Poziom zaawansowany

Pochodna funkcji

Pochodna mierzy tempo zmiany funkcji w punkcie — jest współczynnikiem kierunkowym stycznej do wykresu. Poznaj definicję przez iloraz różnicowy i sześć reguł, którymi liczy się ją bez granic.

Zanim zaczniesz

Ten temat opiera się na wcześniejszych zagadnieniach. Zanim zaczniesz, warto przerobić poniższe lekcje — dzięki nim wszystko pójdzie gładko:

Wszystkie wzory

  • Definicja pochodnej

    f(x0)=limh0f(x0+h)f(x0)hf'(x_0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h}

    granica ilorazu różnicowego, gdy przyrost maleje do zera

  • Reguła potęgi

    (xn)=nxn1(x^n)' = n \cdot x^{n-1}

    wykładnik schodzi przed x i maleje o jeden

  • Stała i suma

    (cf)=cf,(f+g)=f+g(c \cdot f)' = c \cdot f', \qquad (f + g)' = f' + g'

    stałą przepisujemy, sumę różniczkujemy wyraz po wyrazie

  • Reguła iloczynu

    (fg)=fg+fg(f \cdot g)' = f' g + f g'

    pochodna iloczynu NIE jest iloczynem pochodnych

  • Reguła ilorazu

    (fg)=fgfgg2\left(\frac{f}{g}\right)' = \frac{f' g - f g'}{g^2}

    w liczniku różnica — kolejność ma znaczenie

  • Reguła łańcuchowa

    (f(g(x)))=f(g(x))g(x)\big(f(g(x))\big)' = f'(g(x)) \cdot g'(x)

    pochodna zewnętrznej razy pochodna wewnętrznej

  • Pierwiastek i odwrotność

    (x)=12x,(1x)=1x2(\sqrt{x})' = \frac{1}{2\sqrt{x}}, \qquad \left(\frac{1}{x}\right)' = -\frac{1}{x^2}

    ta sama reguła potęgi dla wykładników ½ oraz −1

  • Funkcje trygonometryczne

    (sinx)=cosx,(cosx)=sinx(\sin x)' = \cos x, \qquad (\cos x)' = -\sin x

    przy cosinusie pojawia się minus

Wykres funkcji rzadko jest prostą, więc pytanie „o ile rośnie" nie ma jednej odpowiedzi — w każdym punkcie rośnie inaczej. Pochodna jest narzędziem, które podaje to tempo dla pojedynczego punktu.

Iloraz różnicowy: średnie tempo zmiany

Zacznijmy od czegoś, co umiemy policzyć: nachylenia siecznej, czyli prostej przez dwa punkty wykresu.

−1012340246810xysiecznaA(1, 1)B(3, 9)f(x) = x²
Sieczna przez A(1, 1) i B(3, 9). Na odcinku od 1 do 3 wartość urosła o 8 przy przyroście argumentu o 2, więc średnie tempo zmiany wynosi 4.

Dla f(x)=x2f(x) = x^2, punktu x0=1x_0 = 1 i przyrostu h=2h = 2:

f(1+h)f(1)h=912=4\frac{f(1 + h) - f(1)}{h} = \frac{9 - 1}{2} = 4

Ten ułamek nazywamy ilorazem różnicowym. Mówi on jednak tylko o całym odcinku — a nas interesuje tempo dokładnie w punkcie 11.

Od siecznej do stycznej

Zmniejszajmy więc hh. Punkt BB zsuwa się po krzywej w stronę AA, a sieczna obraca się wokół AA:

hhpunkt BBiloraz różnicowy
22(3,9)(3, 9)44
11(2,4)(2, 4)33
0,50{,}5(1,5; 2,25)(1{,}5;\ 2{,}25)2,52{,}5
0,10{,}1(1,1; 1,21)(1{,}1;\ 1{,}21)2,12{,}1
0,010{,}01(1,01; 1,0201)(1{,}01;\ 1{,}0201)2,012{,}01

Liczby zmierzają do 22 — i to nie jest przypadek, bo iloraz różnicowy daje się uprościć:

(1+h)212h=1+2h+h21h=h(2+h)h=2+h\frac{(1 + h)^2 - 1^2}{h} = \frac{1 + 2h + h^2 - 1}{h} = \frac{h(2 + h)}{h} = 2 + h

Przy h0h \to 0 zostaje samo 22. Sieczna przestaje być sieczną: dotyka wykresu w jednym punkcie i staje się styczną.

−101234−20246810xyy = 2x − 1f′(1) = 2f(x) = x²
Granica siecznych: styczna do paraboli w punkcie (1, 1). Jej współczynnik kierunkowy wynosi 2 — tyle właśnie jest równa pochodna w tym punkcie.

Definicja

f(x0)=limh0f(x0+h)f(x0)hf'(x_0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h}

Pochodna funkcji ff w punkcie x0x_0 to granica ilorazu różnicowego przy przyroście dążącym do zera. Zauważ, że dla h=0h = 0 ułamek daje 00\tfrac{0}{0} — bez granicy z poprzedniej lekcji ta definicja nie miałaby sensu.

Trzy odczyty tej samej liczby:

  • geometrycznie — współczynnik kierunkowy stycznej do wykresu w punkcie x0x_0;
  • fizycznie — prędkość chwilowa, gdy argumentem jest czas, a wartością droga;
  • praktycznie — o ile zmieni się wartość, gdy argument urośnie o jednostkę (w przybliżeniu, dla małych przyrostów).

Gdy pytamy o pochodną w każdym punkcie naraz, dostajemy nową funkcję, oznaczaną ff' — i to ona jest zwykle celem rachunku.

Policz z definicji pochodną funkcji f(x) = x² + 3x w dowolnym punkcie x.

Reguła potęgi

Liczenie każdej pochodnej z definicji byłoby mordęgą. Na szczęście z definicji wyprowadza się reguły, które potem stosuje się mechanicznie. Najważniejsza z nich:

(xn)=nxn1(x^n)' = n \cdot x^{n-1}

Wykładnik schodzi przed xx i maleje o jeden. Reguła działa dla dowolnego wykładnika — także ułamkowego i ujemnego, co załatwia pierwiastki i odwrotności:

funkcjazapis potęgowypochodna
cc (stała)cx0c \cdot x^000
xxx1x^111
x3x^3x3x^33x23x^2
x\sqrt{x}x1/2x^{1/2}12x\dfrac{1}{2\sqrt{x}}
1x\dfrac{1}{x}x1x^{-1}1x2-\dfrac{1}{x^2}
1x2\dfrac{1}{x^2}x2x^{-2}2x3-\dfrac{2}{x^3}
sinx\sin xcosx\cos x
cosx\cos xsinx-\sin x

Pochodna stałej jest zerem, bo funkcja stała się nie zmienia — jej wykres jest poziomy, a nachylenie prostej poziomej to 00.

Stała, suma i wielomian

Dwie reguły, które pozwalają rozbić każdy wielomian na kawałki:

(cf)=cf,(f+g)=f+g(c \cdot f)' = c \cdot f', \qquad (f + g)' = f' + g'

Stały mnożnik przechodzi przez pochodną bez zmian, a sumę różniczkujemy wyraz po wyrazie. Razem z regułą potęgi daje to przepis na dowolny wielomian:

(4x35x2+7x9)=12x210x+7(4x^3 - 5x^2 + 7x - 9)' = 12x^2 - 10x + 7

Każdy wyraz osobno, wyraz wolny znika.

Reguła iloczynu

(fg)=fg+fg(f \cdot g)' = f' g + f g'

Pochodna iloczynu nie jest iloczynem pochodnych — i warto to sprawdzić na najprostszym przykładzie. Dla f=g=xf = g = x mamy (xx)=(x2)=2x(x \cdot x)' = (x^2)' = 2x, podczas gdy iloczyn pochodnych to 11=11 \cdot 1 = 1.

Policz pochodną funkcji f(x) = (2x + 1)(x² − 3).

Reguła ilorazu

(fg)=fgfgg2\left(\frac{f}{g}\right)' = \frac{f' g - f g'}{g^2}

W liczniku jest różnica, więc kolejność ma znaczenie — zamiana wyrazów miejscami zmienia znak całego wyniku. Mianownik podnosimy do kwadratu.

Policz pochodną funkcji f(x) = (3x + 2)/(x − 4).

Reguła łańcuchowa

(f(g(x)))=f(g(x))g(x)\big(f(g(x))\big)' = f'(g(x)) \cdot g'(x)

Gdy funkcja jest złożeniem — coś podstawiono do czegoś innego — różniczkujemy funkcję zewnętrzną tak, jakby jej wnętrze było zwykłym xx, a potem mnożymy przez pochodną wnętrza. To mnożenie jest tym, o czym najłatwiej zapomnieć.

((2x+1)5)=5(2x+1)42=10(2x+1)4\big((2x + 1)^5\big)' = 5(2x + 1)^4 \cdot 2 = 10(2x + 1)^4 (sin3x)=cos3x3=3cos3x\big(\sin 3x\big)' = \cos 3x \cdot 3 = 3\cos 3x (4x+5)=124x+54=24x+5\big(\sqrt{4x + 5}\big)' = \frac{1}{2\sqrt{4x + 5}} \cdot 4 = \frac{2}{\sqrt{4x + 5}}
Policz pochodną funkcji f(x) = (x² − 3)⁴ i wskaż, gdzie w wyniku widać pochodną wnętrza.

Ćwiczenia

Zadania idą po kolei przez wszystkie reguły z tej lekcji: potęgę o wykładniku niecałkowitym, wielomian, iloczyn, iloraz, złożenie oraz wartość pochodnej w punkcie. W pytaniach o f(x)f'(x) odpowiedzią jest funkcja — wpisz ją w dowolnym poprawnym zapisie, bo sprawdzana jest równość funkcji, a nie napisu (6x^2 + 2x - 6 i 6x²+2x−6 przechodzą tak samo). Tylko ostatni typ pytania, o f(x0)f'(x_0), oczekuje liczby.

Ćwiczenia

Rozwiąż zestaw zadań — trudność rośnie z każdym kolejnym. Na końcu zobaczysz wynik i listę pomyłek do powtórki.

Zadanie 1 z 8Punkty: 0
f(x) = 2/x → f′(x)

Częste błędy

  • Pominięcie pochodnej wnętrza(sin3x)=3cos3x\big(\sin 3x\big)' = 3\cos 3x, a nie cos3x\cos 3x.
  • Mnożenie pochodnych zamiast reguły iloczynu(fg)=fg+fg(fg)' = f'g + fg', nigdy fgf'g'.
  • Odwrócona kolejność w regule ilorazu — w liczniku najpierw fgf'g, potem odjęte fgfg'.
  • Pochodna stałej równa stałej — funkcja stała się nie zmienia, więc jej pochodna to 00.
  • Zgubiony minus przy 1/x i cosinusie(1x)=1x2\left(\tfrac{1}{x}\right)' = -\tfrac{1}{x^2}, (cosx)=sinx(\cos x)' = -\sin x.
  • Mylenie f′(x) z f′(x₀) — pierwsze jest funkcją, drugie liczbą: wartością tej funkcji w konkretnym punkcie.

Karta wzorów

Temat: Pochodna funkcji

  • Definicja pochodnej

    f(x0)=limh0f(x0+h)f(x0)hf'(x_0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h}

    granica ilorazu różnicowego, gdy przyrost maleje do zera

  • Reguła potęgi

    (xn)=nxn1(x^n)' = n \cdot x^{n-1}

    wykładnik schodzi przed x i maleje o jeden

  • Stała i suma

    (cf)=cf,(f+g)=f+g(c \cdot f)' = c \cdot f', \qquad (f + g)' = f' + g'

    stałą przepisujemy, sumę różniczkujemy wyraz po wyrazie

  • Reguła iloczynu

    (fg)=fg+fg(f \cdot g)' = f' g + f g'

    pochodna iloczynu NIE jest iloczynem pochodnych

  • Reguła ilorazu

    (fg)=fgfgg2\left(\frac{f}{g}\right)' = \frac{f' g - f g'}{g^2}

    w liczniku różnica — kolejność ma znaczenie

  • Reguła łańcuchowa

    (f(g(x)))=f(g(x))g(x)\big(f(g(x))\big)' = f'(g(x)) \cdot g'(x)

    pochodna zewnętrznej razy pochodna wewnętrznej

  • Pierwiastek i odwrotność

    (x)=12x,(1x)=1x2(\sqrt{x})' = \frac{1}{2\sqrt{x}}, \qquad \left(\frac{1}{x}\right)' = -\frac{1}{x^2}

    ta sama reguła potęgi dla wykładników ½ oraz −1

  • Funkcje trygonometryczne

    (sinx)=cosx,(cosx)=sinx(\sin x)' = \cos x, \qquad (\cos x)' = -\sin x

    przy cosinusie pojawia się minus

−1012340246810xysiecznaA(1, 1)B(3, 9)f(x) = x²
Sieczna przez punkty A(1, 1) i B(3, 9) paraboli y = x². Jej nachylenie 4 to iloraz różnicowy — średnie tempo zmiany na odcinku od 1 do 3.
−101234−20246810xyy = 2x − 1f′(1) = 2f(x) = x²
Styczna do paraboli y = x² w punkcie (1, 1). Jej nachylenie 2 to wartość pochodnej: f′(1) = 2.

Najczęstsze pytania

Powiązane artykuły