Краткое содержание
На этом занятии доказывается, что функция, обратная к непрерывной и строго монотонной на промежутке функции, дифференцируема в каждой точке, в которой функция имеет ненулевую производную, и что её производная есть величина, обратная производной функции, взятой в соответствующей точке: при отражении графика относительно прямой касательная с угловым коэффициентом переходит в касательную с угловым коэффициентом . Доказательство использует непрерывность обратной функции, из занятия о теореме о промежуточном значении, и критерий Каратеодори; там, где производная функции обращается в нуль, обратная функция не дифференцируема. С помощью теоремы дифференцируются арксинус, арккосинус, арктангенс, обратные гиперболические функции, корни и степени с рациональным показателем. Вторая часть занятия дифференцирует функции, заданные уравнением, такие как ветви окружности или декартова листа, в предположении, что функция существует и дифференцируема, и показывает, что происходит, когда это предположение не выполняется.
Цели обучения
- Доказать теорему о производной обратной функции и объяснить, почему обратная функция не дифференцируема там, где производная функции обращается в нуль.
- Дифференцировать обратные тригонометрические функции, обратные гиперболические функции, корни и степени с рациональным показателем, указывая множество, на котором существует каждая производная.
- Дифференцировать функцию, неявно заданную уравнением, в предположении, что она существует и дифференцируема, и находить таким образом касательные к кривым, которые не являются графиками функций.
- Распознавать, когда дифференцирование неявной функции ничего не решает: уравнения, которые не задают ни одной дифференцируемой функции, и точки, в которых коэффициент при производной обращается в нуль.
Производная обратной функции
График функции, обратной к инъективной функции, есть отражение графика функции относительно прямой : точка первого переходит в точку второго. Отражение меняет местами горизонтальное и вертикальное приращения, так что секущая с угловым коэффициентом переходит в секущую с угловым коэффициентом , и естественно ожидать того же от касательных. Занятие о производных элементарных функций отметило это в одном случае: касательные к графикам и в точках, симметричных относительно прямой , имеют взаимно обратные угловые коэффициенты и .
Быстрое вычисление наводит на общую формулу. Если бы была дифференцируема, то, продифференцировав равенство по правилу дифференцирования сложной функции, мы получили бы , и оставалось бы только разделить. Но это вычисление предполагает то, что нужно доказать, а именно дифференцируемость обратной функции, и ничего не говорит о том, что происходит, если . Такой случай существует: функция дифференцируема в точке , с нулевой производной, а обратная к ней функция, кубический корень, не дифференцируема в точке , по утверждению о непрерывности без дифференцируемости из занятия о производной как пределе. Следующая теорема доказывает дифференцируемость, не предполагая её, с помощью критерия Каратеодори, который позволяет выразить приращение обратной функции, не деля ни на какое приращение.
Пусть есть непрерывная и строго монотонная функция на промежутке , содержащем более одной точки, и пусть . Если дифференцируема в точке промежутка и , то обратная функция дифференцируема в точке , и
Представление Каратеодори функции в точке читается в обратную сторону: функция не обращается в нуль, и обратная к ней величина, взятая в точке , раскладывает на множители приращение обратной функции. Рисунок показывает при и секущую и касательную к графику , а затем их отражения, которые являются секущей и касательной к графику кубического корня.
Доказательство
Так как есть промежуток, содержащий более одной точки, все его точки являются предельными точками множества . По теореме о критериях дифференцируемости из занятия о производной как пределе существует функция , непрерывная в точке , с , такая что:
Функция не обращается в нуль ни в одной точке множества . В точке она равна , что не равно нулю; если , то строгая монотонность даёт , и есть разностное отношение, которое тоже не равно нулю.
Пусть из , и пусть , так что и . Разделим представление на , что не равно нулю: приращение обратной функции оказывается разложенным на множители, и ни на какое приращение мы не делили.
По следствиям об образе промежутка и о непрерывности обратной функции из занятия, где доказана теорема о промежуточном значении, есть промежуток, содержащий более одной точки, поскольку инъективна, и непрерывна в точке . Так как непрерывна в точке , по теоремам о композиции непрерывных функций и об операциях над непрерывными функциями из занятия о пределе и непрерывности множитель непрерывен в точке . Так как есть предельная точка множества , критерий Каратеодори даёт производную.
Непрерывность на всём требуется для того, чтобы обратная функция была непрерывна в точке , что и позволяет перейти к пределу на последнем этапе доказательства. Если дифференцируема на всём и её производная не обращается в нуль, то обратная функция дифференцируема на всём , и равенство записывается как равенство функций: . Производная функции берётся в точке , а не в точке . В обозначениях Лейбница, если и , теорема утверждает, что , где производная в знаменателе берётся при . Как и в правиле дифференцирования сложной функции, формула выглядит как правило действий с дробями, но таковым не является. После того как дифференцируемость доказана, быстрое вычисление из начала, которое дифференцирует равенство по правилу дифференцирования сложной функции, есть законный способ запомнить формулу.
Пусть есть непрерывная и строго монотонная функция на промежутке , содержащем более одной точки. Если дифференцируема в точке промежутка и , то не дифференцируема в точке . Если бы она была дифференцируема, правило дифференцирования сложной функции, применённое к тождеству , дало бы .
Доказательство
Предположим, что дифференцируема в точке . Функция определена на и дифференцируема в точке , которая является предельной точкой множества , а её значения лежат в , где определена . По правилу дифференцирования сложной функции из занятия о правиле дифференцирования сложной функции:
Но есть тождественная функция на , производная которой в каждой точке равна , как было показано на занятии о производной как пределе. Противоречие показывает, что не дифференцируема в точке .
Можно сказать больше. Если , то третий этап доказательства теоремы использует лишь то, что не обращается в нуль вне точки , и остаётся верным, даже если : разностное отношение обратной функции равно , а знаменатель стремится к в силу непрерывности композиции. Если возрастает, знаменатель положителен, и отношение стремится к ; если убывает, оно стремится к . График обратной функции имеет в точке вертикальную касательную, отражение горизонтальной касательной к графику в точке , как кубический корень в начале координат.
Загрузка содержимого…