Перейти к содержимому
Topos Uranos

Краткое содержание

В этом занятии производная функции в точке определяется как предел: предел угловых коэффициентов секущих, который есть угловой коэффициент касательной, и предел средних скоростей, который есть мгновенная скорость. Уточняется, в каких точках определение имеет смысл, вводятся односторонние производные, касательная и нормаль, производная функция и обозначение Лейбница, и доказывается, что производная допускает три равносильные формулировки: предел разностного отношения, приближение прямой с пренебрежимо малой погрешностью и разложение Каратеодори. Из последней следует, что всякая дифференцируемая функция непрерывна; модуль и кубический корень показывают, что обратное утверждение неверно.

Цели обучения

  1. Определить производную функции в точке как предел разностного отношения и истолковать её как угловой коэффициент касательной и как мгновенную скорость.
  2. Вычислять односторонние производные и с их помощью решать, дифференцируема ли функция в точке.
  3. Доказать равносильность разностного отношения, линейного приближения и критерия Каратеодори.
  4. Доказать, что всякая функция, дифференцируемая в точке, непрерывна в ней, и распознавать непрерывные функции, которые не являются дифференцируемыми.

Касательная и скорость

На занятии об уравнении параболы прямая является касательной к кривой в точке, если встречает её только в этой точке, не пересекая её. Этой идеи достаточно для конических сечений, но не для любой кривой. В начале координат кривая y=x3y = x^3 лежит ниже горизонтальной оси слева и выше неё справа: всякая прямая, проходящая через начало координат, пересекает её, а прямые y=mxy = mx при m<0m < 0 встречают её только в этой точке, поскольку равенство x3=mxx^3 = mx требует x=0x = 0 или x2=mx^2 = m. Ни одна прямая не удовлетворяет условию, и тем не менее горизонтальная ось на глаз есть прямая, которая лучше всего следует за кривой вблизи начала координат. Поэтому нужно другое определение, которое зависело бы не от формы кривой в целом, а только от того, что происходит вблизи точки.

Идея давняя: касательная есть предельное положение секущих. Рассмотрим функцию ff и точку (a,f(a))(a, f(a)) её графика. При h≠0h \neq 0 секущая, проходящая через (a,f(a))(a, f(a)) и через (a+h,f(a+h))(a + h, f(a + h)), имеет угловой коэффициент

f(a+h)−f(a)h\frac{f(a + h) - f(a)}{h}

Когда hh приближается к 00, вторая точка приближается к первой, и если угловые коэффициенты имеют предел, то прямая, проходящая через (a,f(a))(a, f(a)) с этим угловым коэффициентом, есть кандидат в касательные.

ПримерСекущие параболы

Пусть f(x)=x2f(x) = x^2 и a=1a = 1. Вычислим угловые коэффициенты нескольких секущих, проходящих через точку (1,1)(1, 1), а затем их предел. На рисунке показана каждая секущая и, в конце, касательная.

Доказательство

  1. f(2)−f(1)1=4−11=3\frac{f(2) - f(1)}{1} = \frac{4 - 1}{1} = \resaltar{3}

    При h=1h = 1 секущая проходит через (1,1)(1, 1) и (2,4)(2, 4).

  2. f(32)−f(1)12=94−112=52\frac{f\left(\frac{3}{2}\right) - f(1)}{\frac{1}{2}} = \frac{\frac{9}{4} - 1}{\frac{1}{2}} = \resaltar{\frac{5}{2}}

    При h=12h = \frac{1}{2} вторая точка есть (32,94)\left(\frac{3}{2}, \frac{9}{4}\right), и угловой коэффициент уменьшается.

  3. (1+h)2−1h=2h+h2h=2+h\frac{(1 + h)^2 - 1}{h} = \frac{2h + h^2}{h} = \resaltar{2 + h}

    В общем случае, для всякого h≠0h \neq 0, положительного или отрицательного, угловой коэффициент упрощается; при h=14h = \frac{1}{4} он равен 94\frac{9}{4}.

  4. lim⁡h→0(2+h)=2,y=1+2(x−1)=2x−1\lim_{h \to 0} (2 + h) = 2, \qquad y = 1 + 2(x - 1) = \resaltar{2x - 1}

    Когда hh стремится к 00, угловой коэффициент стремится к 22. Прямая, проходящая через (1,1)(1, 1) с угловым коэффициентом 22, есть касательная; это та же прямая, которую дала лемма о касательной в точке параболы на занятии о параболе, при x2=4⋅14 yx^2 = 4 \cdot \frac{1}{4} \, y.

Тот же предел возникает при изучении движения. Если s(t)s(t) есть положение в момент tt точки, движущейся по прямой, то отношение s(t0+h)−s(t0)h\frac{s(t_0 + h) - s(t_0)}{h} есть её средняя скорость между моментами t0t_0 и t0+ht_0 + h: перемещение, делённое на затраченное время. Скорость в момент t0t_0, которую показал бы спидометр, есть предел средних скоростей, когда hh стремится к 00. Например, если s(t)=t2−4ts(t) = t^2 - 4t, то средняя скорость между 11 и 1+h1 + h равна (1+h)2−4(1+h)+3h=h−2\frac{(1 + h)^2 - 4(1 + h) + 3}{h} = h - 2 и стремится к −2-2: в момент 11 точка движется влево со скоростью две единицы длины за единицу времени. Оба вопроса, о касательной и о скорости, ведут к одному и тому же пределу, и именно этот предел определяется ниже.

Производная в точке

Как и на занятии о пределе функции, сначала нужно уточнить, где предел имеет смысл. Отношению нужно значение f(a)f(a), так что aa должно принадлежать области определения; а предел при стремлении xx к aa требует, чтобы aa было предельной точкой области определения.

ОпределениеПроизводная функции в точке

Пусть ff есть действительная функция, определённая на множестве AA действительных чисел, и aa есть элемент AA, являющийся предельной точкой AA. Разностным отношением функции ff в точке aa называется функция f(x)−f(a)x−a\frac{f(x) - f(a)}{x - a}, определённая для тех xx из AA, которые отличны от aa. Говорят, что ff дифференцируема в точке aa, если разностное отношение имеет действительный предел LL при стремлении xx к aa; это число называется производной функции ff в точке aa и обозначается f′(a)f'(a):

f′(a)=L↔(∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−f(a)x−a−L∣<ε)f'(a) = L \leftrightarrow (\forall \varepsilon > 0)(\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{\frac{f(x) - f(a)}{x - a} - L} < \varepsilon\right)

Отношение определено на A∖{a}A \setminus \{a\}, и aa является предельной точкой этого множества, поскольку определение предельной точки учитывает только элементы, отличные от aa. В силу единственности предела производная, если она существует, единственна. В изолированной точке области определения производная не определяется, хотя всякая функция в ней непрерывна. А если отношение стремится к ∞\infty или к −∞-\infty, то функция не дифференцируема в aa: производная есть действительное число. Определение часто записывают через приращение h=x−ah = x - a вместо точки xx, как в примере.

УтверждениеПроизводная через приращение аргумента

При условиях определения, если рассматривать f(a+h)f(a + h) только там, где это выражение определено:

f′(a)=L⇔lim⁡h→0f(a+h)−f(a)h=Lf'(a) = L \Leftrightarrow \lim_{h \to 0} \frac{f(a + h) - f(a)}{h} = L

Это замена переменной x=a+hx = a + h, которую предложение о сдвиге и отражении на занятии об односторонних пределах выполнило для одной стороны, а теперь она делается для обеих сторон сразу.

Доказательство

  1. Q(a+h)=f(a+h)−f(a)h,h≠0→a+h≠aQ(a + h) = \frac{f(a + h) - f(a)}{h}, \qquad h \neq 0 \rightarrow a + h \neq a

    Пусть Q(x)Q(x) есть разностное отношение. Функция g(h)=a+hg(h) = a + h, рассматриваемая для тех h≠0h \neq 0, при которых a+ha + h лежит в AA, стремится к aa, не принимает значения aa, и её значения лежат в области определения QQ. По теореме о пределе композиции из занятия об арифметических свойствах пределов, если QQ стремится к LL в точке aa, то и Q(a+h)Q(a + h) стремится к LL в точке 00.

  2. Q(x)=Q(a+(x−a)),x≠a→x−a≠0Q(x) = Q\left(a + (x - a)\right), \qquad x \neq a \rightarrow \resaltar{x - a \neq 0}

    Обратно, функция x−ax - a, рассматриваемая для тех xx из AA, которые отличны от aa, стремится к 00 и не принимает значения 00; в композиции с h↦Q(a+h)h \mapsto Q(a + h) она даёт отношение Q(x)Q(x), которое стремится к тому же пределу.

Первые производные вычисляются непосредственно. Если f(x)=mx+bf(x) = mx + b, то разностное отношение равно m(a+h)+b−(ma+b)h=m\frac{m(a + h) + b - (ma + b)}{h} = m при всяком h≠0h \neq 0, и его предел равен mm: производная линейной функции в каждой точке есть её угловой коэффициент, а её касательная есть сама эта прямая. В частности, производная постоянной равна 00, а производная тождественной функции f(x)=xf(x) = x равна 11. Для f(x)=x2f(x) = x^2 вычисление из примера, с aa вместо 11, даёт (a+h)2−a2h=2a+h\frac{(a + h)^2 - a^2}{h} = 2a + h, и производная равна 2a2a.

Односторонние производные

На концах промежутка или в точке, где функция меняет формулу, разностное отношение полезно рассматривать с каждой стороны отдельно.

ОпределениеОдносторонние производные

Пусть aa есть элемент AA, являющийся предельной точкой A∩(a,∞)A \cap \ioo{a}{\infty}. Говорят, что ff дифференцируема справа в точке aa, если разностное отношение имеет действительный предел справа в aa; этот предел называется производной справа и обозначается f+′(a)f'_+(a):

f+′(a)=L↔(∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(a<x<a+δ→∣f(x)−f(a)x−a−L∣<ε)f'_+(a) = L \leftrightarrow (\forall \varepsilon > 0)(\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(a < x < a + \delta \rightarrow \abs{\frac{f(x) - f(a)}{x - a} - L} < \varepsilon\right)

Аналогично, если aa есть предельная точка A∩(−∞,a)A \cap \ioo{-\infty}{a}, то производная слева f−′(a)f'_-(a) есть предел слева разностного отношения, с условием a−δ<x<aa - \delta < x < a.

УтверждениеПроизводная и односторонние производные

Пусть aa есть элемент AA.

  • Если aa является предельной точкой и A∩(a,∞)A \cap \ioo{a}{\infty}, и A∩(−∞,a)A \cap \ioo{-\infty}{a}, то ff дифференцируема в aa тогда и только тогда, когда обе односторонние производные существуют и равны; в этом случае f′(a)=f+′(a)=f−′(a)f'(a) = f'_+(a) = f'_-(a).
  • Если aa является предельной точкой точек AA, лежащих только с одной стороны, то ff дифференцируема в aa тогда и только тогда, когда она дифференцируема с этой стороны, и производная равна односторонней производной.

Никакого нового рассуждения не нужно: односторонние производные суть односторонние пределы разностного отношения, а занятие об односторонних пределах уже связало их с пределом.

Доказательство

  1. lim⁡x→af(x)−f(a)x−a=L⇔f+′(a)=L=f−′(a)\lim_{x \to a} \frac{f(x) - f(a)}{x - a} = L \Leftrightarrow f'_+(a) = L = \resaltar{f'_-(a)}

    В первом случае теорема о пределе и односторонних пределах, применённая к разностному отношению, даёт равносильность.

  2. (∀x∈A)(0<∣x−a∣<r→x>a)→f′(a)=f+′(a)\left(\forall x \in A\right)\left(0 < \abs{x - a} < r \rightarrow x > a\right) \rightarrow f'(a) = \resaltar{f'_+(a)}

    Во втором случае на том же занятии было замечено, что если aa является предельной точкой точек области определения, лежащих только с одной стороны, то предел и односторонний предел с этой стороны совпадают: существует такое r>0r > 0, что все xx из AA с 0<∣x−a∣<r0 < \abs{x - a} < r лежат с этой стороны.

Например, модуль имеет в точке 00 разностное отношение ∣x∣x\frac{\abs{x}}{x}, равное 11 при x>0x > 0 и −1-1 при x<0x < 0: его односторонние производные равны f+′(0)=1f'_+(0) = 1 и f−′(0)=−1f'_-(0) = -1, они различны, и ∣x∣\abs{x} не дифференцируема в 00. Напротив, если функция определена на [0,1]\icc{0}{1}, то её производная в 00 есть её производная справа, а в 11 есть её производная слева: определение уже рассматривает концы области определения как единственные стороны. Например, функция f(x)=xf(x) = x, суженная на [0,1]\icc{0}{1}, дифференцируема в 00, причём f′(0)=1f'(0) = 1.

Касательная и нормаль

С появлением производной касательная перестаёт быть фигурой, которую узнают на глаз, и становится прямой, которую вычисляют.

ОпределениеКасательная и нормаль

Пусть ff дифференцируема в aa. Касательной к графику функции ff в точке (a,f(a))(a, f(a)) называется прямая, проходящая через эту точку с угловым коэффициентом f′(a)f'(a):

y=f(a)+f′(a)(x−a)y = f(a) + f'(a)(x - a)

Нормалью в той же точке называется прямая, перпендикулярная касательной и проходящая через эту точку: если f′(a)≠0f'(a) \neq 0, то это прямая y=f(a)−1f′(a)(x−a)y = f(a) - \frac{1}{f'(a)}(x - a), а если f′(a)=0f'(a) = 0, то это вертикальная прямая x=ax = a.

Угловой коэффициент нормали получается из теоремы о перпендикулярных прямых из занятия об уравнении прямой: две невертикальные прямые перпендикулярны тогда и только тогда, когда произведение их угловых коэффициентов равно −1-1. Вернёмся к кривой y=x3y = x^3: её разностное отношение в точке 00 равно x2x^2 и стремится к 00, так что касательная в начале координат есть горизонтальная ось, хотя она и пересекает кривую. Когда ff непрерывна в aa, а разностное отношение стремится к ∞\infty или к −∞-\infty, секущие приближаются к вертикали; тогда говорят, что график имеет в точке (a,f(a))(a, f(a)) вертикальную касательную, прямую x=ax = a, хотя ff не дифференцируема в aa.

Аналогично, если s(t)s(t) есть положение точки, движущейся по прямой, то её скорость в момент t0t_0 есть s′(t0)s'(t_0), если эта производная существует. Знак скорости указывает направление движения, а её абсолютная величина есть модуль скорости. Занятие о скорости изменения разовьёт это истолкование.

Производная функция и обозначение Лейбница

Каждая точка, в которой ff дифференцируема, даёт число, производную в этой точке. Из всех этих чисел составляется новая функция.

ОпределениеПроизводная функция

Пусть ff есть функция, определённая на AA. Производной функцией для ff называется функция f′f', которая каждой точке xx из AA, где ff дифференцируема, ставит в соответствие число f′(x)f'(x); её область определения есть множество этих точек. Если ff дифференцируема во всех точках множества SS, содержащегося в AA, то говорят, что она дифференцируема на SS; а если она дифференцируема во всей своей области определения, то говорят просто, что она дифференцируема.

Например, производная функции x2x^2 есть функция 2x2x, определённая на всём R\mathbb{R}; производная модуля равна 11 на (0,∞)\ioo{0}{\infty} и −1-1 на (−∞,0)\ioo{-\infty}{0}, и её область определения не содержит 00. Обозначение f′f', со штрихом, принадлежит Лагранжу. Другое употребительное обозначение принадлежит Лейбницу: если y=f(x)y = f(x), то производная записывается как dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} или dfdx\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x}, а операция дифференцирования по xx записывается как ddx\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} перед дифференцируемым выражением:

ddx(x2)=2x,ddx(mx+b)=m\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(x^2\right) = 2x, \qquad \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(mx + b\right) = m

Обозначение напоминает, откуда берётся производная. Если Δx\Delta x есть приращение переменной, а Δy=f(x+Δx)−f(x)\Delta y = f(x + \Delta x) - f(x) есть соответствующее приращение функции, то разностное отношение есть ΔyΔx\frac{\Delta y}{\Delta x}, а производная есть его предел:

dydx=lim⁡Δx→0ΔyΔx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x}

Следует подчеркнуть, что пока dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} есть единый символ, а не отношение: dy\mathrm{d}y и dx\mathrm{d}x по отдельности ещё не имеют смысла; они его получат на занятии о производных высших порядков и дифференциале. Обозначение явно указывает переменную, по которой дифференцируют: если положение зависит от времени, скорость записывается как s′(t)s'(t) или dsdt\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}.

Три критерия дифференцируемости

Определение говорит, что разностное отношение стремится к f′(a)f'(a). Есть ещё два способа сказать то же самое, каждый полезен для своей цели: второй сравнивает функцию с её касательной; третий обходится без деления.

ТеоремаКритерии дифференцируемости

Пусть ff есть функция, определённая на AA, aa есть элемент AA, являющийся предельной точкой AA, и LL есть действительное число. Следующие три утверждения равносильны:

  • Разностное отношение. Функция ff дифференцируема в aa, и f′(a)=Lf'(a) = L.
  • Линейное приближение. f(a+h)=f(a)+Lh+o⁡(h)f(a + h) = f(a) + Lh + \operatorname{o}(h) при стремлении hh к 00; иначе говоря, остаток R(h)=f(a+h)−f(a)−LhR(h) = f(a + h) - f(a) - Lh удовлетворяет условию lim⁡h→0R(h)h=0\lim_{h \to 0} \frac{R(h)}{h} = 0.
  • Каратеодори. Существует функция φ ⁣:A→R\varphi \colon A \to \mathbb{R}, 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 AA.

Здесь o⁡\operatorname{o} малое понимается так же, как на занятии об эквивалентных бесконечно малых и бесконечно больших, причём f(a+h)f(a + h) рассматривается только там, где это выражение определено. Функция φ\varphi есть угловой коэффициент секущей, доопределённый в aa производной. На рисунке для f(x)=x2+12f(x) = \frac{x^2 + 1}{2} и a=1a = 1 показаны остаток между кривой и касательной, секущая и, в конце, график φ\varphi, который в этом случае есть прямая φ(x)=x+12\varphi(x) = \frac{x + 1}{2}.

Доказательство

  1. R(h)h=f(a+h)−f(a)h−L→0⇔f(a+h)−f(a)h→L\frac{R(h)}{h} = \frac{f(a + h) - f(a)}{h} - L \to 0 \Leftrightarrow \resaltar{\frac{f(a + h) - f(a)}{h} \to L}

    Первое и второе: частное от деления остатка на hh есть разностное отношение минус LL. По лемме о пределе как расстоянии, стремящемся к нулю, из занятия об арифметических свойствах пределов, оно стремится к 00 тогда и только тогда, когда разностное отношение стремится к LL, а по выражению производной через приращение аргумента это равносильно f′(a)=Lf'(a) = L.

  2. φ(x)={f(x)−f(a)x−ax≠aLx=a,lim⁡x→aφ(x)=L=φ(a)\varphi(x) = \begin{cases} \frac{f(x) - f(a)}{x - a} & x \neq a \\ L & x = a \end{cases}, \qquad \lim_{x \to a} \varphi(x) = L = \resaltar{\varphi(a)}

    От первого к третьему: определим φ\varphi как разностное отношение вне aa и как LL в aa. Равенство выполняется при всяком x≠ax \neq a по определению, а при x=ax = a потому, что обе его части равны 00. Так как aa есть предельная точка AA и предел φ\varphi в aa равен L=φ(a)L = \varphi(a), предложение о непрерывности и пределе из занятия о пределе и непрерывности даёт непрерывность φ\varphi в aa.

  3. x≠a→f(x)−f(a)x−a=φ(x)→φ(a)=Lx \neq a \rightarrow \frac{f(x) - f(a)}{x - a} = \varphi(x) \to \varphi(a) = \resaltar{L}

    От третьего к первому: при x≠ax \neq a делим на x−ax - a, и разностное отношение оказывается сужением φ\varphi на A∖{a}A \setminus \{a\}. Так как φ\varphi непрерывна в aa, по тому же предложению она стремится к φ(a)=L\varphi(a) = L, а по лемме о пределе сужения из занятия об арифметических свойствах пределов туда же стремится и отношение.

Функция φ\varphi из третьего критерия, если она существует, единственна: вне aa она есть разностное отношение, а в aa её значение есть предел этого отношения. Второй критерий объясняет, в каком смысле касательная есть прямая, лучше всего следующая за кривой. Если заменить f(a+h)f(a + h) на f(a)+mhf(a) + mh с угловым коэффициентом mm, отличным от f′(a)f'(a), то погрешность равна (f′(a)−m)h+o⁡(h)(f'(a) - m)h + \operatorname{o}(h), и её частное от деления на hh стремится к f′(a)−m≠0f'(a) - m \neq 0: она того же порядка, что и hh. Только при угловом коэффициенте f′(a)f'(a) погрешность пренебрежимо мала по сравнению с hh. Третий критерий даёт техническое преимущество: это равенство между произведениями, без делений. Занятия о правилах дифференцирования и о правиле дифференцирования сложной функции будут пользоваться им, чтобы не делить на величины, которые могут обращаться в нуль. Первое следствие получается сразу.

ТеоремаИз дифференцируемости следует непрерывность

Если ff дифференцируема в aa, то ff непрерывна в aa. Разложение Каратеодори записывает ff с помощью операций над функциями, непрерывными в aa.

Доказательство

  1. f(x)=f(a)+φ(x)(x−a)f(x) = f(a) + \varphi(x)(x - a)

    По теореме о критериях дифференцируемости существует φ\varphi, непрерывная в aa, такая что f(x)=f(a)+φ(x)(x−a)f(x) = f(a) + \varphi(x)(x - a) для всякого xx из AA.

  2. lim⁡x→af(x)=f(a)+φ(a)⋅0=f(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a) + \varphi(a) \cdot 0 = \resaltar{f(a)}

    Постоянная f(a)f(a) и многочлен x−ax - a непрерывны в aa, и φ\varphi тоже. По теореме об операциях над непрерывными функциями из занятия о пределе и непрерывности сумма постоянной и произведения непрерывна в aa.

Обратное утверждение неверно. Непрерывность требует, чтобы разность f(x)−f(a)f(x) - f(a) стремилась к 00; дифференцируемость требует большего: чтобы частное от деления этой разности на x−ax - a имело предел, то есть чтобы разность стремилась к 00 по меньшей мере так же быстро, как x−ax - a, и не колебалась между различными угловыми коэффициентами.

УтверждениеНепрерывность без дифференцируемости

Модуль и кубический корень непрерывны в 00 и не дифференцируемы в 00: у первого односторонние производные различны, а разностное отношение второго стремится к ∞\infty, так что его график имеет в начале координат вертикальную касательную. Обе функции непрерывны по следствию об известных непрерывных функциях из занятия о пределе и непрерывности. На рисунке показаны для модуля два односторонних угловых коэффициента, а для кубического корня секущие, становящиеся всё круче.

Доказательство

  1. f+′(0)=lim⁡x→0+∣x∣x=1≠−1=lim⁡x→0−∣x∣x=f−′(0)f'_+(0) = \lim_{x \to 0^+} \frac{\abs{x}}{x} = 1 \neq -1 = \lim_{x \to 0^-} \frac{\abs{x}}{x} = \resaltar{f'_-(0)}

    Разностное отношение модуля в 00 равно 11 справа и −1-1 слева. Односторонние производные различны, и по предложению о производной и односторонних производных ∣x∣\abs{x} не дифференцируема в 00.

  2. x3−0x−0=1(x3)2→∞\frac{\sqrt[3]{x} - 0}{x - 0} = \frac{1}{\left(\sqrt[3]{x}\right)^2} \to \resaltar{\infty}

    Разностное отношение кубического корня в 00 есть величина, обратная к выражению (x3)2\left(\sqrt[3]{x}\right)^2, которое положительно при x≠0x \neq 0 и стремится к 00 в силу непрерывности корня. По лемме об обратной величине из занятия о бесконечных пределах отношение стремится к ∞\infty и не имеет действительного предела.

Обе функции нарушают дифференцируемость лишь в одной точке, но существуют функции, непрерывные на всей прямой и не дифференцируемые ни в одной точке; Вейерштрасс в 1872 году предложил самый знаменитый пример, построение которого выходит за рамки этого курса.

Решённые задачи

Задачи расположены по возрастанию трудности: в первой вычисляется производная, которая перестаёт существовать на границе области определения; во второй касательная помогает обнаружить свойство гиперболы; третья показывает, что односторонние производные могут не существовать; четвёртая показывает, что функция может быть дифференцируема лишь в одной точке; а последняя сочетает разложение Каратеодори с односторонними производными.

Решённая задача 1Квадратный корень на границе области определения

Исследовать дифференцируемость функции f(x)=xf(x) = \sqrt{x}, определённой на [0,∞)\ico{0}{\infty}, и найти касательную в точке с абсциссой 44.

Решение

  1. a+h−ah=(a+h)−a(a+h+a)h=1a+h+a\frac{\sqrt{a + h} - \sqrt{a}}{h} = \frac{(a + h) - a}{\left(\sqrt{a + h} + \sqrt{a}\right) h} = \frac{1}{\sqrt{a + h} + \sqrt{a}}

    При a>0a > 0 разностное отношение есть неопределённость вида 00\frac{0}{0}; умножаем и делим на сопряжённое выражение.

  2. f′(a)=12a,y=2+14(x−4)=x4+1f'(a) = \resaltar{\frac{1}{2\sqrt{a}}}, \qquad y = 2 + \frac{1}{4}(x - 4) = \frac{x}{4} + 1

    В силу непрерывности корня знаменатель стремится к 2a≠02\sqrt{a} \neq 0, и по теореме о пределе обратной величины из занятия об арифметических свойствах пределов отношение стремится к 12a\frac{1}{2\sqrt{a}}. При a=4a = 4 производная равна 14\frac{1}{4}, и касательная проходит через (4,2)(4, 2).

  3. lim⁡h→0+h−0h=lim⁡h→0+1h=∞\lim_{h \to 0^+} \frac{\sqrt{h} - 0}{h} = \lim_{h \to 0^+} \frac{1}{\sqrt{h}} = \resaltar{\infty}

    В точке a=0a = 0 точки области определения есть только справа, и по предложению о производной и односторонних производных производная есть производная справа. Отношение равно 1h\frac{1}{\sqrt{h}}, и так как h\sqrt{h} положительно и стремится к 00, лемма об обратной величине даёт ∞\infty.

  4. f ⁣:[0,∞)→R,f′ ⁣:(0,∞)→Rf \colon \ico{0}{\infty} \to \mathbb{R}, \qquad f' \colon \resaltar{\ioo{0}{\infty}} \to \mathbb{R}

    Итак, x\sqrt{x} дифференцируема на (0,∞)\ioo{0}{\infty} и не дифференцируема в 00, где она непрерывна и её график имеет вертикальную касательную x=0x = 0. Производная функция имеет меньшую область определения, чем сама функция.

Решённая задача 2Касательная к гиперболе

Доказать, что касательная к y=1xy = \frac{1}{x} в точке (a,1a)\left(a, \frac{1}{a}\right), где a>0a > 0, образует с осями треугольник площади 22, каково бы ни было aa, и что точка касания есть середина отрезка, который оси отсекают на касательной.

Решение

  1. 1a+h−1ah=−ha(a+h) h=−1a(a+h)→−1a2\frac{\frac{1}{a + h} - \frac{1}{a}}{h} = \frac{-h}{a(a + h) \, h} = -\frac{1}{a(a + h)} \to \resaltar{-\frac{1}{a^2}}

    Разностное отношение упрощается после вычитания дробей; по теореме о пределе обратной величины его предел равен −1a2-\frac{1}{a^2}.

  2. y=1a−1a2(x−a)=2a−xa2y = \frac{1}{a} - \frac{1}{a^2}(x - a) = \resaltar{\frac{2}{a} - \frac{x}{a^2}}

    Касательная проходит через (a,1a)\left(a, \frac{1}{a}\right) с этим угловым коэффициентом.

  3. (2a,0),(0,2a),(2a+02,0+2a2)=(a,1a)\dato{c}{(2a, 0), \quad \left(0, \frac{2}{a}\right)}, \qquad \left(\frac{2a + 0}{2}, \frac{0 + \frac{2}{a}}{2}\right) = \resaltar{\left(a, \frac{1}{a}\right)}

    При y=0y = 0 получается точка пересечения с горизонтальной осью, а при x=0x = 0 точка пересечения с вертикальной. Середина между ними есть точка касания.

  4. 12⋅2a⋅2a=2\frac{1}{2} \cdot 2a \cdot \frac{2}{a} = \resaltar{2}

    Треугольник имеет катеты 2a2a и 2a\frac{2}{a}, лежащие на осях. Его площадь не зависит от aa: на рисунке показаны два таких треугольника, разной формы и одинаковой площади.

Решённая задача 3Непрерывная и без односторонних производных

Пусть f(x)=xsin⁡1xf(x) = x \sin \frac{1}{x} и g(x)=x2sin⁡1xg(x) = x^2 \sin \frac{1}{x} при x≠0x \neq 0, и f(0)=g(0)=0f(0) = g(0) = 0. Доказать, что ff непрерывна в 00 и не имеет в 00 ни производной, ни односторонних производных, а gg дифференцируема в 00, причём g′(0)=0g'(0) = 0.

Решение

  1. f(x)−f(0)x−0=xsin⁡1xx=sin⁡1x\frac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \frac{x \sin \frac{1}{x}}{x} = \resaltar{\sin \frac{1}{x}}

    По решённой задаче 3 из занятия о пределе и непрерывности ff непрерывна в 00. Её разностное отношение в 00 равно sin⁡1x\sin \frac{1}{x}.

  2. sin⁡1xn=1,sin⁡1yn=−1,xn=1π2+2nπ,yn=13π2+2nπ\sin \frac{1}{x_n} = 1, \quad \sin \frac{1}{y_n} = -1, \qquad x_n = \frac{1}{\frac{\pi}{2} + 2n\pi}, \quad y_n = \frac{1}{\frac{3\pi}{2} + 2n\pi}

    В задаче 3 для самостоятельного решения из занятия о пределе было доказано, что sin⁡1x\sin \frac{1}{x} не имеет предела в 00, с помощью двух семейств положительных точек, в которых она равна 11 и −1-1. То же рассуждение исключает предел справа; с противоположными точками, в которых она равна −1-1 и 11, исключается предел слева.

  3. g(x)−g(0)x−0=xsin⁡1x→0,g′(0)=0\frac{g(x) - g(0)}{x - 0} = x \sin \frac{1}{x} \to 0, \qquad g'(0) = \resaltar{0}

    Напротив, разностное отношение gg равно xsin⁡1xx \sin \frac{1}{x}, то есть произведению ограниченной функции на функцию, стремящуюся к 00; по теореме из занятия о теореме о двух милиционерах оно стремится к 00.

  4. ∣g(x)∣≤x2=o⁡(x)\abs{g(x)} \leq x^2 = \resaltar{\operatorname{o}(x)}

    Обе функции колеблются бесконечно много раз вблизи 00. Колебание ff ограничено величиной ∣x∣\abs{x}, которая того же порядка, что и знаменатель x−0x - 0, и отношение продолжает колебаться; колебание gg ограничено величиной x2x^2, которая пренебрежимо мала по сравнению с xx, и отношение затухает.

Решённая задача 4Дифференцируемая лишь в одной точке

Пусть ff есть функция, равная x2x^2, если xx рационально, и 00, если xx иррационально. Доказать, что ff дифференцируема в 00, причём f′(0)=0f'(0) = 0, и не дифференцируема ни в какой другой точке.

Решение

  1. x∈Q→x g(x)=x2,x∉Q→x g(x)=0x \in \mathbb{Q} \rightarrow x \, g(x) = x^2, \qquad x \notin \mathbb{Q} \rightarrow x \, g(x) = 0

    Пусть gg есть функция из решённой задачи 5 из занятия о пределе и непрерывности, равная xx в рациональных точках и 00 в иррациональных. Тогда f(x)=x g(x)f(x) = x \, g(x) для всякого xx, в обоих случаях.

  2. f(x)−f(0)x−0=x g(x)x=g(x)→g(0)=0,f′(0)=0\frac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \frac{x \, g(x)}{x} = g(x) \to g(0) = 0, \qquad f'(0) = \resaltar{0}

    В 00 разностное отношение равно g(x)g(x) и стремится к g(0)=0g(0) = 0, потому что в той задаче было доказано, что gg непрерывна в 00.

  3. lim⁡x→af(x)=f(a)→lim⁡x→af(x)x=f(a)a=g(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a) \rightarrow \lim_{x \to a} \frac{f(x)}{x} = \frac{f(a)}{a} = \resaltar{g(a)}

    Пусть a≠0a \neq 0. Если бы ff была непрерывна в aa, то была бы непрерывна и g(x)=f(x)xg(x) = \frac{f(x)}{x}, по правилу частного из теоремы об операциях над непрерывными функциями, поскольку знаменатель в aa не равен нулю; но в той же задаче было доказано, что gg разрывна в aa. Следовательно, ff разрывна в aa, и по теореме о том, что из дифференцируемости следует непрерывность, она не дифференцируема в aa.

Решённая задача 5Модуль дифференцируемой функции

Пусть ff есть функция, определённая на открытом интервале, содержащем aa, дифференцируемая в aa, причём f(a)=0f(a) = 0. Доказать, что F=∣f∣F = \abs{f} имеет в aa односторонние производные ∣f′(a)∣\abs{f'(a)} и −∣f′(a)∣-\abs{f'(a)}, так что она дифференцируема в aa тогда и только тогда, когда f′(a)=0f'(a) = 0. Применить это к ∣sin⁡x∣\abs{\sin x} и к ∣x3∣\abs{x^3} в 00.

Решение

  1. F(x)−F(a)x−a=∣f(x)∣−∣f(a)∣x−a=∣φ(x)∣∣x−a∣x−a={∣φ(x)∣x>a−∣φ(x)∣x<a\frac{F(x) - F(a)}{x - a} = \frac{\abs{f(x)} - \abs{f(a)}}{x - a} = \frac{\abs{\varphi(x)}\abs{x - a}}{x - a} = \begin{cases} \abs{\varphi(x)} & x > a \\ -\abs{\varphi(x)} & x < a \end{cases}

    По критерию Каратеодори f(x)=φ(x)(x−a)f(x) = \varphi(x)(x - a), где φ\varphi непрерывна в aa и φ(a)=f′(a)\varphi(a) = f'(a). При переходе к модулям множитель ∣x−a∣\abs{x - a} равен x−ax - a справа и a−xa - x слева.

  2. F+′(a)=∣f′(a)∣,F−′(a)=−∣f′(a)∣,∣f′(a)∣=−∣f′(a)∣⇔f′(a)=0F'_+(a) = \abs{f'(a)}, \qquad F'_-(a) = -\abs{f'(a)}, \qquad \abs{f'(a)} = -\abs{f'(a)} \Leftrightarrow \resaltar{f'(a) = 0}

    Функция ∣φ∣\abs{\varphi} непрерывна в aa по теореме о композиции непрерывных функций и стремится к ∣f′(a)∣\abs{f'(a)}. По предложению о производной и односторонних производных FF дифференцируема в aa тогда и только тогда, когда обе односторонние производные совпадают, то есть когда ∣f′(a)∣=−∣f′(a)∣\abs{f'(a)} = -\abs{f'(a)}.

  3. sin⁡xx→1≠0,x3x=x2→0\frac{\sin x}{x} \to 1 \neq 0, \qquad \frac{x^3}{x} = x^2 \to \resaltar{0}

    Синус удовлетворяет равенству sin⁡0=0\sin 0 = 0, и его разностное отношение в 00 есть sin⁡xx\frac{\sin x}{x}, которое стремится к 11 по первому замечательному пределу: ∣sin⁡x∣\abs{\sin x} имеет в 00 односторонние производные 11 и −1-1 и не дифференцируема. Куб имеет в 00 отношение x2x^2, которое стремится к 00: ∣x3∣\abs{x^3} дифференцируема в 00, и её производная равна 00.

Задачи для самостоятельного решения

Задачи расположены по возрастанию трудности: в первой производная прочитывается в геометрии круга и шара; во второй ищутся нормали, проходящие через данную точку; третья показывает, что односторонняя производная может существовать там, где функция делает скачок; четвёртая сравнивает касательную, найденную через производную, с касательной к окружности; а в последней изучается отношение, похожее на производную, но ею не являющееся. У каждой есть подсказка, которую лучше открывать только после собственной попытки.

Задача для самостоятельного решения 1Площадь круга и объём шара

Пусть A(r)=πr2A(r) = \pi r^2 есть площадь круга радиуса rr, а V(r)=43πr3V(r) = \frac{4}{3}\pi r^3 есть объём шара радиуса rr. Вычислить по определению dAdr\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}r} и dVdr\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} и узнать каждый результат.

Подсказка

Раскрой (r+h)2(r + h)^2 и (r+h)3(r + h)^3 и упрости разностное отношение, прежде чем переходить к пределу. Приращение площади есть площадь кольца ширины hh.

Ответ
dAdr=2πr,dVdr=4πr2\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}r} = 2\pi r, \qquad \frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = 4\pi r^2

Это длина окружности и площадь сферы.

Задача для самостоятельного решения 2Нормали, проходящие через точку

Найти все точки параболы y=x2y = x^2, нормаль в которых проходит через точку (0,1)(0, 1), и записать эти нормали.

Подсказка

Нормаль в (a,a2)(a, a^2) имеет угловой коэффициент −12a-\frac{1}{2a} при a≠0a \neq 0; потребуй, чтобы она проходила через (0,1)(0, 1). Не забудь случай a=0a = 0, когда производная обращается в нуль и нормаль вертикальна.

Ответ

Три точки: (0,0)(0, 0) с нормалью x=0x = 0 и (±22,12)\left(\pm\frac{\sqrt{2}}{2}, \frac{1}{2}\right) с нормалями y=1∓x2y = 1 \mp \frac{x}{\sqrt{2}}.

Задача для самостоятельного решения 3Односторонние производные целой части

Доказать, что целая часть E(x)=⌊x⌋E(x) = \lfloor x \rfloor дифференцируема в каждом нецелом действительном числе, причём её производная равна 00, и что в каждом целом nn она имеет производную справа, равную 00, но не имеет производной слева. Противоречит ли это теореме о том, что из дифференцируемости следует непрерывность?

Подсказка

В целой точке nn справа функция равна nn, а слева n−1n - 1: разностное отношение равно 00 справа и −1x−n\frac{-1}{x - n} слева. Для последнего вопроса сравни условие теоремы с тем, что происходит в nn.

Ответ
E′(x)=0(x∉Z),E+′(n)=0,lim⁡x→n−E(x)−E(n)x−n=∞E'(x) = 0 \quad (x \notin \mathbb{Z}), \qquad E'_+(n) = 0, \qquad \lim_{x \to n^-} \frac{E(x) - E(n)}{x - n} = \infty

Противоречия нет: функция не дифференцируема в nn; производная справа даёт лишь непрерывность справа (теорема, применённая к сужению EE на [n,∞)\ico{n}{\infty}), и эта непрерывность имеет место.

Задача для самостоятельного решения 4Касательная к окружности

Пусть f(x)=1−x2f(x) = \sqrt{1 - x^2} есть верхняя полуокружность с центром (0,0)(0, 0) и радиусом 11. Вычислить f′(a)f'(a) при −1<a<1-1 < a < 1, доказать, что касательная перпендикулярна радиусу, соединяющему начало координат с (a,f(a))(a, f(a)), как на занятии об окружности, и исследовать, что происходит при a=±1a = \pm 1.

Подсказка

Умножь и раздели разностное отношение на 1−(a+h)2+1−a2\sqrt{1 - (a + h)^2} + \sqrt{1 - a^2}. Если a≠0a \neq 0, то радиус имеет угловой коэффициент f(a)a\frac{f(a)}{a}; если a=0a = 0, то он вертикален. В a=1a = 1 точки области определения есть только слева.

Ответ
f′(a)=−a1−a2,−a1−a2⋅1−a2a=−1(a≠0)f'(a) = -\frac{a}{\sqrt{1 - a^2}}, \qquad -\frac{a}{\sqrt{1 - a^2}} \cdot \frac{\sqrt{1 - a^2}}{a} = -1 \quad (a \neq 0)

При a=0a = 0 касательная горизонтальна, а радиус вертикален. При a=1a = 1 отношение стремится к −∞-\infty, а при a=−1a = -1 к ∞\infty: ff не дифференцируема в ±1\pm 1, и её график имеет там вертикальные касательные.

Задача для самостоятельного решения 5Симметричное разностное отношение

Пусть ff определена на открытом интервале, содержащем aa. Доказать, что если ff дифференцируема в aa, то lim⁡h→0f(a+h)−f(a−h)2h=f′(a)\lim_{h \to 0} \frac{f(a + h) - f(a - h)}{2h} = f'(a). Доказать на примере f(x)=∣x∣f(x) = \abs{x} в a=0a = 0, что этот предел может существовать, хотя ff не дифференцируема.

Подсказка

Запиши линейное приближение для hh и для −h-h и вычти одно из другого: остатки дают o⁡(h)\operatorname{o}(h). Для модуля числитель равен ∣h∣−∣−h∣\abs{h} - \abs{-h}.

Ответ
f(a+h)−f(a−h)2h=f′(a)+R(h)−R(−h)2h→f′(a),∣h∣−∣−h∣2h=0\frac{f(a + h) - f(a - h)}{2h} = f'(a) + \frac{R(h) - R(-h)}{2h} \to f'(a), \qquad \frac{\abs{h} - \abs{-h}}{2h} = 0

У модуля симметричное разностное отношение равно 00 в 00, и он там не дифференцируем.

Подробное решение

Решение

  1. f(a+h)=f(a)+f′(a)h+R(h),f(a−h)=f(a)−f′(a)h+R(−h)f(a + h) = f(a) + f'(a)h + R(h), \qquad f(a - h) = f(a) - f'(a)h + R(-h)

    По линейному приближению с L=f′(a)L = f'(a) остаток RR удовлетворяет условию R(h)h→0\frac{R(h)}{h} \to 0. При замене hh на −h-h по теореме о пределе композиции также R(−h)−h→0\frac{R(-h)}{-h} \to 0.

  2. f(a+h)−f(a−h)2h=f′(a)+12⋅R(h)h+12⋅R(−h)−h→f′(a)\frac{f(a + h) - f(a - h)}{2h} = f'(a) + \frac{1}{2} \cdot \frac{R(h)}{h} + \frac{1}{2} \cdot \frac{R(-h)}{-h} \to \resaltar{f'(a)}

    Вычитаем два равенства и делим на 2h2h; по теореме о пределе линейной комбинации оба частных с остатками дают 00.

  3. ∣h∣−∣−h∣2h=0,f+′(0)=1≠−1=f−′(0)\frac{\abs{h} - \abs{-h}}{2h} = \resaltar{0}, \qquad f'_+(0) = 1 \neq -1 = f'_-(0)

    Для модуля в 00 числитель равен нулю при всяком hh, и симметричное разностное отношение стремится к 00; однако односторонние производные равны 11 и −1-1. Симметричное разностное отношение усредняет два односторонних угловых коэффициента и скрывает излом.