Перейти к содержимому
Topos Uranos

Краткое содержание

На этом занятии из критерия Каратеодори выводятся правила, позволяющие дифференцировать, не возвращаясь каждый раз к разностному отношению: производная линейной комбинации, произведения, обратной величины и частного. Каждое правило получается одинаково: приращение новой функции записывается в виде произведения на x−ax - a с множителем, непрерывным в aa, и значение этого множителя в aa есть производная. С помощью правил дифференцируются степени с целым показателем, многочлены и рациональные функции. Занятие завершается кусочно-заданными функциями: внутри каждой ветви действует формула этой ветви, а в точках стыка решают односторонние производные, которые не всегда совпадают с производными формул.

Цели обучения

  1. Доказать с помощью критерия Каратеодори правила дифференцирования линейной комбинации, произведения, обратной величины и частного.
  2. Дифференцировать степени с целым показателем, многочлены и рациональные функции и указывать область определения каждой производной.
  3. Решать с помощью односторонних производных, дифференцируема ли кусочно-заданная функция в точке стыка.
  4. Отличать достаточные условия правил от необходимых и распознавать, когда производные формул отдельных ветвей не дают производной функции.

Производная зависит только от того, что происходит вблизи точки

Занятие о производной как пределе вычисляло каждую производную через её разностное отношение. Для такой функции, как x3−2xx2+1\frac{x^3 - 2x}{x^2 + 1}, это вычисление длинно; полезнее знать, как производная ведёт себя при операциях. Все правила этого занятия опираются на критерий Каратеодори из того же занятия: ff дифференцируема в точке aa, причём f′(a)=Lf'(a) = L, тогда и только тогда, когда существует функция φ\varphi, непрерывная в aa, с φ(a)=L\varphi(a) = L, такая что f(x)−f(a)=φ(x)(x−a)f(x) - f(a) = \varphi(x)(x - a) для всякого xx из области определения. Поэтому, чтобы доказать дифференцируемость функции в точке aa, достаточно записать её приращение в виде произведения на x−ax - a с множителем, непрерывным в aa; значение этого множителя в aa есть производная. Теорема об операциях над непрерывными функциями из занятия о пределе и непрерывности обеспечивает непрерывность множителя.

Сначала полезно решить вопрос об областях определения. Две функции могут иметь разные области определения, а частное fg\frac{f}{g} определено лишь там, где gg не обращается в нуль. Следующая лемма утверждает, что производная не меняется при сужении области определения, если точка остаётся предельной точкой множества, и что она зависит только от значений вблизи точки.

ЛеммаЛокальный характер производной

Пусть ff есть функция, определённая на AA, aa есть элемент AA, BB есть подмножество AA, содержащее aa, и FF есть сужение ff на BB.

  • Если aa есть предельная точка множества BB и ff дифференцируема в aa, то FF дифференцируема в aa, и F′(a)=f′(a)F'(a) = f'(a).
  • Если aa есть предельная точка множества AA и существует δ>0\delta > 0, такое что всякий xx из AA с ∣x−a∣<δ\abs{x - a} < \delta принадлежит BB, то ff дифференцируема в aa тогда и только тогда, когда дифференцируема FF, и в этом случае F′(a)=f′(a)F'(a) = f'(a).

Первое утверждение есть лемма о пределе сужения из арифметических свойств пределов; второе означает, что определение предела смотрит только на близкие точки.

Доказательство

  1. x∈B∖{a}→F(x)−F(a)x−a=f(x)−f(a)x−ax \in B \setminus \{a\} \rightarrow \frac{F(x) - F(a)}{x - a} = \resaltar{\frac{f(x) - f(a)}{x - a}}

    Разностное отношение функции FF есть сужение на B∖{a}B \setminus \{a\} разностного отношения функции ff. Если aa есть предельная точка множества BB, лемма о пределе сужения из занятия об арифметических свойствах пределов даёт тот же предел.

  2. x∈A∧0<∣x−a∣<min⁡{δ,δ′}→∣f(x)−f(a)x−a−L∣<εx \in A \wedge 0 < \abs{x - a} < \min\{\delta, \delta'\} \rightarrow \resaltar{\abs{\frac{f(x) - f(a)}{x - a} - L} < \varepsilon}

    Во втором случае всякая точка из AA, отличная от aa и находящаяся на расстоянии меньше δ\delta, лежит в BB: так как aa есть предельная точка множества AA, она является и предельной точкой множества BB, и первое утверждение даёт одну импликацию. Для другой: если F′(a)=LF'(a) = L, пусть ε>0\varepsilon > 0 и δ′\delta' есть ответный ход для разностного отношения функции FF; меньшее из чисел δ\delta и δ′\delta' есть ответный ход для разностного отношения функции ff, потому что оба отношения совпадают при тех xx, которые оно охватывает.

Из второго утверждения следует, что две функции, определённые на AA и совпадающие в точках множества AA, близких к aa, либо обе дифференцируемы в aa, с одной и той же производной, либо обе не дифференцируемы: у них одно и то же сужение на эти точки. А из первого следует, что если ff и gg имеют разные области определения, обе содержащие точку aa, то можно работать на пересечении областей определения, если только aa есть его предельная точка. Поэтому в дальнейшем ff и gg предполагаются определёнными на одном и том же множестве AA.