Svmmarivm
Haec lectio derivatam fvnctionis in pvncto vt limitem definit: limitem declivitatvm rectarvm secantivm, qvi est declivitas rectae tangentis, et limitem velocitatvm mediarvm, qvi est velocitas momentanea. Accvrate statvit in qvibvs pvnctis definitio sensvm habeat, derivatas laterales, rectas tangentem et normalem, fvnctionem derivatam notationemqve Leibnitianam introdvcit, et demonstrat derivatam tres formvlationes aeqvivalentes admittere: limitem qvotientis incrementalis, approximationem per rectam cvm errore neglegibili et factorizationem Carathéodorii. Ex hac vltima colligitvr omnem fvnctionem derivabilem continvam esse; valor absolvtvs et radix cvbica ostendvnt conversam falsam esse.
Proposita discendi
- Derivatam fvnctionis in pvncto vt limitem qvotientis incrementalis definire, eamqve vt declivitatem rectae tangentis et vt velocitatem momentaneam interpretari.
- Derivatas laterales compvtare et per eas decernere vtrvm fvnctio in pvncto derivabilis sit.
- Aeqvivalentiam inter qvotientem incrementalem, approximationem linearem et characterismvm Carathéodorii demonstrare.
- Demonstrare omnem fvnctionem in pvncto derivabilem ibi continvam esse, et fvnctiones continvas agnoscere qvae derivabiles non svnt.
Recta tangens et velocitas
In lectione de parabolis recta cvrvae in pvncto tangens est cvm eam in eo solo attingit neqve traicit. Ea notio conicis svfficit, non avtem cvilibet cvrvae. In origine cvrva a sinistra infra axem horizontalem iacet, a dextra svpra: omnis recta per originem dvcta eam traicit, et rectae cvm eam in sola origine attingvnt, qvia postvlat vel . Nvlla recta condicioni satisfacit, et tamen axis horizontalis, vt ocvlis apparet, est recta qvae prope originem cvrvam optime comitatvr. Alia igitvr definitio reqviritvr, qvae non a forma globali cvrvae pendeat, sed solvm ab eo qvod prope pvnctvm accidit.
Notio antiqva est: recta tangens est positio ad qvam rectae secantes tendvnt. Consideremvs fvnctionem et pvnctvm delineationis eivs. Pro , recta secans qvae per et per transit declivitatem habet
Cvm ad accedit, altervm pvnctvm ad primvm accedit, et si declivitates limitem habent, recta qvae per cvm ea declivitate transit candidata est ad rectam tangentem.
Sint et . Declivitates qvarvndam secantivm per pvnctvm compvtamvs, deinde earvm limitem. Figvra singvlas secantes ostendit et, in fine, rectam tangentem.
Demonstratio
Cvm , secans per et transit.
Cvm , altervm pvnctvm est et declivitas decrescit.
Generaliter, pro omni , positivo vel negativo, declivitas simplificatvr; cvm valet .
Cvm ad tendit, declivitas ad tendit. Recta qvae per cvm declivitate transit est recta tangens; eadem est qvam lemma de tangente in lectione de parabolis dedit, cvm .
Idem limes in motv investigando apparet. Si est positio, tempore , pvncti qvod in recta movetvr, qvotiens est eivs velocitas media inter tempora et : motvs divisvs per tempvs consvmptvm. Velocitas tempore , qvam index velocitatis monstraret, est limes velocitatvm mediarvm cvm ad tendit. Exempli gratia, si , velocitas media inter et est , qvae ad tendit: tempore pvnctvm sinistrorsvm movetvr, dvabvs vnitatibvs longitvdinis in vnitate temporis. Dvae qvaestiones, de recta tangente et de velocitate, ad evndem limitem dvcvnt, et is ipse limes nvnc definitvr.
Derivata in pvncto
Vt in lectione de limite fvnctionis, primvm accvrate statvendvm est vbi limes sensvm habeat. Qvotiens valorem reqvirit, ita vt ad dominivm pertinere debeat; et limes cvm ad tendit postvlat vt pvnctvm accvmvlationis dominii sit.
Sint fvnctio realis in copia nvmerorvm realivm definita, et elementvm copiae qvod pvnctvm accvmvlationis copiae est. Qvotiens incrementalis fvnctionis in est fvnctio , definita pro iis copiae qvae a differvnt. in derivabilis dicitvr si qvotiens incrementalis limitem realem habet cvm ad tendit; is nvmervs est derivata fvnctionis in , et scribitvr :
Qvotiens in definitvs est, et pvnctvm accvmvlationis eivs copiae est, qvia definitio pvncti accvmvlationis sola elementa a diversa respicit. Propter vnicitatem limitis derivata, si exsistit, vnica est. In pvncto solitario dominii derivata non definitvr, qvamqvam omnis fvnctio ibi continva est. Et si qvotiens ad vel ad tendit, fvnctio in derivabilis non est: derivata nvmervs realis est. Definitio saepe scribitvr cvm incremento loco pvncti , vt in exemplo.
Svb hypothesibvs definitionis, et solvm vbi definitvm est considerando:
Est mvtatio variabilis , qvam propositio de translatione et reflexione in lectione de limitibvs lateralibvs pro vno latere fecit, nvnc pro vtroqve simvl.
Demonstratio
Sit qvotiens incrementalis. Fvnctio , pro iis qvibvs in est, ad tendit, valorem non assvmit, et eivs valores in dominio fvnctionis svnt. Per theorema de compositione lectionis de algebra limitvm, si ad in tendit, etiam ad in tendit.
Vicissim, fvnctio , pro iis copiae qvae a differvnt, ad tendit nec valorem assvmit; composita cvm , qvotientem dat, qvi ad evndem limitem tendit.
Primae derivatae directe compvtantvr. Si , qvotiens incrementalis valet pro omni , et eivs limes est : derivata fvnctionis affinis est eivs declivitas in omni pvncto, et eivs recta tangens est ipsa recta. Praesertim derivata constantis est , et derivata fvnctionis identicae est . Pro , calcvlvs exempli, cvm loco , dat , et derivata est .
Derivatae laterales
In extremis intervalli, avt in pvncto vbi fvnctio formvlam mvtat, convenit qvotientem incrementalem in vtroqve latere separatim inspicere.
Sit elementvm copiae qvod pvnctvm accvmvlationis copiae est. in derivabilis a dextra dicitvr si qvotiens incrementalis limitem realem a dextra in habet; is limes est derivata a dextra, :
Eodem modo, si pvnctvm accvmvlationis copiae est, derivata a sinistra, , est limes a sinistra qvotientis incrementalis, cvm condicione .
Sit elementvm copiae .
- Si pvnctvm accvmvlationis copiae et copiae est, tvm in derivabilis est si et solvm si ambae derivatae laterales exsistvnt et aeqvales svnt; qvo casv .
- Si pvnctvm accvmvlationis est pvnctorvm copiae ex vno tantvm latere, tvm in derivabilis est si et solvm si ab eo latere derivabilis est, et derivata est derivata lateralis.
Nvllo novo argvmento opvs est: derivatae laterales svnt limites laterales qvotientis incrementalis, et lectio de limitibvs lateralibvs eos iam cvm limite conivnxit.
Demonstratio
In primo casv theorema de limite et limitibvs lateralibvs, ad qvotientem incrementalem adhibitvm, aeqvivalentiam dat.
In altero eadem lectio animadvertit, cvm pvnctvm accvmvlationis sit pvnctorvm dominii ex vno tantvm latere, limitem et limitem lateralem eivs lateris congrvere: exsistit tale vt omnia copiae cvm in eo latere sint.
Exempli gratia, valor absolvtvs in qvotientem incrementalem habet, qvi valet si et si : eivs derivatae laterales svnt et , diversae, et in derivabilis non est. Contra, si fvnctio in definita est, eivs derivata in est eivs derivata a dextra, et in eivs derivata a sinistra: definitio iam extrema dominii vt latera vnica tractat. Exempli gratia, ad restricta in derivabilis est, cvm .
Rectae tangens et normalis
Per derivatam recta tangens desinit esse figvra qvae ocvlis agnoscitvr et fit recta qvae compvtatvr.
Sit in derivabilis. Recta tangens delineationi fvnctionis in pvncto est recta qvae per id cvm declivitate transit:
Recta normalis in eodem pvncto est recta rectae tangenti perpendicvlaris qvae per id transit: si , est recta , et si , est recta verticalis .
Declivitas rectae normalis ex theoremate de rectis perpendicvlaribvs lectionis de aeqvatione rectae oritvr: dvae rectae non verticales perpendicvlares svnt si et solvm si prodvctvm declivitatvm earvm est . Ad cvrvam redevntes, eivs qvotiens incrementalis in est , qvi ad tendit: recta tangens in origine est axis horizontalis, qvamqvam cvrvam traicit. Cvm in continva est et qvotiens incrementalis ad vel ad tendit, secantes ad verticalem accedvnt; tvm dicitvr delineationem in habere rectam tangentem verticalem, rectam , qvamqvam in derivabilis non est.
Eodem modo, si est positio pvncti qvod in recta movetvr, eivs velocitas tempore est , si exsistit. Eivs signvm sensvm motvs indicat, et eivs valor absolvtvs celeritatem. Lectio de rationibvs mvtationis hanc interpretationem explicabit.
Fvnctio derivata et notatio Leibnitiana
Qvodqve pvnctvm in qvo derivabilis est nvmervm affert, derivatam in eo. Ex omnibvs his nvmeris nova fvnctio formatvr.
Sit fvnctio in definita. Fvnctio derivata fvnctionis est fvnctio qvae vnicviqve pvncto copiae in qvo derivabilis est nvmervm attribvit; eivs dominivm est copia horvm pvnctorvm. Si in omnibvs pvnctis copiae in contentae derivabilis est, dicitvr derivabilis in ; et si in toto dominio svo derivabilis est, simpliciter derivabilis.
Exempli gratia, derivata fvnctionis est fvnctio , in toto definita; derivata valoris absolvti valet in et in , et eivs dominivm non continet. Notatio , cvm apice, Lagrangio debetvr. Altera notatio vsitata Leibnitio debetvr: si , derivata scribitvr , vel , et operatio derivandi secvndvm scribitvr ante expressionem qvae derivatvr:
Notatio in memoriam revocat vnde derivata veniat. Si est incrementvm variabilis et incrementvm respondens fvnctionis, qvotiens incrementalis est , et derivata eivs limes est:
Instandvm est interim vnvm signvm esse, non qvotientem: et nondvm separatim sensvm habent; habebvnt in lectione de derivatis svccessivis et differentiali. Notatio variabilem secvndvm qvam derivatvr manifestam facit: si positio a tempore pendet, velocitas scribitvr vel .
Tres characterismi derivatae
Definitio dicit qvotientem incrementalem ad tendere. Dvo alii modi svnt idem dicendi, qvisqve ad alivm finem vtilis: secvndvs fvnctionem cvm recta tangente sva comparat; tertivs dividere vitat.
Sint fvnctio in definita, elementvm copiae qvod pvnctvm accvmvlationis copiae est, et nvmervs realis. Tres affirmationes qvae svbicivntvr aeqvivalentes svnt:
- Qvotiens incrementalis. in derivabilis est et .
- Approximatio linearis. cvm ad tendit; id est, residvvm condicioni satisfacit.
- Carathéodory. Exsistit fvnctio , in continva, cvm , talis vt pro omni copiae .
Symbolvm parvvm idem est atqve in lectione de infinitesimis et infinitis aeqvivalentibvs, cvm solvm vbi definitvm est considerato. Fvnctio est declivitas secantis, in per derivatam completa. Figvra ostendit, cvm et , residvvm inter cvrvam et rectam tangentem, secantem et, in fine, delineationem fvnctionis , qvae hoc casv est recta .
Demonstratio
Prima et secvnda: qvotiens residvi per est qvotiens incrementalis minvs . Per lemma de limite vt distantia ad nihilvm tendente, lectionis de algebra limitvm, ad tendit si et solvm si qvotiens incrementalis ad tendit, et per formam incrementalem id aeqvivalet condicioni .
A prima ad tertiam: definitvr vt qvotiens incrementalis extra et vt in . Aeqvalitas valet in omni per definitionem, et in qvia ambo eivs membra valent . Cvm pvnctvm accvmvlationis copiae sit et limes fvnctionis in sit , propositio de continvitate et limite lectionis de limite et continvitate continvitatem fvnctionis in dat.
A tertia ad primam: si , per dividitvr, et qvotiens incrementalis est restrictio fvnctionis ad . Cvm in continva sit, per eandem propositionem ad tendit, et per lemma de restrictione, lectionis de algebra limitvm, etiam qvotiens.
Fvnctio tertii characterismi, si exsistit, vnica est: extra est qvotiens incrementalis, et in eivs valor est limes eivs qvotientis. Secvndvs characterismvs explicat qvo sensv recta tangens sit recta qvae cvrvam optime comitatvr. Si pro ponitvr , cvm declivitate a diversa, error est , cvivs qvotiens per ad tendit: eivsdem ordinis est ac . Solvm cvm declivitate error prae neglegibilis est. Tertivs characterismvs commodvm technicvm habet: est aeqvalitas inter prodvcta, sine divisionibvs. Lectiones de regvlis derivandi et de regvla catenae eo vtentvr ne per qvantitates dividant qvae evanescere possvnt. Prima conseqventia statim patet.
Si in derivabilis est, tvm in continva est. Factorizatio Carathéodorii per operationes inter fvnctiones in continvas scribit.
Demonstratio
Per theorema de characterismis exsistit , in continva, talis vt pro omni copiae .
Constans et polynomivm in continva svnt, et qvoqve. Per theorema de operationibvs cvm fvnctionibvs continvis, lectionis de limite et continvitate, svmma constantis et prodvcti in continva est.
Conversa falsa est. Continvitas postvlat vt ad tendat; derivabilitas plvs postvlat: vt eivs qvotiens per limitem habeat, id est vt ad tendat saltem tam celeriter qvam et sine oscillatione inter declivitates diversas.
Valor absolvtvs et radix cvbica in continva svnt et in derivabilia non svnt: primvs derivatas laterales diversas habet, et qvotiens incrementalis secvndae ad tendit, ita vt eivs delineatio in origine rectam tangentem verticalem habeat. Ambo continva svnt per corollarivm de fvnctionibvs continvis notis, lectionis de limite et continvitate. Figvra ostendit, in valore absolvto, dvas declivitates laterales et, in radice cvbica, secantes magis magisqve ardvas.
Demonstratio
Qvotiens incrementalis valoris absolvti in valet a dextra et a sinistra. Derivatae laterales diversae svnt et, per propositionem de derivata et derivatis lateralibvs, in derivabilis non est.
Qvotiens incrementalis radicis cvbicae in est inversvm ipsivs , qvod positivvm est si et ad tendit propter continvitatem radicis. Per lemma inversi, lectionis de limitibvs infinitis, qvotiens ad tendit, nec limitem realem habet.
Ambae fvnctiones in vno tantvm pvncto deficivnt, sed exsistvnt fvnctiones in tota recta continvae qvae in nvllo pvncto derivabiles svnt; Weierstrassivs anno 1872 exemplvm celeberrimvm protvlit, cvivs constrvctio hvnc cvrsvm excedit.
Problemata solvta
Problemata difficvltate crescvnt: primvm derivatam compvtat qvae in ora dominii exsistere desinit; secvndvm recta tangente vtitvr ad proprietatem hyperbolae detegendam; tertivm ostendit derivatas laterales posse non exsistere; qvartvm, fvnctionem in vno tantvm pvncto derivabilem esse posse; et vltimvm factorizationem Carathéodorii cvm derivatis lateralibvs conivngit.
Derivabilitatem fvnctionis , in definitae, investigare, et rectam tangentem in pvncto abscissae invenire.
Solvtio
Si , qvotiens incrementalis est forma ; per expressionem conivgatam mvltiplicatvr et dividitvr.
Propter continvitatem radicis denominator ad tendit, et per theorema de limite inversi, lectionis de algebra limitvm, qvotiens ad tendit. In derivata est et recta tangens per transit.
In pvncta dominii solvm a dextra svnt, et per propositionem de derivata et derivatis lateralibvs derivata est derivata a dextra. Qvotiens est , et cvm positivvm sit et ad tendat, lemma inversi dat .
Ergo in derivabilis est, non avtem in , vbi continva est et eivs delineatio rectam tangentem verticalem habet. Fvnctio derivata minvs dominivm habet qvam fvnctio.
Demonstrare rectam tangentem cvrvae in pvncto , cvm , cvm axibvs triangvlvm areae formare, qvodcvmqve sit , et pvnctvm contactvs esse pvnctvm medivm segmenti qvod axes in ea abscindvnt.
Solvtio
Qvotiens incrementalis fractionibvs svbtrahendis simplificatvr; per theorema de limite inversi eivs limes est .
Recta tangens per cvm ea declivitate transit.
Cvm intersectio cvm axe horizontali obtinetvr, et cvm intersectio cvm verticali. Pvnctvm medivm inter ambas est pvnctvm contactvs.
Triangvlvm cathetos et in axibvs habet. Eivs area non pendet a : figvra dvo talia triangvla ostendit, formis diversis et eadem area.
Sint et pro , et . Demonstrare in continvam esse nec in derivatam nec derivatas laterales habere, et in derivabilem esse, cvm .
Solvtio
Per problema solvtvm 3 lectionis de limite et continvitate, in continva est. Eivs qvotiens incrementalis in est .
Problema propositvm 3 lectionis de limite demonstravit limitem in non habere per dvas familias pvnctorvm positivorvm, in qvibvs valet et . Idem argvmentvm limitem a dextra negat; cvm pvnctis oppositis, in qvibvs valet et , negatvr limes a sinistra.
Contra, qvotiens incrementalis fvnctionis est , prodvctvm fvnctionis circvmscriptae et alterivs qvae ad tendit; per theorema lectionis de theoremate compressionis, ad tendit.
Ambae fvnctiones prope infinities oscillant. Oscillatio fvnctionis per circvmscripta est, qvod eivsdem ordinis est ac denominator , et qvotiens oscillare pergit; oscillatio fvnctionis per circvmscripta est, qvod prae neglegibile est, et qvotiens exstingvitvr.
Sit fvnctio qvae valet si rationalis est et si irrationalis est. Demonstrare in derivabilem esse, cvm , nec in vllo alio pvncto derivabilem esse.
Solvtio
Sit fvnctio problematis solvti 5 lectionis de limite et continvitate, qvae valet in rationalibvs et in irrationalibvs. Tvm pro omni , in vtroqve casv.
In qvotiens incrementalis est , qvi ad tendit qvia illvd problema demonstravit in continvam esse.
Sit . Si in continva esset, etiam continva esset, per regvlam qvotientis operationvm cvm fvnctionibvs continvis, cvm denominatore in non nvllo; sed idem problema demonstravit in discontinvam esse. Ergo in discontinva est, et per theorema «derivabilis ergo continva» in derivabilis non est.
Sit fvnctio in intervallo aperto qvod continet definita, in derivabilis et cvm . Demonstrare in derivatas laterales et habere, ita vt in derivabilis sit si et solvm si . Id ad et ad in adhibere.
Solvtio
Per characterismvm Carathéodorii, , cvm in continva et . Valoribvs absolvtis svmptis, factor est a dextra et a sinistra.
Fvnctio in continva est, per compositionem fvnctionvm continvarvm, et ad tendit. Per propositionem de derivata et derivatis lateralibvs, in derivabilis est si et solvm si ambae derivatae laterales congrvvnt, id est si .
Sinvs condicioni satisfacit, et eivs qvotiens incrementalis in est , qvi ad tendit per limitem fvndamentalem trigonometriae: in derivatas laterales et habet, nec derivabilis est. Cvbvs in qvotientem habet, qvi ad tendit: in derivabilis est, cvm derivata .
Problemata proposita
Problemata difficvltate crescvnt: primvm derivatam in geometria circvli et sphaerae legit; secvndvm rectas normales qvaerit qvae per pvnctvm datvm transevnt; tertivm ostendit derivatam lateralem exsistere posse vbi fvnctio salit; qvartvm rectam tangentem derivatae cvm recta tangente circvmferentiae comparat; et vltimvm qvotientem investigat qvi derivatae similis est neqve tamen derivata est. Vnvmqvodqve indicivm habet, qvod aperire convenit solvm postqvam problema temptatvm est.
Sint area circvli radii et volvmen sphaerae radii . Per definitionem et compvtare, et qvodqve eventvm agnoscere.
Indicivm
Evolve et et qvotientem incrementalem simplifica anteqvam limitem svmas. Incrementvm areae est area coronae circvlaris latitvdinis .
Responsvm
Svnt perimetrvm circvmferentiae et area svperficiei sphaericae.
Omnia pvncta parabolae invenire qvorvm recta normalis per pvnctvm transit, et eas rectas normales scribere.
Indicivm
Recta normalis in declivitatem habet si ; impone vt per transeat. Noli oblivisci casvm , in qvo derivata evanescit et recta normalis verticalis est.
Responsvm
Tria pvncta: , cvm recta normali , et , cvm rectis normalibvs .
Demonstrare partem integram, , derivabilem esse in omni nvmero reali non integro, cvm derivata , et in qvoqve integro derivatam a dextra, , habere, sed non derivatam a sinistra. Nvm hoc theoremati «derivabilis ergo continva» repvgnat?
Indicivm
In integro , a dextra fvnctio valet , et a sinistra : qvotiens incrementalis est a dextra et a sinistra. Ad vltimam qvaestionem, hypothesim theorematis cvm eo qvod in accidit compara.
Responsvm
Nvlla est repvgnantia: fvnctio in derivabilis non est; derivata a dextra solvm continvitatem a dextra dat (theorema, ad restrictionem fvnctionis ad adhibitvm), qvae valet.
Sit , semicircvlvs svperior centri et radii . pro compvtare, demonstrare rectam tangentem perpendicvlarem esse radio qvi originem cvm ivngit, vt in lectione de circvmferentia, et investigare qvid in accidat.
Indicivm
Mvltiplica et divide qvotientem incrementalem per . Si , radivs declivitatem habet; si , verticalis est. In pvncta dominii solvm a sinistra svnt.
Responsvm
In recta tangens horizontalis est et radivs verticalis. In qvotiens ad tendit, et in ad : in derivabilis non est, et eivs delineatio ibi rectas tangentes verticales habet.
Sit in intervallo aperto qvod continet definita. Demonstrare: si in derivabilis est, tvm . Demonstrare per in evm limitem exsistere posse qvin derivabilis sit.
Indicivm
Scribe approximationem linearem pro et pro et eas svbtrahe: residva dant . Pro valore absolvto nvmerator est .
Responsvm
Valor absolvtvs qvotientem symmetricvm in habet, nec ibi derivabilis est.
Solvtio explicata
Solvtio
Per approximationem linearem, cvm , residvvm condicioni satisfacit. Mvtato in , per theorema de compositione, etiam .
Dvae aeqvalitates svbtrahvntvr et per dividitvr; per theorema de limite combinationis linearis, dvo qvotientes residvorvm dant .
Pro valore absolvto in nvmerator nvllvs est pro omni , et qvotiens symmetricvs ad tendit; tamen derivatae laterales svnt et . Qvotiens symmetricvs dvas declivitates laterales in medivm redigit et angvlvm occvltat.