background image

 

 

DERIVATIVES

Lecture 4

background image

 

 

NOTATIONS -  the ones you need to know how to read aloud

background image

 

 

The definition

background image

 

 

The 

slope

 of a line

      y = 

m

x +b

background image

 

 

y = mx 

A

B

tan

A

B

x

y

m

0

0

background image

 

 

y = mx b

m is the slope

= 0

no slope ‘m = ∞’

tan

m

p
o
s
i
t
i
v
e

n
e
g
a
t
i
v
e

background image

 

 

a function f

What is the solpe of the secant passing through ?

h

h

x

f

x

f

m

)

(

)

(

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

)

h

x

(

f

0

)

x

(

f

0

h

x

0

0

x

h

)

x

(

f

)

h

x

(

f

x

)

h

x

(

y

y

x

y

tan

0

0

0

0

0

)

x

(

dx

df

)

x

(

'

f

h

)

x

(

f

)

h

x

(

f

lim

h

0

0

0

0

0

The derivative of  f  at point x

0

.

background image

 

 

)

x

(

'

f

h

)

x

(

f

)

h

x

(

f

lim

h

 0

)

x

(

'

f

x

x

)

x

(

f

)

x

(

f

lim

x

x

0

0

0

0

)

x

(

'

f

x

)

x

(

f

)

x

x

(

f

lim

x

0

0

0

0

DIFFERENT NOTATIONS

0

0

0

x

x

dx

df

)

x

(

f

dx

d

)

x

(

dx

df

background image

 

 

h

)

x

(

f

)

h

x

(

f

lim

)

x

(

'

f

h

0

h

)

x

(

f

)

h

x

(

f

lim

)

x

(

'

f

h

0

LEFT-HAND AND RIGHT HAND DERIVATIVES

background image

 

 

Wikipedia

’(x) is a function which tells us the slope of the function at x.

background image

 

 

Tangent Line

The equation of the tangent line to the  graph of  
f  at  (c,  f(c)) has  slope f’(c) and equations.

)

c

x

)(

c

(

'

f

)

c

(

f

y

:

line

Tangent

)

c

)

c

(

'

f

)

c

(

f

(

x

)

x

(

'

f

y

c

)

c

(

'

f

)

c

(

f

b

),

x

(

'

f

m

,

b

x

m

y

background image

 

 

When a derivative does not exist...

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

                

           

Differentiabiltity Implies Continuity

If  f  has a derivative at  x = c, then  f  is continuous  x = c

background image

 

 

Examples of derivatives

background image

 

 

h

x

h

x

h

x

h

)

x

(

f

)

h

x

(

f

0

2

0

2

0

0

0

2

 

2

x

x

f

0

0

0

0

0

0

2

2

x

h

x

lim

h

)

x

(

f

)

h

x

(

f

lim

h

h

Find the 
derivative of

at point x

0

.

Example - how to find the derivative using the definition:

background image

 

 

Find the derivative of                      at   x

0 

= –3, 0, 5.

 

2

0

2

0

2

0

0

3

0

3

0

0

0

3

3

3

x

h

h

x

x

lim

h

x

h

x

lim

x

'

f

h

h

 

3

x

x

f

   

27

3

3

3

2

'

f

 

0

0

3

0

2

'

f

 

75

5

3

5

2

'

f

Example - how to find the derivative using the definition:

background image

 

 

(C) = 0

The derivative of a constant is zero

background image

 

 

background image

 

 

c

0

y

x

1

'

y

x

sin

x

cos

'

x

cos

x

y

sin

' 

x

a

a

a

y

x

ln

'

x

e

x

e

'

For all  

R

x

   

BASIC DERIVATIVES

   

n

x

1

'

n

nx

y

,

1

'

1

,

2

1

)'

(

2

x

x

x

x

background image

 

 

The derivative of   a

  

and  the number  „e

.

background image

 

 

1

1

lim

0

h

e

h

h

e

a

a

a

x

x

log

1

)'

(

background image

 

 

The number ‘e is the real number such that the 
slope of the tangent line to the graph of the 
exponential function  y = e

x

   at   x = 0 is 1. 

(e

x 

)’ = e

x

If we take a = e 
then

background image

 

 

  

 

         

  

 

         

  

 

          

 

 

Rule

Chain

)

x

(

'

g

)

x

(

g

'

f

)

x

(

g

(

f

.

Rule

Quotient

g

f

'

g

g

'

f

g

f

.

Rule

Product

'

g

f

g

'

f

g

f

.

'

g

'

f

g

f

.

'

f

c

cf

.

'

'

'

'

'





5

4

3

2

1

2

                         

Basic Properties and formulas

If  (x)  and  g(x) are differentiable functions (the derivative exists), 
c is any real number,

background image

 

 

   

 

   

h

x

g

x

f

h

x

g

h

x

f

x

g

x

f

h

 0

lim

'

 

  

  

   

h

x

g

x

f

h

x

g

x

f

h

x

g

x

f

h

x

g

h

x

f

h

 0

lim

   

   

x

f

h

x

g

h

x

g

h

x

g

h

x

f

h

x

f

h

h

0

0

lim

lim

   

   

x

f

x

g

x

g

x

f

'

'

Proof of the Product Rule

QED

g'

f

g

'

f

g

f

'

background image

 

 

 

 

 

 

h

x

g

x

f

h

x

g

h

x

f

x

g

x

f

h

 0

lim

'

  

  

  

h

h

x

g

x

g

h

x

g

x

f

x

g

h

x

f

h

 0

lim

  

   

   

  

  

h

h

x

g

x

g

h

x

g

x

f

x

g

x

f

x

g

x

f

x

g

h

x

f

h

 0

lim

   

 

 

  

h

h

x

g

x

g

x

f

x

g

h

x

g

x

g

x

f

h

x

f

h

]

[

]

[

lim

0

   

   

 

2

)

(

'

'

x

g

x

g

x

f

x

g

x

f

Proof of the Quotient Rule

QED

2

'

g

f

g'

g

'

f

g

f





background image

 

 

dx

du

v

dx

dv

u

uv

dx

d

)

(

2

v

dx

dv

u

dx

du

v

v

u

dx

d

OTHER NOTATIONS

background image

 

 

For this problem, we must take the 

derivative of the

  

outside 

function

, then 

multiply by the derivative of the inside 

function

But the derivative of the inside function is also a chain rule 
question.
So, we end up with the following:

f(x) = 
sin(cos(x

2

)) 

f ‘(x) = cos(cos(x))·(- sin(x)) 2x

The Chain Rule - example

background image

 

 

Suppose that a function  f  is continuous and strictly monotone 
in the neighbourhood O(a) of point a.  
If   ’(a) exists and  is never zero, then  

-1 

is differentiable at  b = (a

(a = 

-1

(b)),   

)

(

'

1

)

(

'

1

)

(

)'

(

1

1

a

f

b

f

f

b

f

du

dx

dx

du

1

or

DERIVATIVE OF INVERSE FUNCTION

)

b

(

f

x

b

x

df

dx

dx

f

d

1

1

1

background image

 

 

background image

 

 

DERIVATIVE OF INVERSE FUNCTIONS

 

0

0

1

0

1

x

'

1

)

y

(

'

1

)

y

(

)'

(

f

f

f

f

background image

 

 

The derivative of  

-1

(x) =          at point  (4,2)

is the reciprocal of the derivative of  (x) = x

2

at  (2,4).

x

background image

 

 

x

arc

y

cos

x

y

a

log

x

ln

x

arc

y

sin

x

arc

y

tg

x

arc

y

ctg

a

x

y

ln

1

'

x

y

1

'

2

1

1

'

x

y

2

1

1

'

x

y

2

1

1

'

x

y

2

1

1

'

x

y



x

a

a

0

1

,

0

0

x

2

2

1

1

y

x

y

x

0

1

1

2

2

y

 y

0

BASIC DERIVATIVES CD.

background image

 

 

2

2

1

1

sin

1

1

cos

1

'

sin

1

)'

sin

(

x

y

y

y

x

arc

y

y

2

sin

1

cos

we choose

y

y

2

sin

1

cos

2

;

2

y

0

cos 

y

Because

out of the possibilities

 

a

x

a

a

a

x

y

y

a

ln

1

ln

1

1

)'

(log

'

PROOFS

background image

 

 

2

2

2

1

1

tg

1

1

cos

'

tg

1

)'

tg

(

x

y

y

y

x

arc

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

cos

sin

sin

sin

'

1

)'

(

x

y

ctg

y

y

y

y

ctgy

arcctgx

2

2

1

1

cos

1

1

sin

1

'

cos

1

)'

cos

(

x

y

y

y

x

arc

PROOFS

background image

 

 

Example of a function not strictly monotone, continuous at  
x = 0,  (0) = 0 
with a nonzero derivative   f’(0) = 1 and  

-1

(x)

  

does not 

have a derivative

 at 0, because   

-1

(x)   is not continuous 

there.

M. Gewert, Z. Skoczylas, ‘Analiza matematyczna 1, Definicje, twierdzenia wzory’

The function is 
defined as a 
uniform limit

background image

 

 

NOTE

background image

 

 

NOTE
The  derivative does not have to be continuous
.

If  the derivative  of   (x)  exists  
then  this implies that   (x)  is 
continuous.

 

background image

 

 

Proof

A continuous function for which the 

derivative 

exists and the derivative is not continuous.

(a)

  f(x) is differentiable         and       

(b)

  f’(x) is not continuous

background image

 

 

-0.1

-0.05

0.05

0.1

-0.004

-0.002

0.002

0.004

-0.1

-0.05

0.05

0.1

-0.075

-0.05

-0.025

0.025

0.05

0

x

0

0

x

x

1

sin

f  is continuous, but has no derivative

f  is continuous, has a derivative, but derivative
is not continuous

The derivative of a continuous function doesn't have to be continuous.
We cannot calculate f'(x

0

) by simply calculating f'(x) and putting x →x

0

.

background image

 

 

background image

 

 

A continuous nowhere differentiable function.

Plot of 

Weierstrass Function

 over the interval [−2, 2]. The 

function has a fractal behavior: every zoom (red circle) is 
similar to the global plot. 

background image

 

 

Weierstrass Function in the complex plane 

background image

 

 

THE MOST IMPORTANT DERIVATIVES (once more)

background image

 

 

A continuous nowhere differentiable function.

A saw-like function with infinite teeth:

background image

 

 

First define a saw-tooth function f(x) to be the distance from x 
to the integer closest to x. Here's a plot of f

SPECIFIC DEFINITION

background image

 

 

Now define           to be              .   This has       as many ‘teeth’ as 
f per unit interval, but their height is         times the height of the 
teeth of  f. Here's a plot of           , for example: 
   

background image

 

 

Finally, define h(x) to be the sum                  . For every x this 
sum converges by

 

comparison with a geometric series. 

It's already beyond elementary calculus to show that h(x) is 
continuous (to advanced calculus students: h(x) is the sum of a 
uniformly converging series of continuous functions, hence 
continuous
). 
For the proof that h(x) is not differentiable:
the rough idea is that at every step we add more and more 
corners. Here's a plot of h(x): (actually only a partial sum 
rather than the infinite sum).          

( )

( )

( )

( )

( )

( )

0

2

2

2

4

8

2

4

8

n

n

n

g

x

f x

g x

g x

g x

g x

=

=

=

+

+

+

+

L

Blancmange Function

background image

 

 

It is an example of a fractal, in that it is infinitesimally 
fractured,  and  self-similar.  No  matter  how  much  you 
zoom  in  on  a  point  on  the  graph,  the  graph  never 
flattens  out  into  an  approximate  non-vertical  line 
segment through the point.

 


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