Краткое содержание
Этот урок открывает раздел о производных. Он представляет путь раздела, который определяет производную как предел разностного отношения, записывает её в виде разложения с непрерывным множителем, разложения Каратеодори, и выводит из него, ни разу не деля на величины, которые могут обращаться в нуль, правила дифференцирования, правило дифференцирования сложной функции и производную обратной функции, вплоть до производных высших порядков, дифференциала и скорости изменения. Урок восстанавливает историю производной, от метода Ферма для касательных до определения Коши, через флюксии Ньютона, обозначения Лейбница, критику Беркли и программу Лагранжа, который дал производной имя и обозначение; формулирует задачу, из которой она родилась, а именно касательную к произвольной кривой и скорость в данный момент, и показывает на примере, как разложение заменяет деление на нулевое приращение. В конце он указывает, где производные применяются в следующем разделе, в других курсах сайта, в науке и технике.
Цели обучения
- Описывать путь раздела и объяснять, что доказывает каждый урок и какими прежними результатами он пользуется.
- Объяснять, почему касательная к произвольной кривой и мгновенная скорость требуют определить производную как предел и почему разложение Каратеодори позволяет доказывать правила, не деля на величины, которые могут обращаться в нуль.
- Помещать в исторический контекст этапы развития понятия производной, от метода Ферма до определения Коши, и указывать задачу или критику, которая дала толчок каждому из них.
- Указывать, где производные используются в следующем разделе, в других курсах и в научных и технических приложениях.
Входная проверка
Прежде чем проходить раздел, полезно измерить исходную точку. Эта самопроверка не оценивается: она нужна, чтобы понять, где стоит задержаться. Первые девять вопросов касаются, по порядку, девяти уроков раздела с основным содержанием, по одному на каждый, и измеряют навык вычисления или рассуждения, а не формулировку, которую нужно помнить; те же навыки снова измеряются в конце, в итоговом уроке, на других данных. Пять последних касаются того, что этот раздел считает известным из предыдущего раздела и из курсов «Алгебра и геометрия I» и «Алгебра и геометрия II»: тригонометрического предела, замечательного предела для экспоненты, символа малое, обратной функции и косинуса арксинуса.
Перед началом раздела оцени свою отправную точку. Это короткая самопроверка: она не оценивается, а результат хранится только в твоём браузере.
Вопрос 1Функция определена в точке . Какова, согласно определению производной, касательная к её графику в точке ?
Это нормаль, а не касательная: её угловой коэффициент, , делает её перпендикулярной касательной.Угловой коэффициент верен, но прямая не проходит через точку: касательная есть , а слагаемое опущено.При вычитании потерян знак: , а это число отрицательно при малых . Функция убывает вблизи , и угловой коэффициент отрицателен.При , близких к , разностное отношение равно и стремится к ; следовательно, , и касательная есть прямая, проходящая через точку с таким угловым коэффициентом.Повторить: Производная как предел функции
Вопрос 2Вычислить производную функции в точке .
Числитель и знаменатель продифференцированы по отдельности, , как если бы производная частного была частным производных. Это не так: в производной частного два слагаемых и квадрат знаменателя.В числителе вычитание выполнено в обратном порядке. Правило имеет вид : сначала производная числителя, умноженная на знаменатель.Знаменатель не возведён в квадрат: в точке он равен , а его квадрат равен .По правилу дифференцирования частного, .Повторить: Правила дифференцирования
Вопрос 3Вычислить производную функции в точке .
За производную косинуса принят . Производная косинуса равна , и в точке оба слагаемых взаимно уничтожаются.Перемножены производные двух множителей, . Производная произведения не есть произведение производных: недостаёт слагаемого .Продифференцирована только экспонента, как если бы косинус был постоянным. Это первое слагаемое правила дифференцирования произведения; недостаёт второго, .По правилу дифференцирования произведения и по формулам производных экспоненты и косинуса, , а в точке синус и косинус равны. Касательная к графику в этой точке горизонтальна.Повторить: Производные элементарных функций
Вопрос 4Вычислить производную функции в точке .
Недостаёт производной самой внутренней функции, , которая даёт множитель : каждая функция композиции вносит свою производную, взятую в соответствующей ей точке.За производную косинуса принят : знак минус в потерян.Продифференцирован только квадрат, , как если бы косинус был переменной. Недостаёт производных косинуса и функции .По правилу дифференцирования сложной функции, применённому дважды, , а в точке аргумент равен .Повторить: Правило дифференцирования сложной функции
Вопрос 5На каком из этих отрезков теорема Больцано гарантирует, что уравнение имеет корень?
На этом отрезке функция не меняет знака: и . Теорема ничего не гарантирует, и в действительности корня там нет, потому что функция возрастает и равна в точке .Значения и имеют один и тот же знак, так что теорема неприменима; кроме того, на этом отрезке функция принимает значения не меньше .Всякое уравнение записывается в таком виде переносом всех членов в одну часть: уравнение равносильно уравнению .Функция есть многочлен, непрерывна, причём и ; по теореме Больцано она обращается в нуль в некоторой точке интервала , которая является корнем уравнения.Повторить: Теорема о промежуточном значении
Вопрос 6Функция непрерывна и строго возрастает на . Чему равна ?
Производная функции вычислена в точке , которая является значением функции , а не соответствующей ему точкой её области определения. Формула имеет вид , причём .Это производная функции в точке, соответствующей числу ; производная обратной функции есть обратная к ней величина: при отражении графика угловой коэффициент переходит в .Вычислено , а это не производная обратной функции и не значение в нужной точке.Поскольку , имеем , и , что не равно нулю. По теореме о производной обратной функции, .Повторить: Производная обратной функции и дифференцирование неявной функции
Вопрос 7Вычислить производную функции в точке .
Использована производная степени, , как если бы показатель был постоянным. Когда меняются и основание, и показатель, степень нужно записать через экспоненту.Использована производная показательной функции, , как если бы основание было постоянным. Это лишь одно из двух слагаемых.Это производная функции , то есть логарифмическая производная ; недостаёт умножения на .При всяком имеем и . В точке получаем , а скобка равна .Повторить: Переменная в показателе и логарифмическое дифференцирование
Вопрос 8Вычислить производную порядка функции в точке .
Недостаёт биномиального коэффициента : в формуле Лейбница те же коэффициенты, что и в биноме Ньютона.Перемножены производные порядка двух множителей, а производная порядка пять функции равна нулю. Производная порядка произведения есть сумма по всем способам распределить пять дифференцирований между множителями.В слагаемом, где множитель дифференцируется один раз, экспонента дифференцируется четыре раза, а не пять: её производная порядка равна .По формуле Лейбница, поскольку производные функции порядка больше равны нулю, остаются только два слагаемых: . В точке первое обращается в нуль, а второе равно .Повторить: Производные высших порядков и дифференциал
Вопрос 9Прямоугольник сохраняет площадь, равную квадратным сантиметрам, тогда как его основание растёт со скоростью сантиметра в секунду. С какой скоростью меняется его высота в тот момент, когда основание равно сантиметрам?
Подстановка сделана до дифференцирования. Высота равна только в этот момент; дифференцировать нужно соотношение, верное в любой момент.Потерян знак: если площадь постоянна, а основание растёт, высота должна уменьшаться.Это производная высоты по основанию, . Скорость изменения по времени получается умножением её на .Если есть основание, а высота, то в любой момент; дифференцируя по времени, получаем . Когда основание равно , высота равна , и равенство даёт .Повторить: Скорость изменения и связанные скорости
Вопрос 10Из предыдущих разделовВычислить .
Это предел отношения , а не данного отношения: косинус отходит от гораздо медленнее, чем синус от .Это предел отношения , где в знаменателе стоит . Со знаменателем у отношения есть лишний множитель , стремящийся к .Вид означает лишь, что правило предела частного неприменимо; предел может существовать, и здесь он существует.При отношение равно , то есть произведению функции, стремящейся к , на функцию, стремящуюся к .Повторить: Теорема о двух милиционерах и тригонометрические пределы
Вопрос 11Из предыдущих разделовВычислить .
Замечательный предел применён без замены переменной: показатель равен , а не .Потерян знак показателя: меньше при , так что отношение отрицательно.Того, что числитель стремится к , недостаточно: знаменатель тоже стремится к .После замены переменной , которая не обращается в нуль при , отношение равно , и замечательный предел даёт .Повторить: Непрерывность элементарных функций и замечательные пределы
Вопрос 12Из предыдущих разделовКакая из этих функций есть при ?
Она эквивалентна , а не пренебрежимо мала: её отношение к стремится к .Она стремится к , но медленнее, чем : её отношение к не ограничено.Слагаемое пренебрежимо мало по сравнению с , но слагаемое нет: отношение к стремится к , и функция имеет тот же порядок, что и .Её отношение к равно и стремится к : она пренебрежимо мала по сравнению с .Повторить: Эквивалентные бесконечно малые и бесконечно большие
Вопрос 13Из предыдущих разделовЕсли , то чему равно ?
Найдено , но не извлечён кубический корень.Запись прочитана как обратная величина : показатель обозначает здесь обратную функцию, а не обратное по умножению число.Это , образ числа ; обратная функция проходит путь в противоположную сторону и ищет прообраз.есть число, образ которого равен : уравнение даёт , откуда .Повторить: Действия с функциями, обратная функция и преобразования графиков
Вопрос 14Из предыдущих разделовЧему равно ?
Знак синуса не переходит на косинус: угол лежит на отрезке , где косинус положителен или равен нулю.Это квадрат косинуса, ; не извлечён корень.С косинусом обошлись так, будто он отменяет арксинус; отменяет его синус: .Арксинус принимает значения на отрезке , где косинус неотрицателен; по основному тригонометрическому тождеству косинус равен .Повторить: Обратные тригонометрические функции
Загрузка содержимого…