Производная. Геометрический и механический смысл производной. Производная функции. Геометрический смысл производной Смысл производной

При решении различных задач геометрии, механики, физики и других отраслей знания возникла необходимость с помощью одного и того же аналитического процесса из данной функции y=f(x) получать новую функцию, которую называют производной функцией (или просто производной) данной функции f(x) и обозначают символом

Тот процесс, с помощью которого из данной функции f(x) получают новую функцию f " (x) , называют дифференцированием и состоит он из следующих трех шагов: 1) даем аргументу x приращение  x и определяем соответствующее приращение функции  y = f(x+  x) -f(x) ; 2) составляем отношение

3) считая x постоянным, а  x 0, находим
, который обозначаем черезf " (x) , как бы подчеркивая тем самым, что полученная функция зависит лишь от того значения x , при котором мы переходим к пределу. Определение : Производной y " =f " (x) данной функции y=f(x) при данном x называется предел отношения приращения функции к приращению аргумента при условии, что приращение аргумента стремится к нулю, если, конечно, этот предел существует, т.е. конечен. Таким образом,
, или

Заметим, что если при некотором значении x , например при x=a , отношение
при x 0 не стремится к конечному пределу, то в этом случае говорят, что функция f(x) при x=a (или в точке x=a ) не имеет производной или не дифференцируема в точке x=a .

2. Геометрический смысл производной.

Рассмотрим график функции у = f (х), дифференцируемой в окрест­ностях точки x 0

f(x)

Рассмотрим произвольную прямую, проходящую через точку гра­фика функции - точку А(x 0 , f (х 0)) и пересекающую график в некоторой точке B(x;f(x)). Такая прямая (АВ) называется секущей. Из ∆АВС: АС = ∆x; ВС =∆у; tgβ=∆y/∆x .

Так как АС || Ox, то ALO = BAC = β (как соответственные при параллельных). Но ALO - это угол наклона секущей АВ к положи­тельному направлению оси Ох. Значит, tgβ = k - угловой коэффициент прямой АВ.

Теперь будем уменьшать ∆х, т.е. ∆х→ 0. При этом точка В будет прибли­жаться к точке А по графику, а секущая АВ будет поворачиваться. Пре­дельным положением секущей АВ при ∆х→ 0 будет прямая (a), называемая касательной к графику функции у = f (х) в точке А.

Если перейти к пределу при ∆х → 0 в равенстве tgβ =∆y/∆x, то получим
илиtg =f "(x 0), так как
-угол накло­на касательной к положительному направлению оси Ох
, по определению производной. Но tg = k - угловой коэффициент каса­тельной, значит, k = tg = f "(x 0).

Итак, геометрический смысл производной заключается в следую­щем:

Производная функции в точке x 0 равна угловому коэффициенту ка­сательной к графику функции, проведенной в точке с абсциссой x 0 .

3. Физический смысл производной.

Рассмотрим движение точки по прямой. Пусть задана координата точки в любой момент времени x(t). Известно (из курса физики), что средняя скорость за промежуток времени равна отношению расстояния, пройденного за этот промежуток времени, на время, т.е.

Vср = ∆x/∆t. Перейдем к пределу в последнем равенстве при ∆t → 0.

lim Vср (t) = (t 0) - мгновенная скорость в момент времени t 0 , ∆t → 0.

а lim = ∆x/∆t = x"(t 0) (по определению производной).

Итак, (t) =x"(t).

Физический смысл производной заключается в следующем: произ­водная функции y = f (x ) в точке x 0 - это скорость изменения функции f (х) в точке x 0

Производная применяется в физике для нахождения скорости по известной функции координаты от времени, ускорения по известной функции скорости от времени.

(t) = x"(t) - скорость,

a(f) = "(t) - ускорение, или

Если известен закон движения материальной точки по окружности, то можно найти угловую скорость и угловое ускорение при вращатель­ном движении:

φ = φ(t) - изменение угла от времени,

ω = φ"(t) - угловая скорость,

ε = φ"(t) - угловое ускорение, или ε = φ"(t).

Если известен закон распределения массы неоднородного стержня, то можно найти линейную плотность неоднородного стержня:

m = m(х) - масса,

x  , l - длина стержня,

р = m"(х) - линейная плотность.

С помощью производной решаются задачи из теории упругости и гармонических колебаний. Так, по закону Гука

F = -kx, x – переменная координата, k- коэффициент упругости пружины. Положив ω 2 =k/m, получим дифференциальное уравнение пружинного маятника х"(t) + ω 2 x(t) = 0,

где ω = √k/√m частота колебаний (l/c), k - жесткость пружины (H/m).

Уравнение вида у" + ω 2 y = 0 называется уравнением гармонических колебаний (механических, электрических, электромагнитных). Решени­ем таких уравнений является функция

у = Asin(ωt + φ 0) или у = Acos(ωt + φ 0), где

А - амплитуда колебаний, ω - циклическая частота,

φ 0 - начальная фаза.

Производная функции - одна из сложных тем в школьной программе. Не каждый выпускник ответит на вопрос, что такое производная.

В этой статье просто и понятно рассказано о том, что такое производная и для чего она нужна . Мы не будем сейчас стремиться к математической строгости изложения. Самое главное - понять смысл.

Запомним определение:

Производная - это скорость изменения функции.

На рисунке - графики трех функций. Как вы думаете, какая из них быстрее растет?

Ответ очевиден - третья. У нее самая большая скорость изменения, то есть самая большая производная.

Вот другой пример.

Костя, Гриша и Матвей одновременно устроились на работу. Посмотрим, как менялся их доход в течение года:

На графике сразу все видно, не правда ли? Доход Кости за полгода вырос больше чем в два раза. И у Гриши доход тоже вырос, но совсем чуть-чуть. А доход Матвея уменьшился до нуля. Стартовые условия одинаковые, а скорость изменения функции, то есть производная , - разная. Что касается Матвея - у его дохода производная вообще отрицательна.

Интуитивно мы без труда оцениваем скорость изменения функции. Но как же это делаем?

На самом деле мы смотрим, насколько круто идет вверх (или вниз) график функции. Другими словами - насколько быстро меняется у с изменением х. Очевидно, что одна и та же функция в разных точках может иметь разное значение производной - то есть может меняться быстрее или медленнее.

Производная функции обозначается .

Покажем, как найти с помощью графика.

Нарисован график некоторой функции . Возьмем на нем точку с абсциссой . Проведём в этой точке касательную к графику функции. Мы хотим оценить, насколько круто вверх идет график функции. Удобная величина для этого - тангенс угла наклона касательной .

Производная функции в точке равна тангенсу угла наклона касательной, проведённой к графику функции в этой точке.

Обратите внимание - в качестве угла наклона касательной мы берем угол между касательной и положительным направлением оси .

Иногда учащиеся спрашивают, что такое касательная к графику функции. Это прямая, имеющая на данном участке единственную общую точку с графиком, причем так, как показано на нашем рисунке. Похоже на касательную к окружности.

Найдем . Мы помним, что тангенс острого угла в прямоугольном треугольнике равен отношению противолежащего катета к прилежащему. Из треугольника :

Мы нашли производную с помощью графика, даже не зная формулу функции. Такие задачи часто встречаются в ЕГЭ по математике под номером .

Есть и другое важное соотношение. Вспомним, что прямая задается уравнением

Величина в этом уравнении называется угловым коэффициентом прямой . Она равна тангенсу угла наклона прямой к оси .

.

Мы получаем, что

Запомним эту формулу. Она выражает геометрический смысл производной.

Производная функции в точке равна угловому коэффициенту касательной, проведенной к графику функции в этой точке.

Другими словами, производная равна тангенсу угла наклона касательной.

Мы уже сказали, что у одной и той же функции в разных точках может быть разная производная. Посмотрим, как же связана производная с поведением функции.

Нарисуем график некоторой функции . Пусть на одних участках эта функция возрастает, на других - убывает, причем с разной скоростью. И пусть у этой функции будут точки максимума и минимума.

В точке функция возрастает. Касательная к графику, проведенная в точке , образует острый угол с положительным направлением оси . Значит, в точке производная положительна.

В точке наша функция убывает. Касательная в этой точке образует тупой угол с положительным направлением оси . Поскольку тангенс тупого угла отрицателен, в точке производная отрицательна.

Вот что получается:

Если функция возрастает, ее производная положительна.

Если убывает, ее производная отрицательна.

А что же будет в точках максимума и минимума? Мы видим, что в точках (точка максимума) и (точка минимума) касательная горизонтальна. Следовательно, тангенс угла наклона касательной в этих точках равен нулю, и производная тоже равна нулю.

Точка - точка максимума. В этой точке возрастание функции сменяется убыванием. Следовательно, знак производной меняется в точке с «плюса» на «минус».

В точке - точке минимума - производная тоже равна нулю, но ее знак меняется с «минуса» на «плюс».

Вывод: с помощью производной можно узнать о поведении функции всё, что нас интересует.

Если производная положительна, то функция возрастает.

Если производная отрицательная, то функция убывает.

В точке максимума производная равна нулю и меняет знак с «плюса» на «минус».

В точке минимума производная тоже равна нулю и меняет знак с «минуса» на «плюс».

Запишем эти выводы в виде таблицы:

Сделаем два небольших уточнения. Одно из них понадобится вам при решении задач ЕГЭ. Другое - на первом курсе, при более серьезном изучении функций и производных.

Возможен случай, когда производная функции в какой-либо точке равна нулю, но ни максимума, ни минимума у функции в этой точке нет. Это так называемая :

В точке касательная к графику горизонтальна, и производная равна нулю. Однако до точки функция возрастала - и после точки продолжает возрастать. Знак производной не меняется - она как была положительной, так и осталась.

Бывает и так, что в точке максимума или минимума производная не существует. На графике это соответствует резкому излому, когда касательную в данной точке провести невозможно.

А как найти производную, если функция задана не графиком, а формулой? В этом случае применяется

Перед прочтением информации на текущей странице советуем посмотреть видео о производной и её геометрическом смысле

Также смотрите пример вычисления производной в точке

Касательной к линии l в точке М0 называется прямая М0Т — предельное положение секущей М0М, когда точка М стремится к М0 вдоль данной линии (т. е. угол устремится к нулю) произвольным образом.

Производной функции у = f{x) в точке x0 называется предел отношения приращения этой функции к приращению аргумента, когда последнее стремится к нулю. Производную функции у = f{x) в точке х0 и учебниках обозначают символом f"(x0). Следовательно, по определению

Термин «производная» (а также «вторая производная») ввел Ж. Лагранж (1797), к тому же он дал обозначения y’, f’(x), f”(x) (1770,1779). Обозначение dy/dx впервые встречается у Лейбница (1675).

Производная функции y = f(х) при х = xо равна угловому коэффициенту касательной к графику данной функции в точке Мо(хо, f(xо)), т. е.

где а - угол наклона касательной к оси Ох прямоугольной декартовой системы координат.

Уравнение касательной к линии у = f(x) в точке Мо(хо, уо) принимает вид

Нормалью к кривой в некоторой ее точке называется перпендикуляр к касательной в той же точке. Если f(x0) не равно 0, то уравнение нормали к линии у = f(x) в точке Мо(хо, уо) запишется так:

Физический смысл производной

Если x = f(t) — закон прямолинейного движения точки, то x’ = f’(t) - скорость этого движения в момент времени t. Быстрота протекания физических, химических и других процессов выражается с помощью производной .

Если отношение dy/dх при х->х0 имеет предел справа (или слева), то он называется производной справа (соответственно производной слева). Такие пределы называются односторонними производными .

Очевидно, функция f{x) определенная в некоторой окрестности точки х0, имеет производную f’{x) тогда и только тогда, когда односторонние производные существуют и равны между собой.

Геометрическое истолкование производной как углового коэффициента касательной к графику распространяется и на этот случай: касательная в данном случае параллельна оси Оу.

Функция, имеющая производную в данной точке, называется дифференцируемой в этой точке. Функция, имеющая производную в каждой точке данного промежутка, называется дифференцируемой в этом промежутке. Если промежуток является замкнутым, то на концах его имеются односторонние производные.

Операция нахождения производной называется .

Математические задачи находят своё применение во многих науках. К таковым следует отнести не только физику, химию, технику и экономику, но также медицину, экологию и прочие дисциплины. Одним из важных понятий, которое следует освоить, чтобы находить решения важных дилемм, является производная функции. Физический смысл её объяснить совсем не так сложно, как может показаться непосвящённому в суть вопроса. Достаточно лишь найти подходящие примеры тому в реальной жизни и обычных бытовых ситуациях. На самом деле любой автомобилист справляется с подобной задачей каждый день, когда смотрит на спидометр, определяя скорость своей машины в конкретное мгновение фиксированного времени. Ведь именно в этом параметре заключена суть физического смысла производной.

Как найти скорость

Определить скорость движения человека по дороге, зная пройденное расстояние и время в пути, с лёгкостью может любой пятиклассник. Для этого следует первую из заданных величин разделить на вторую. Но не каждый из юных математиков знает о том, что в данный момент находит отношение приращений функции и аргумента. Действительно, если представить движение в виде графика, откладывая по оси ординат путь, а по абсциссе - время, это будет именно так.

Однако скорость пешехода или любого другого объекта, которую мы определяем на большом участке пути, считая движение равномерным, вполне может меняться. В физике известно множество форм движения. Оно может совершаться не только с постоянным ускорением, но замедляться и возрастать произвольным образом. Следует обратить внимание, что в данном случае линией, описывающей перемещение, будет уже не прямая. Графически она может принимать самые сложные конфигурации. Но для любой из точек графика мы всегда можем провести касательную, представленную линейной функцией.

Для уточнения параметра изменения перемещения в зависимости от времени приходится сокращать измеряемые отрезки. Когда же они станут бесконечно малыми, вычисляемая скорость окажется мгновенной. Данный опыт помогает нам дать определение производной. Физический смысл её также логически вытекает из подобных рассуждений.

С точки зрения геометрии

Известно, что чем больше скорость тела, тем круче график зависимости перемещения от времени, а значит, и угол наклона касательной к графику в какой-то определённой точке. Показателем подобных изменений может стать тангенс угла между осью абсцисс и линией касательной. Как раз он определяет значение производной и вычисляется отношением длин противолежащего к прилежащему катету в прямоугольном треугольнике, образованном перпендикуляром, опущенным из некоторой точки на ось абсцисс.

В этом заключается геометрический смысл первой производной. Физический же раскрывается в том, что величина противолежащего катета в нашем случае представляет собой пройденный путь, а прилежащего - время. При этом отношением их является скорость. И снова мы приходим к выводу, что мгновенная скорость, определяемая при стремлении обоих промежутков к бесконечно малому, и является сутью указывая на её физический смысл. Второй производной в данном примере будет ускорение тела, демонстрирующее, в свою очередь, степень изменения скорости.

Примеры нахождения производных в физике

Производная - это показатель скорости изменения любой функции, даже когда речь не идёт о движении в прямом смысле слова. Чтобы наглядно продемонстрировать это, приведём несколько конкретных примеров. Допустим, сила тока, завися от времени, изменяется согласно следующему закону: I = 0,4t 2 . Требуется найти значение скорости, с которой происходит изменение этого параметра в конце 8-й секунды процесса. Заметим, что сама искомая величина, как можно судить из уравнения, постоянно возрастает.

Для решения требуется найти первую производную, физический смысл которой был рассмотрен ранее. Здесь dI / dt = 0,8 t . Далее найдём оную при t =8 , получим, что скорость, с которой происходит изменение силы тока, равна 6,4 A / c . Здесь считается, что сила тока измеряется в амперах, а время, соответственно, в секундах.

Всё изменчиво

Видимый окружающий мир, состоящий из материи, постоянно претерпевает изменения, находясь в движении протекающих в нём разнообразных процессов. Для описания их можно использовать самые разные параметры. Если они объединены зависимостью, то математически записываются в виде функции, наглядно показывающей их изменения. А где есть движение (в каком бы виде оно ни выражалось), там существует и производная, физический смысл которой мы и рассматриваем в настоящий момент.

По этому поводу следующий пример. Допустим, температура тела изменяется по закону T =0,2 t 2 . Следует найти скорость его нагревания в конце 10-й секунды. Решение задачи производится способом, аналогичным описанному в предыдущем случае. То есть мы находим производную и подставляем в неё значение для t = 10 , получаем T = 0,4 t = 4. Значит, окончательным ответом считается 4 градуса за секунду, то есть процесс нагревания и изменение температуры, измеряемой в градусах, происходит именно с такой скоростью.

Решение практических задач

Конечно, в реальной жизни всё бывает гораздо сложнее, чем в теоретических задачах. На практике значение величин определяется обычно в ходе эксперимента. При этом используются приборы, которые выдают показания при измерениях с определённой погрешностью. Поэтому при вычислениях приходится иметь дело с приближёнными значениями параметров и прибегать к округлениям неудобных чисел, а также другим упрощениям. Приняв это ко вниманию, снова приступим к задачам на физический смысл производной, учитывая, что они являются лишь некоей математической моделью происходящих в природе сложнейших процессов.

Извержение вулкана

Представим, что происходит извержение вулкана. Насколько он может быть опасен? Для выяснения этого вопроса необходимо рассмотреть множество факторов. Мы постараемся учесть один из них.

Из жерла "огненного чудовища" выбрасываются вертикально вверх камни, имеющие начальную скорость с момента выхода наружу Необходимо просчитать, какой они могут достигнуть максимальной высоты.

Для нахождения искомого значения составим уравнение зависимости высоты H, измеряемой в метрах, от прочих величин. К таковым относятся начальная скорость и время. Значение ускорения считаем известным и приблизительно равным 10 м/с 2 .

Частная производная

Рассмотрим теперь физический смысл производной функции немного с другой стороны, ведь само уравнение может содержать не одну, а несколько переменных. К примеру, в предыдущей задаче зависимость высоты подъёма камней, выбрасываемых из жерла вулкана, определялась не только изменением временных характеристик, но и значением начальной скорости. Последняя считалась постоянной, фиксированной величиной. Но в других задачах с совершенно иными условиями всё могло быть иначе. Если величин, от которых зависит сложная функция, несколько, расчёты производятся согласно указанным ниже формулам.

Физический смысл частой производной следует определять, как и в обычном случае. Это скорость изменения функции в некоторой определённой точке при росте параметра переменной. Она вычисляется таким образом, что все остальные составляющие принимаются за постоянные, лишь только один рассматривается как переменная. Далее всё происходит по обычным правилам.

Понимая физический смысл производной, примеры решения запутанных и сложных проблем, ответ в которых позволяют найти подобные знания, привести несложно. Если у нас есть функция, описывающая расход горючего в зависимости от скорости автомобиля, можем рассчитать, при каких параметрах последней расход бензина будет наименьшим.

В медицине можно предвидеть, каким образом будет реагировать человеческий организм на прописанное врачом лекарство. Приём препарата сказывается на самых разных физиологических показателях. К ним относятся изменения артериального давления, пульса, температуры тела и многого другого. Все они зависят от дозы принимаемого лекарственного средства. Данные расчёты помогают предвидеть ход лечения, как в благоприятных проявлениях, так и в нежелательных случайностях, способных фатальным образом отразиться на изменениях в организме больного.

Несомненно, важным оказывается понимание физического смысла производной в технических вопросах, в частности в электротехнике, электронике, конструировании и строительстве.

Тормозной путь

Рассмотрим очередную задачу. Двигаясь с постоянной скоростью, автомобиль, приближаясь к мосту, за 10 секунд до въезда вынужден был затормозить, так как водитель заметил дорожный знак, запрещающий движение со скоростью более 36 км/час. Не нарушил ли правила шофёр, если тормозной путь его можно описать формулой S = 26t - t 2 ?

Вычислив первую производную, найдём формулу для скорости, получим v = 28 - 2t. Далее подставим в указанное выражение значение t=10.

Так как эта величина была выражена в секундах, скорость оказывается равной 8 м/с, а значит, 28,8 км/час. Это даёт возможность понять, что шофёр начал тормозить вовремя и не нарушил правила движения, а значит, и предел указанной на знаке скорости.

Подобное доказывает важность физического смысла производной. Пример решения данной задачи демонстрирует широту использования этого понятия в самых разных сферах жизни. В том числе и в бытовых ситуациях.

Производная в экономике

До XIX столетия экономисты в основном оперировали средними величинами, будь то производительность труда или цена на выпускаемую продукцию. Но с некоторого момента для составления эффективных прогнозов в данной области больше стали необходимы предельные величины. К таковым можно отнести предельную полезность, доход или издержки. Понимание этого дало толчок к созданию совершенно нового инструмента в экономических исследованиях, который существует и развивается вот уже более ста лет.

Для составления подобных расчётов, где главенствуют такие понятия, как минимум и максимум, просто необходимо понимание геометрического и физического смысла производной. Среди создателей теоретической основы указанных дисциплин можно назвать таких видных английских и австрийских экономистов, как У. С. Джевонс, К. Менгер и других. Конечно, предельные величины в экономических выкладках не всегда использовать удобно. А, к примеру, квартальные отчёты не обязательно укладываются в существующую схему, но всё же применение подобной теории во многих случаях бывает полезно и эффективно.

Лекция: Понятие о производной функции, геометрический смысл производной

Рассмотрим некоторую функцию f(x), которая будет непрерывной на всем промежутке рассмотрения. На рассматриваемом промежутке выберем точку х 0 , а также величину функции в данной точке.

Итак, давайте рассмотрим график, на котором отметим нашу точку х 0 , а также точку (х 0 + ∆х). Напомним, что ∆х – это расстояние (разница) между двумя выбранными точками.

Так же стоит понимать, что каждому х соответствует собственное значение функции у.

Разница значений функции в точке х 0 и (х 0 + ∆х) называется приращением данной функции: ∆у = f(х 0 + ∆х) - f(х 0).

Давайте обратим внимание на дополнительную информацию, которая имеется на графике – это секущая, которая названа КL, а также треугольник, который она образует с интервалами KN и LN.

Угол, под которым находится секущая, называется её углом наклона и обозначается α. Легко можно определить, что градусная мера угла LKN так же равна α.

А теперь давайте вспомним соотношения в прямоугольном треугольнике tgα = LN / KN = ∆у / ∆х.

То есть тангенс угла наклона секущей равен отношению приращения функции к приращению аргумента.

В свое время, производная – это предел отношения приращения функции к приращению аргумента на бесконечно малых интервалах.

Производная определяет скорость, с которой происходит изменение функции на некотором участке.

Геометрический смысл производной

Если найти производную любой функции в некоторой точке, то можно определить угол, под которым будет находится касательная к графику в данной токе, относительно оси ОХ. Обратите внимание на график – угол наклона касательно обозначается буквой φ и определяется коэффициентом k в уравнении прямой: y = kx + b.

То есть можно сделать вывод, что геометрическим смыслом производной является тангенс угла наклона касательной в некоторой точке функции.