Краткое содержание
Это занятие посвящено дифференцированию функций, у которых переменная находится в показателе. Все они сводятся к экспоненте: , и , так что достаточно производной , производной логарифма и правила дифференцирования сложной функции. Так получаются производные показательной функции и логарифма по любому основанию, степеней с действительным показателем и степеней, у которых меняются и основание, и показатель, таких как или . Производная , равная , превращает произведения, частные и степени в суммы: это логарифмическое дифференцирование, которое занятие обосновывает, не предполагая того, что требуется доказать. В конце касательная к логарифму, проходящая через начало координат, определяет, какое из чисел больше, или , и объясняет, почему результат зависит от числа .
Цели обучения
- Дифференцировать показательную функцию и логарифм по любому основанию, а также их композиции, исходя из равенства .
- Дифференцировать степени с действительным показателем и показательно-степенные функции, записывая их как показательные функции с основанием , в области, где основание положительно.
- Применять логарифмическое дифференцирование к произведениям, частным и степеням, предварительно убедившись, что функция дифференцируема и не обращается в нуль в данной точке.
- Сравнивать степени, такие как и , с помощью касательной к логарифму и основного неравенства для экспоненты.
Показательная функция и логарифм по любому основанию
На занятии о производных элементарных функций было доказано, что совпадает со своей производной и что производная равна , и было объявлено, что производная равна . Повторять вычисление через разностное отношение не нужно: всякое положительное основание есть степень числа . По определению натурального логарифма, из занятия о логарифмической функции, для всякого ; а по свойству логарифма степени, из того же занятия, . С правилом дифференцирования сложной функции остальное получается сразу.
Пусть , причём . Показательная функция дифференцируема на , логарифм дифференцируем на , а функция дифференцируема на :
Показательная функция с основанием записывается через экспоненту, и применяется правило дифференцирования сложной функции; логарифм по основанию есть постоянное кратное натурального логарифма. На рисунке показаны , и с касательными в точке , с угловыми коэффициентами , и , а в конце касательная к в точке , отражение касательной к .
Доказательство
Пусть есть действительное число. Число положительно; по определению натурального логарифма и свойству логарифма степени, из занятия о логарифмической функции:
Внутренняя функция линейна, с производной , а внешняя дифференцируема на всём по теореме о производной экспоненты. По правилу дифференцирования сложной функции, из занятия о правиле дифференцирования сложной функции:
По теореме о переходе к новому основанию, из занятия о логарифмической функции, для всякого , причём , поскольку . По теореме о производной натурального логарифма, которая верна для и для , и по теореме о производной линейной комбинации, из занятия о правилах дифференцирования:
Производная отличается от самой функции постоянным множителем , который положителен при и отрицателен при ; в силу инъективности логарифма он равен только при . При функция постоянна, и формула остаётся верной, поскольку . В точке определение производной даёт предел , а это следствие о замечательных пределах для логарифма и степеней из занятия о непрерывности элементарных функций: производная в точке уже была известна, а свойство переносит её на все точки.
Пусть есть функция, определённая на и дифференцируемая в точке множества , являющейся предельной точкой множества , и пусть , причём . Тогда и дифференцируемы в . Если , то функции и дифференцируемы в , на своей области определения; а если , то дифференцируема и , с той же производной, что и . Производные в точке таковы:
Первые две формулы выражают правило дифференцирования сложной функции; две последние, его вариант на области определения композиции, поскольку логарифм не определён в .
Доказательство
Внешние функции и дифференцируемы на всём , которое содержит значения функции ; правило дифференцирования сложной функции даёт первые две производные в точке .
Функция определена на , которое содержит интервал с центром и радиусом , и дифференцируема в , с производной . По следствию о правиле дифференцирования сложной функции на области определения композиции точка является предельной точкой области определения функции , и производная в точке равна:
Если , то то же следствие, с и , даёт производную , которая та же самая. Для основания делим на постоянную , по формуле перехода к новому основанию.
Так, производная равна , а производная равна на всём . На занятии о правиле дифференцирования сложной функции была найдена производная на её области определения, где , и получено ; модуль расширяет результат: функция определена там, где , и её производная равна на всём этом множестве, которое является областью определения тангенса.
Загрузка содержимого…