x+1x^3 + 2x + 1 fossero strettamente crescenti in R\mathbb{R}; ora basta osservare che le loro derivate, 5x4+15x^4 + 1 e 3x2+23x^2 + 2, sono positive. E la sfida dell’inversa di xexx e^x, nella sintesi di quell’unità, che chiedeva di dimostrare senza il segno della derivata che tale funzione è strettamente crescente in [−1,∞)\ico{-1}{\infty}, si risolve ora in una riga: è continua lì e la sua derivata, (1+x)ex(1 + x) e^x, è positiva in (−1,∞)\ioo{-1}{\infty}.