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:
- Granica funkcjiGranica mówi, do czego zmierzają wartości funkcji, gdy argument zbliża się do danej liczby — nawet wtedy, gdy w samym tym punkcie funkcja nic nie przyjmuje. To pierwsze pojęcie analizy i fundament pochodnej.
- PotęgiPotęga to skrócony zapis mnożenia tego samego czynnika. Poznaj podstawę i wykładnik, prawa działań na potęgach, potęgę o wykładniku zerowym i ujemnym oraz notację naukową.
Wszystkie wzory
Definicja pochodnej
granica ilorazu różnicowego, gdy przyrost maleje do zera
Reguła potęgi
wykładnik schodzi przed x i maleje o jeden
Stała i suma
stałą przepisujemy, sumę różniczkujemy wyraz po wyrazie
Reguła iloczynu
pochodna iloczynu NIE jest iloczynem pochodnych
Reguła ilorazu
w liczniku różnica — kolejność ma znaczenie
Reguła łańcuchowa
pochodna zewnętrznej razy pochodna wewnętrznej
Pierwiastek i odwrotność
ta sama reguła potęgi dla wykładników ½ oraz −1
Funkcje trygonometryczne
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.
Dla , punktu i przyrostu :
Ten ułamek nazywamy ilorazem różnicowym. Mówi on jednak tylko o całym odcinku — a nas interesuje tempo dokładnie w punkcie .
Od siecznej do stycznej
Zmniejszajmy więc . Punkt zsuwa się po krzywej w stronę , a sieczna obraca się wokół :
| punkt | iloraz różnicowy | |
|---|---|---|
Liczby zmierzają do — i to nie jest przypadek, bo iloraz różnicowy daje się uprościć:
Przy zostaje samo . Sieczna przestaje być sieczną: dotyka wykresu w jednym punkcie i staje się styczną.
Definicja
Pochodna funkcji w punkcie to granica ilorazu różnicowego przy przyroście dążącym do zera. Zauważ, że dla ułamek daje — bez granicy z poprzedniej lekcji ta definicja nie miałaby sensu.
Trzy odczyty tej samej liczby:
- geometrycznie — współczynnik kierunkowy stycznej do wykresu w punkcie ;
- 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 — i to ona jest zwykle celem rachunku.
Reguła potęgi
Liczenie każdej pochodnej z definicji byłoby mordęgą. Na szczęście z definicji wyprowadza się reguły, które potem stosuje się mechanicznie. Najważniejsza z nich:
Wykładnik schodzi przed i maleje o jeden. Reguła działa dla dowolnego wykładnika — także ułamkowego i ujemnego, co załatwia pierwiastki i odwrotności:
| funkcja | zapis potęgowy | pochodna |
|---|---|---|
| (stała) | ||
| — | ||
| — |
Pochodna stałej jest zerem, bo funkcja stała się nie zmienia — jej wykres jest poziomy, a nachylenie prostej poziomej to .
Stała, suma i wielomian
Dwie reguły, które pozwalają rozbić każdy wielomian na kawałki:
Stały mnożnik przechodzi przez pochodną bez zmian, a sumę różniczkujemy wyraz po wyrazie. Razem z regułą potęgi daje to przepis na dowolny wielomian:
Każdy wyraz osobno, wyraz wolny znika.
Reguła iloczynu
Pochodna iloczynu nie jest iloczynem pochodnych — i warto to sprawdzić na najprostszym przykładzie. Dla mamy , podczas gdy iloczyn pochodnych to .
Reguła ilorazu
W liczniku jest różnica, więc kolejność ma znaczenie — zamiana wyrazów miejscami zmienia znak całego wyniku. Mianownik podnosimy do kwadratu.
Reguła łańcuchowa
Gdy funkcja jest złożeniem — coś podstawiono do czegoś innego — różniczkujemy funkcję zewnętrzną tak, jakby jej wnętrze było zwykłym , a potem mnożymy przez pochodną wnętrza. To mnożenie jest tym, o czym najłatwiej zapomnieć.
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 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 , oczekuje liczby.
Ćwiczenia
Rozwiąż zestaw zadań — trudność rośnie z każdym kolejnym. Na końcu zobaczysz wynik i listę pomyłek do powtórki.
Częste błędy
- Pominięcie pochodnej wnętrza — , a nie .
- Mnożenie pochodnych zamiast reguły iloczynu — , nigdy .
- Odwrócona kolejność w regule ilorazu — w liczniku najpierw , potem odjęte .
- Pochodna stałej równa stałej — funkcja stała się nie zmienia, więc jej pochodna to .
- Zgubiony minus przy 1/x i cosinusie — , .
- Mylenie f′(x) z f′(x₀) — pierwsze jest funkcją, drugie liczbą: wartością tej funkcji w konkretnym punkcie.
Karta wzorów
Temat: Pochodna funkcji
Definicja pochodnej
granica ilorazu różnicowego, gdy przyrost maleje do zera
Reguła potęgi
wykładnik schodzi przed x i maleje o jeden
Stała i suma
stałą przepisujemy, sumę różniczkujemy wyraz po wyrazie
Reguła iloczynu
pochodna iloczynu NIE jest iloczynem pochodnych
Reguła ilorazu
w liczniku różnica — kolejność ma znaczenie
Reguła łańcuchowa
pochodna zewnętrznej razy pochodna wewnętrznej
Pierwiastek i odwrotność
ta sama reguła potęgi dla wykładników ½ oraz −1
Funkcje trygonometryczne
przy cosinusie pojawia się minus
