5.5

Różniczka funkcji

Definicja 28. Niech funkcja f ma pochodną właściwą w punkcie x 0 . Różniczką funkcji f w punkcie x 0

nazywamy funkcję df zmiennej ∆ x = x − x 0 określoną wzorem df (∆ x) = f ′( x 0)∆ x.

Fakt 6. Jeżeli funkcja f ma pochodną właściwą w punkcie x 0 , to f ( x) ≈ f ( x 0) + f ′( x 0)∆ x, przy czym błąd, jaki popełniamy dąży szybciej do zera niż ∆ x.

Przykład 33 . Obliczymy przybliżoną wartość e− 0 , 001 korzystając z różniczki funkcji.

5.6

Pochodne wyższych rzędów

Definicja 29. Jeśli pochodna funkcji f jest różniczkowalna w pewnym przedziale, to jej pochodną nazywamy drugą pochodną lub pochodną drugiego rzędu funkcji f i oznaczamy f ”( x) lub d 2 f .

dx 2

Ogólnie, pochodną rzędu n-tego funkcji f dla n ­ 2 definiujemy wzorem (

) ′

f ( n)( x) = f ( n− 1)( x)

.

Przykład 34 . Obliczymy pochodne wyższych rzędów funkcji f ( x) = x 3 + 5 x + 2, g( x) = sin x.

5.7

Reguła de l’Hospitala

Twierdzenie 15. Jeżeli funkcje f i g są różniczkowalne w sąsiedztwie punktu x 0 oraz 1. lim f ( x) = lim g( x) = 0 albo lim f ( x) = lim g( x) = ±∞; x→x 0

x→x 0

x→x 0

x→x 0

2. istnieje granica lim f′( x) ,

x→x g′( x)

0

to lim f( x) = lim f′( x) .

x→x g( x)

g′( x)

0

x→x 0

Powyższą regułę można stosować także przy liczeniu granic w ±∞ i granic jednostronnych.

Przykład 35 . Obliczymy lim sin x , lim ex−e−x , lim ln(ln x) , lim ln x

.

x→ 0

x

x→ 0

x

x→∞

x

ln sin x

x→ 0+

5.8

Twierdzenia o wartości średniej

Twierdzenie 16. (twierdzenie Rolle’a) Jeśli funkcja f jest ciągła na przedziale [ a, b] i różniczkowalna na ( a, b) oraz f ( a) = f ( b) , to istnieje taki punkt c ∈ ( a, b) , że f ′( c) = 0 .

Twierdzenie 17. (twierdzenie Lagrange’a) Jeśli funkcja f jest ciągła na przedziale [ a, b] i różniczkowalna na ( a, b) , to istnieje taki punkt c ∈ ( a, b) , że f ( b) − f ( a)

f ′( c) =

.

b − a

10

5.9

Monotoniczność i ekstrema

Twierdzenie 18. Niech X ⊂ R oznacza dowolny przedział. Jeśli dla każdego x ∈ X funkcja f spełnia warunek

• f′( x) = 0 , to jest stała na X,

• f′( x) > 0 , to jest rosnąca na X,

• f′( x) ­ 0 , to jest niemalejąca na X,

• f′( x) < 0 , to jest malejąca na X,

• f′( x) ¬ 0 , to jest nierosnąca na X.

Uwaga. Jeśli f ′( x) ­ 0 dla każdego x ∈ X, a równość f ( x) = 0 zachodzi tylko dla skończonej liczby argumentów z X, to funkcja jest rosnąca na X.

Przykład 36 . Wyznaczymy przedziały, w których funkcja f ( x) = xex jest rosnąca oraz przedziały monotoniczności funkcji g( x) = x 2+3 .

x+1

Definicja 30. Niech f będzie funkcją określoną i ciągłą na przedziale [ a, b] i niech x 0 ∈ ( a, b) . Jeśli

∃δ> 0 ∀x∈S( x 0 ,δ) f( x 0) > f( x) to mówimy, że funkcja f ma w punkcie x 0 maksimum lokalne właściwe. Podobnie jeśli

∃δ> 0 ∀x∈S( x 0 ,δ) f( x 0) < f( x) to mówimy, że funkcja f ma w punkcie x 0 minimum lokalne właściwe.

Twierdzenie 19. (warunek konieczny istnienia ekstremum)

Jeśli funkcja f jest ciągła w punkcie x 0 i ma w punkcie x 0 ekstremum lokalne, to

• albo f′( x 0) istnieje i f′( x 0) = 0

• albo pochodna funkcji f w punkcie x 0 nie istnieje.

Przykład 37 . Wyznaczymy punkty, w których funkcje f ( x) = xex, g( x) = x 2+3 , h( x) = |x| mogą mieć x+1

ekstrema.

Twierdzenie 20. (warunek wystarczający) Jeśli funkcja f spełnia warunki 1. f ′( x 0) = 0 ,

2. ∃δ> 0 ∀x∈( x 0 −δ,x 0) f′( x) > 0 , 3. ∃δ> 0 ∀x∈( x 0 ,x 0+ δ) f′( x) < 0 , to w punkcie x 0 funkcja ma maksimum lokalne właściwe. Jesli

1. f ′( x 0) = 0 ,

2. ∃δ> 0 ∀x∈( x 0 −δ,x 0) f′( x) < 0 , 3. ∃δ> 0 ∀x∈( x 0 ,x 0+ δ) f′( x) > 0 , to w punkcie x 0 funkcja ma minimum lokalne właściwe.

Przykład 38 . Wyznaczymy ekstrema funkcji f ( x) = xex i g( x) = x 2+3 .

x+1

Twierdzenie 21. (II warunek wystarczający) Jeśli funkcja f spełnia warunki 11

1. f ′( x 0) = f ”( x 0) = . . . = f ( n− 1)( x 0) = 0 , 2. f ( n)( x 0) ̸= 0 ,

to

• jeśli n jest liczbą parzystą, to funkcja ma w punkcie x 0 ekstremum lokalne właściwe, przy czym jest to maksimum, gdy f ( n)( x 0) < 0 oraz minimum, gdy f ( n)( x 0) > 0 ,

• gdy n jest liczbą nieparzystą, to w x 0 nie ma ekstremum.

Przykład 39 . Wyznaczymy ekstrema funkcji f ( x) = xex, g( x) = 3 x 4 + 4 x 3 + 7.

Przykład 40 . Znajdziemy wymiary prostokątnej działki o powierzchni 200 m 2 położonej nad rzeką takiej, by do jej ogrodzenia zużyć jak najmniej siatki.

Przykład 41 . Znajdziemy wymiary puszki do konserw w kształcie walca o objętości V = 250 πcm 3, do sporządzenia której zużyje się najmniej blachy.

5.10

Wklęsłość i wypukłość

Definicja 31. Załóżmy, że funkcja f ma ciągłą drugą pochodną.

Krzywą będącą wykresem funkcji y = f ( x) nazywamy wypukłą w przedziale ( a, b) , jeśli dla każdego x 0 ∈

( a, b) styczna do tej krzywej poprowadzona w punkcie x 0 leży pod tą krzywą.

Krzywą nazywamy wklęsłą w przedziale ( a, b) , jeśli dla każdego x 0 ∈ ( a, b) styczna do tej krzywej poprowadzona w punkcie x 0 leży nad tą krzywą.

Twierdzenie 22. Warunkiem wystarczającym na to, aby krzywa będąca wykresem funkcji y = f ( x) była w przedziale X ⊂ R wypukła jest

∀x∈X f”( x) > 0 .

Warunkiem wystarczającym na to, aby krzywa będąca wykresem funkcji y = f ( x) była w przedziale X wklęsła jest

∀x∈X f”( x) < 0 .

Definicja 32. Punkt P ( x 0 , f ( x 0)) nazywamy punktem przegięcia wykresu funkcji y = f ( x) , jeśli istnieje δ > 0 taka, że wykres jest wypukły w przedziale ( x 0 − δ, x 0) i wklęsły w ( x 0 , x 0 + δ) albo na odwrót.

Twierdzenie 23. (warunek konieczny)

Jeśli funkcja f ma w punkcie x 0 punkt przegięcia, to

• albo f”( x 0) istnieje i f”( x 0) = 0

• albo druga pochodna funkcji f w punkcie x 0 nie istnieje.

Twierdzenie 24. (warunek wystarczający)

Jeśli f ”( x 0) = 0 oraz

1. ∃δ> 0 ∀x∈( x 0 −δ,x 0) f”( x) > 0 , 2. ∃δ> 0 ∀x∈( x 0 ,x 0+ δ) f”( x) < 0 , albo

1. ∃δ> 0 ∀x∈( x 0 −δ,x 0) f”( x) < 0 , 2. ∃δ> 0 ∀x∈( x 0 ,x 0+ δ) f”( x) > 0 , to ( x 0 , f ( x 0)) jest punktem przegięcia wykresu funkcji f .

12

5.11

Badanie przebiegu zmienności funkcji

1. Analiza funkcji

(a) dziedzina,

(b) punkty przecięcia z osiami układu współrzędnych,

(c) parzystość, nieparzystość, okresowość,

(d) granice na krańcach dziedziny (asymptoty).

2. Analiza I pochodnej

(a) dziedzina,

(b) przedziały monotoniczności i ekstrema.

3. Analiza II pochodnej

(a) dziedzina,

(b) przedziały wklęsłości, wypukłości i punkty przegięcia.

4. Tabelka

5. Wykres

Przykład 42 . Zbadamy przebieg zmienności funkcji f ( x) = ( x − 1)2( x + 2), g( x) = x + 1 , h( x) = x ln x.

x

5.12

Zadania

1. Zbadaj przebieg zmienności funkcji f ( x) = x 3 + 3 x 2 − 9 x − 2, g( x) =

1

oraz h( x) = xex.

1+ x 2

2. Płotem i długości 120 m należy ogrodzić przylegający do domu prostokątny teren o największym polu.

Wyznacz wymiary tego terenu.

3. Rozłóż liczbę 10 na dwa składniki tak, by ich iloczyn był największy.

4. Z kwadratowej kartki papieru o boku 30 cm wycięto na rogach jednakowe kwadraty i z pozostałej części sklejono prostokątne pudełko (dno + boki, bez góry). Jaki powinien być bok wyciętego kwadratu, żeby objętość pudełka była największa?

5. Wyznacz wymiary odkrytego basenu o dnie kwadratowym i pojemności 32 m3 tak, żeby na wykonanie jego ścian i dna zużyć jak najmniejszą ilość materiału.

13