Диференціювання складної функції для чайників. Похідна складна функція. Приклади розв'язків. Похідні елементарних функцій

Якщо ти зайшов сюди, то вже, напевно, встиг побачити у підручнику цю формулу

і зробити ось таке обличчя:

Друг, не хвилюйся! Насправді все просто до неподобства. Ти обов'язково все зрозумієш. Тільки одне прохання – прочитай статтю не кваплячись, намагайся зрозуміти кожен крок. Я писав максимально просто та наочно, але вникнути в ідею все одно треба. І обов'язково виріши завдання із статті.

Що таке складна функція?

Уяви, що ти переїжджаєш в іншу квартиру і тому збираєш речі у великі коробки. Нехай треба зібрати якісь дрібні предмети, наприклад, шкільне письмове приладдя. Якщо просто скидати їх у величезну коробку, вони загубляться серед інших речей. Щоб цього уникнути, ти спочатку кладеш їх, наприклад, у пакет, який потім вкладаєш у велику коробку, після чого її запечатуєш. Цей "найскладніший" процес представлений на схемі нижче:

Здавалося б, до чого тут математика? Та при тому, що складна функція формується точно таким же способом! Тільки «упаковуємо» ми не зошити і ручки, а (x), при цьому «пакетами» і «коробками» служать різні.

Наприклад, візьмемо x і «запакуємо» його у функцію:

В результаті отримаємо, ясна річ, \(\cos⁡x). Це наш «пакет із речами». А тепер кладемо його в "коробку" - запаковуємо, наприклад, у кубічну функцію.

Що вийде у результаті? Так, мабуть, буде "пакет з речами в коробці", тобто "косинус ікса в кубі".

Конструкція, що вийшла, і є складна функція. Вона відрізняється від простої тим, що до одного ікса застосовується КІЛЬКА «впливів» (упаковок) поспільі виходить як би "функція від функції" - "упаковка в упаковці".

У шкільному курсі видів цих самих «упаковок» зовсім мало, лише чотири:

Давай тепер «упакуємо» ікс спочатку у показову функцію з основою 7, а потім у тригонометричну функцію . Отримаємо:

\(x → 7^x → tg⁡(7^x)\)

А тепер «упакуємо» ікс двічі в тригонометричні функції, спочатку в , а потім в :

\(x → sin⁡x → ctg⁡ (sin⁡x)\)

Просто, правда?

Напиши тепер сам функції, де ікс:
- спочатку «упаковується» в косинус, а потім у показову функцію з основою (3);
- спочатку у п'яту ступінь, а потім у тангенс;
- спочатку в логарифм на підставі \(4\) потім у ступінь \(-2\).

Відповіді на це завдання подивися наприкінці статті.

А чи можемо ми «упакувати» ікс не двічі, а тричі? Да без проблем! І чотири, і п'ять, і двадцять і п'ять разів. Ось, наприклад, функція, в якій ікс «упакований» (4) рази:

\(y=5^(\log_2⁡(\sin⁡(x^4)))\)

Але такі формули у шкільній практиці не зустрінуться (студентам пощастило більше – у них може бути й складніше☺).

«Розпакування» складної функції

Подивися на попередню функцію ще раз. Чи зможеш ти розібратися в послідовності "упаковки"? У що ікс запхали спочатку, а потім і так далі до самого кінця. Тобто яка функція вкладена в яку? Візьми листок та запиши, як ти вважаєш. Можна зробити це ланцюжком зі стрілками, як ми писали вище або будь-яким іншим способом.

Тепер правильна відповідь: спочатку ікс «упакували» в \(4\)-ий ступінь, потім результат упаковали в синус, його в свою чергу помістили в логарифм на підставі \(2\), і зрештою всю цю конструкцію засунули в ступінь п'ятірки.

Тобто розмотувати послідовність треба в зворотному порядку. І тут підказка як це робити простіше: одразу дивися на ікс – від нього і треба танцювати. Давай розберемо кілька прикладів.

Наприклад, така функція: \(y=tg⁡(\log_2⁡x)\). Дивимось на ікс - що з ним відбувається спочатку? Береться від нього. А потім? Береться тангенс від результату. Ось і послідовність буде така сама:

\(x → \log_2⁡x → tg⁡(\log_2⁡x)\)

Ще приклад: \(y=\cos⁡((x^3))\). Аналізуємо – спочатку ікс звели до куба, а потім від результату взяли косинус. Отже, послідовність буде: \(x → x^3 → \cos⁡((x^3))\). Зверніть увагу, функція начебто схожа на першу (там, де з картинками). Але це зовсім інша функція: тут у кубі ікс (тобто \(\cos⁡((x·x·x)))\), а там у кубі косинус \(x\) (тобто \(\cos⁡) x·\cos⁡x·\cos⁡x\)). Ця різниця виникає через різні послідовності «упаковки».

Останній приклад (з важливою інформацією у ньому): \(y=\sin⁡((2x+5))\). Зрозуміло, що спочатку зробили арифметичні дії з іксом, потім від результату взяли синус: \(x → 2x+5 → \sin⁡((2x+5))\). І це важливий момент: незважаючи на те, що арифметичні дії функціями власними силами не є, тут вони теж виступають як спосіб «упаковки». Давай трохи заглибимося в цю тонкість.

Як я вже говорив вище, у простих функціях ікс «упаковується» один раз, а в складних – два і більше. При цьому будь-яка комбінація простих функцій (тобто їх сума, різницю, множення чи поділ) - також проста функція. Наприклад, \(x^7\) - проста функція і \(ctg x\) - теж. Значить, і всі їх комбінації є простими функціями:

\(x^7+ ctg x\) - проста,
\(x^7· ctg x\) – проста,
\(\frac(x^7)(ctg x)\) - проста і т.д.

Однак, якщо до такої комбінації застосувати ще одну функцію – буде вже складна функція, оскільки «упаковок» стане дві. Дивись схему:

Добре, давай тепер сам. Напиши послідовність «загортання» функцій:
\(y=cos(⁡(sin⁡x))\)
\(y=5^(x^7)\)
\(y=arctg⁡(11^x)\)
\(y=log_2⁡(1+x)\)
Відповіді знову наприкінці статті.

Внутрішня та зовнішня функції

Навіщо нам потрібно розбиратися у вкладеності функцій? Що це нам дає? Справа в тому, що без такого аналізу ми не зможемо надійно знаходити похідні розібраних вище функцій.

І для того, щоб рухатися далі, нам потрібні ще два поняття: внутрішня та зовнішня функції. Це дуже проста річ, більше того, насправді ми їх уже розібрали вище: якщо згадати нашу аналогію на самому початку, то внутрішня функція – це пакет, а зовнішня – це коробка. Тобто. те, у що ікс "загортають" спочатку - це внутрішня функція, а те, у що "загортають" внутрішню - вже зовнішня. Ну, зрозуміло чому – вона ж зовні, отже, зовнішня.

Ось у цьому прикладі: \(y=tg⁡(log_2⁡x)\), функція \(\log_2⁡x\) – внутрішня, а
- Зовнішня.

А в цьому: \(y=\cos⁡((x^3+2x+1))\), \(x^3+2x+1\) - внутрішня, а
- Зовнішня.

Виконай останню практику аналізу складних функцій, і перейдемо, нарешті, до того, заради чого все починалося - знаходитимемо похідні складних функцій:

Заповни пропуски у таблиці:

Похідна складної функції

Браво нам, ми все-таки дісталися «босу» цієї теми – власне, похідної складної функції, а саме, до тієї жахливої ​​формули з початку статті.☺

\((f(g(x)))"=f"(g(x))\cdot g"(x)\)

Формула ця читається так:

Похідна складної функції дорівнює добутку похідної зовнішньої функції за незмінною внутрішньою на похідну внутрішньої функції.

І відразу дивися схему розбору "за словами" щоб розуміти, що до чого ставитися:

Сподіваюся, терміни «похідна» та «твор» труднощів не викликають. "Складну функцію" - ми вже розібрали. Загвоздка в «похідній зовнішньої функції за незмінною внутрішньою». Що це таке?

Відповідь: це звичайна похідна зовнішньої функції, коли він змінюється лише зовнішня функція, а внутрішня залишається такою ж. Все одно незрозуміло? Добре, давай на прикладі.

Нехай ми маємо функцію \(y=\sin⁡(x^3)\). Зрозуміло, що внутрішня функція тут (x^3), а зовнішня
. Знайдемо тепер похідну зовнішньої за незмінною внутрішньою.

Вирішувати фізичні завдання чи приклади з математики зовсім неможливо без знань про похідну та методи її обчислення. Похідна – одне з найважливіших понять математичного аналізу. Цій фундаментальній темі ми вирішили присвятити сьогоднішню статтю. Що таке похідна, який її фізичний та геометричний зміст, як порахувати похідну функції? Всі ці питання можна поєднати в одне: як зрозуміти похідну?

Геометричний та фізичний зміст похідної

Нехай є функція f(x) , задана в певному інтервалі (a, b) . Точки х і х0 належать до цього інтервалу. При зміні х змінюється сама функція. Зміна аргументу – різниця його значень х-х0 . Ця різниця записується як дельта ікс і називається збільшенням аргументу. Зміною або збільшенням функції називається різниця значень функції у двох точках. Визначення похідної:

Похідна функції у точці – межа відношення збільшення функції у цій точці до збільшення аргументу, коли останнє прагне нулю.

Інакше це можна записати так:

Який сенс у знаходженні такої межі? А ось який:

похідна від функції в точці дорівнює тангенсу кута між віссю OX і щодо графіку функції в даній точці.

Фізичний зміст похідної: похідна шляхи за часом дорівнює швидкості прямолінійного руху.

Дійсно, ще зі шкільних часів всім відомо, що швидкість – це приватна дорога. x=f(t) та часу t . Середня швидкість за деякий проміжок часу:

Щоб дізнатися швидкість руху в момент часу t0 потрібно обчислити межу:

Правило перше: виносимо константу

Константу можна винести за знак похідної. Більше того – це потрібно робити. При вирішенні прикладів математики візьміть за правило - якщо можете спростити вираз, обов'язково спрощуйте .

приклад. Обчислимо похідну:

Правило друге: похідна суми функцій

Похідна суми двох функцій дорівнює сумі похідних цих функцій. Те саме справедливо і для похідної різниці функцій.

Не наводитимемо доказ цієї теореми, а краще розглянемо практичний приклад.

Знайти похідну функції:

Правило третє: похідна робота функцій

Похідна твори двох функцій, що диференціюються, обчислюється за формулою:

Приклад: знайти похідну функції:

Рішення:

Тут важливо сказати про обчислення похідних складних функцій. Похідна складної функції дорівнює добутку похідної цієї функції за проміжним аргументом на похідну проміжного аргументу за незалежною змінною.

У наведеному вище прикладі ми зустрічаємо вираз:

В даному випадку проміжний аргумент - 8х у п'ятому ступені. Для того, щоб обчислити похідну такого виразу спочатку вважаємо похідну зовнішньої функції за проміжним аргументом, а потім множимо на похідну безпосередньо проміжного аргументу незалежної змінної.

Правило четверте: похідна приватного двох функцій

Формула для визначення похідної від частки двох функцій:

Ми постаралися розповісти про похідні для чайників з нуля. Ця тема не така проста, як здається, тому попереджаємо: у прикладах часто зустрічаються пастки, так що будьте уважні при обчисленні похідних.

З будь-яким питанням з цієї та інших тем ви можете звернутися до студентського сервісу. За короткий термін ми допоможемо вирішити найскладнішу контрольну та розібратися із завданнями, навіть якщо ви ніколи раніше не займалися обчисленням похідних.

Після попередньої артпідготовки будуть менш страшні приклади з 3-4-5 вкладеннями функцій. Можливо, наступні два приклади здадуться деяким складними, але якщо їх зрозуміти (хтось і мучиться), то майже все інше в диференціальному обчисленні здаватиметься дитячим жартом.

Приклад 2

Знайти похідну функції

Як зазначалося, при знаходженні похідної складної функції, передусім, необхідно правильноРОЗІБРАТИСЯ у вкладеннях. У тих випадках, коли є сумніви, нагадую корисний прийом: беремо піддослідне значення «ікс», наприклад, і пробуємо (подумки або на чернетці) підставити це значення в «страшний вираз».

1) Спочатку нам потрібно обчислити вираз, отже, сума - найглибше вкладення.

2) Потім необхідно обчислити логарифм:

4) Потім косинус звести до куба:

5) На п'ятому кроці різниця:

6) І, нарешті, сама зовнішня функція – це квадратний корінь:

Формула диференціювання складної функції застосовуються у зворотному порядку, від самої зовнішньої функції, до внутрішньої. Вирішуємо:

Начебто без помилок:

1) Беремо похідну від квадратного кореня.

2) Беремо похідну від різниці, використовуючи правило

3) Похідна трійки дорівнює нулю. У другому доданку беремо похідну від ступеня (куба).

4) Беремо похідну від косинуса.

6) І, нарешті, беремо похідну від найглибшого вкладення.

Може здатися дуже важко, але це ще не найбільш звірячий приклад. Візьміть, наприклад, збірку Кузнєцова і ви оціните всю красу і простоту розібраної похідної. Я помітив, що схожу штуку люблять давати на іспиті, щоб перевірити, чи розуміє студент, як знаходити похідну складної функції, чи не розуміє.

Наступний приклад самостійного рішення.

Приклад 3

Знайти похідну функції

Підказка: Спочатку застосовуємо правила лінійності та правило диференціювання твору

Повне рішення та відповідь наприкінці уроку.

Настав час перейти до чогось більш компактного та симпатичного.
Не рідкісна ситуація, як у прикладі дано твір не двох, а трьох функцій. Як знайти похідну від твору трьох множників?

Приклад 4

Знайти похідну функції

Спочатку дивимося, а чи не можна твір трьох функцій перетворити на твір двох функцій? Наприклад, якби у нас у творі було два багаточлени, то можна було б розкрити дужки. Але в прикладі всі функції різні: ступінь, експонента і логарифм.

У таких випадках необхідно послідовнозастосувати правило диференціювання твору два рази

Фокус у тому, що з «у» ми позначимо твір двох функцій: , а й за «ве» - логарифм: . Чому можна так зробити? А хіба - це не твір двох множників і правило не працює? Нічого складного немає:

Тепер залишилося вдруге застосувати правило до дужки:

Можна ще поплутатися і винести щось за дужки, але в даному випадку відповідь краще залишити саме в такому вигляді - легше перевірятиме.

Розглянутий приклад можна вирішити другим способом:

Обидва способи вирішення абсолютно рівноцінні.

Приклад 5

Знайти похідну функції

Це приклад самостійного рішення, у зразку він вирішений першим способом.

Розглянемо аналогічні приклади із дробами.

Приклад 6

Знайти похідну функції

Тут можна йти кількома шляхами:

Або так:

Але рішення запишеться компактніше, якщо в першу чергу використовувати правило диференціювання приватного , Прийнявши за весь чисельник:

У принципі приклад вирішено, і якщо його залишити в такому вигляді, то це не буде помилкою. Але за наявності часу завжди бажано перевірити на чернетці, а чи не можна спростити відповідь?

Наведемо вираз чисельника до спільного знаменника і позбавимося триповерховості дробу:

Мінус додаткових спрощень полягає в тому, що є ризик припуститися помилки вже не при знаходженні похідної, а при банальних шкільних перетвореннях. З іншого боку, викладачі нерідко бракують завдання та просять «довести до пуття» похідну.

Простіший приклад для самостійного вирішення:

Приклад 7

Знайти похідну функції

Продовжуємо освоювати прийоми знаходження похідної, і зараз ми розглянемо типовий випадок, коли для диференціювання запропоновано «страшний» логарифм

Запам'ятати дуже просто.

Ну і не будемо далеко ходити, одразу ж розглянемо зворотну функцію. Яка функція є зворотною для показової функції? Логарифм:

У нашому випадку основою є число:

Такий логарифм (тобто логарифм із основою) називається «натуральним», і для нього використовуємо особливе позначення: замість пишемо.

Чому дорівнює? Звичайно ж, .

Похідна від натурального логарифму теж дуже проста:

Приклади:

1. Знайди похідну функцію.
2. Чому дорівнює похідна функції?

Відповіді: Експонента та натуральний логарифм – функції унікально прості з погляду похідної. Показові та логарифмічні функції з будь-якою іншою основою будуть мати іншу похідну, яку ми з тобою розберемо пізніше, після того, як ми пройдемо правила диференціювання.

Правила диференціювання

Правила чого? Знову новий термін, знову?!

Диференціювання- Це процес знаходження похідної.

Тільки і всього. А як ще назвати цей процес одним словом? Не производнование ж... Диференціалом математики називають те саме збільшення функції при. Походить цей термін від латинського differentia - різниця. Ось.

При виведенні всіх цих правил використовуватимемо дві функції, наприклад, в. Нам знадобляться також формули їх прирощень:

Усього є 5 правил.

Константа виноситься за знак похідної.

Якщо – якесь постійне число (константа), тоді.

Очевидно, це правило працює і для різниці: .

Доведемо. Нехай, чи простіше.

приклади.

Знайдіть похідні функції:

1. у точці;
2. у точці;
3. у точці;
4. у точці.

Рішення:

1. (Похідна однакова у всіх точках, так як це лінійна функція, пам'ятаєш?);

Похідна робота

Тут все аналогічно: введемо нову функцію і знайдемо її збільшення:

Похідна:

Приклади:

1. Знайдіть похідні функцій та;
2. Знайдіть похідну функцію в точці.

Рішення:

Похідна показової функції

Тепер твоїх знань достатньо, щоб навчитися знаходити похідну будь-якої показової функції, а не лише експоненти (не забув ще, що це таке?).

Отже, де – це якесь число.

Ми вже знаємо похідну функцію, тому давай спробуємо привести нашу функцію до нової основи:

І тому скористаємося простим правилом: . Тоді:

Ну ось, вийшло. Тепер спробуй знайти похідну і не забудь, що ця функція - складна.

Вийшло?

Ось, перевір себе:

Формула вийшла дуже схожа на похідну експоненти: як було, так і залишилося, з'явився лише множник, який є просто числом, але не змінною.

Приклади:
Знайди похідні функції:

Відповіді:

Це просто число, яке неможливо порахувати без калькулятора, тобто не записати в більш простому вигляді. Тому у відповіді його у такому вигляді і залишаємо.

Зауважимо, що тут приватне двох функцій, тому застосуємо відповідне правило диференціювання:

У цьому прикладі добуток двох функцій:

Похідна логарифмічна функція

Тут аналогічно: ти вже знаєш похідну від натурального логарифму:

Тому, щоб знайти довільну від логарифму з іншою основою, наприклад:

Потрібно привести цей логарифм до основи. А як змінити основу логарифму? Сподіваюся, ти пам'ятаєш цю формулу:

Тільки тепер замість писатимемо:

У знаменнику вийшла просто константа (постійне число, без змінної). Похідна виходить дуже просто:

Похідні показової та логарифмічної функцій майже не зустрічаються в ЄДІ, але не буде зайвим знати їх.

Похідна складна функція.

Що таке "складна функція"? Ні, це не логарифм і не арктангенс. Дані функції може бути складними для розуміння (хоча, якщо логарифм тобі здається складним, прочитай тему «Логарифми» і все пройде), але з точки зору математики слово «складна» не означає «важка».

Уяви собі маленький конвеєр: сидять дві людини і роблять якісь дії з якимись предметами. Наприклад, перший загортає шоколадку в обгортку, а другий обв'язує її стрічкою. Виходить такий складовий об'єкт: шоколадка, обгорнена та обв'язана стрічкою. Щоб з'їсти шоколадку, тобі потрібно зробити зворотні дії у зворотному порядку.

Давай створимо подібний математичний конвеєр: спочатку знаходитимемо косинус числа, а потім отримане число зводитимемо в квадрат. Отже, нам дають число (шоколадка), я знаходжу його косинус (обгортка), а ти потім зводиш те, що в мене вийшло, у квадрат (обв'язуєш стрічкою). Що вийшло? функція. Це і є приклад складної функції: коли для знаходження її значення ми робимо першу дію безпосередньо зі змінною, а потім ще другу дію з тим, що вийшло в результаті першого.

Іншими словами, складна функція – це функція, аргументом якої є інша функція: .

Для прикладу, .

Ми цілком можемо робити ті ж дії і в зворотному порядку: спочатку ти зводиш у квадрат, а потім шукаю косинус отриманого числа: . Нескладно здогадатися, що результат майже завжди буде різним. Важлива особливість складних функцій: зміна порядку дій функція змінюється.

Другий приклад: (те саме). .

Дію, яку робимо останнім, будемо називати "зовнішньої" функцією, а дія, що чиниться першим - відповідно «внутрішньою» функцією(це неформальні назви, я їх вживаю лише для того, щоб пояснити матеріал простою мовою).

Спробуй визначити сам, яка функція є зовнішньою, а яка внутрішньою:

Відповіді:Поділ внутрішньої та зовнішньої функцій дуже схожий заміну змінних: наприклад, у функції

1. Першим виконуватимемо яку дію? Спершу порахуємо синус, а потім зведемо в куб. Отже, внутрішня функція, а зовнішня.
   А вихідна функція є їх композицією: .
2. Внутрішня: ; зовнішня: .
   Перевірка: .
3. Внутрішня: ; зовнішня: .
   Перевірка: .
4. Внутрішня: ; зовнішня: .
   Перевірка: .
5. Внутрішня: ; зовнішня: .
   Перевірка: .

виконуємо заміну змінних та отримуємо функцію.

Ну що ж, тепер витягуватимемо нашу шоколадку - шукати похідну. Порядок дій завжди зворотний: спочатку шукаємо похідну зовнішньої функції, потім множимо результат на похідну внутрішньої функції. Стосовно вихідного прикладу це так:

Інший приклад:

Отже, сформулюємо, нарешті, офіційне правило:

Алгоритм знаходження похідної складної функції:

Начебто все просто, так?

Перевіримо на прикладах:

Рішення:

1) Внутрішня: ;

Зовнішня: ;

2) Внутрішня: ;

(Тільки не здумай тепер скоротити на! З-під косинуса нічого не виноситься, пам'ятаєш?)

3) Внутрішня: ;

Зовнішня: ;

Відразу видно, що тут трирівнева складна функція: адже - це вже сама по собі складна функція, а з неї витягуємо корінь, тобто виконуємо третю дію (шоколадку в обгортці і з стрічкою кладемо в портфель). Але лякатися немає причин: все одно «розпаковувати» цю функцію будемо в тому ж порядку, що і зазвичай: з кінця.

Тобто спершу продиференціюємо корінь, потім косинус, і лише потім вираз у дужках. А потім все це перемножимо.

У разі зручно пронумерувати дії. Тобто уявімо, що нам відомий. У якому порядку робитимемо дії, щоб обчислити значення цього виразу? Розберемо з прикладу:

Чим пізніше відбувається дія, тим більше «зовнішньої» буде відповідна функція. Послідовність дій - як і раніше:

Тут вкладеність взагалі 4-рівнева. Давай визначимо порядок дій.

1. Підкорене вираз. .

2. Корінь. .

3. Синус. .

4. Квадрат. .

5. Збираємо все до купи:

ВИРОБНИЧА. КОРОТКО ПРО ГОЛОВНЕ

Похідна функції- Відношення збільшення функції до збільшення аргументу при нескінченно малому збільшення аргументу:

Базові похідні:

Правила диференціювання:

Константа виноситься за знак похідної:

Похідна сума:

Похідна робота:

Похідна приватна:

Похідна складної функції:

Алгоритм знаходження похідної від складної функції:

1. Визначаємо "внутрішню" функцію, знаходимо її похідну.
2. Визначаємо "зовнішню" функцію, знаходимо її похідну.
3. Помножуємо результати першого та другого пунктів.