Kapitola 5Derivace funkce
Derivace funkce patří spolu s pojmy limita a spojitost funkce k základním
pojmům diferenciálního počtu.
Nejprve si ukážeme historickou motivaci pro zavedení tohoto pojmu.
Poté dokážeme věty o derivaci, odvodíme derivace elementárních
funkcí a uvedeme věty o střední hodnotě popisující
vlastnosti funkce pomocí její derivace na intervalu.
Ukážeme, jak lze počítat limity podílu dvou funkcí
pomocí derivací – tzv. l'Hopitalovo pravidlo.
5.1. Derivace a její geometrický význam
K pojmu derivace funkce vede celá řada geometrických a fyzikálních úloh.
Jedna z nejstarších (tzv. základní úloha diferenciálního počtu) je nalézt
tečnu ke grafu
známé funkce .
Sečna grafu je přímka
určená bodem a dalším libovolným bodem grafu .
Tečnou s bodem dotyku rozumíme limitní polohu zmíněné sečny, kdy se bod blíží k bodu
– viz obr. 5.1. Ukažme, jaká je směrnice této tečny.
Připomeňme, že přímka procházející body a , , má
směrnici
kde je úhel, který svírá přímka s kladným směrem osy .
Tato přímka je potom dána rovnicí
Proto směrnice uvažované sečny je
a směrnice tečny
To ukazuje, že je účelné vyšetřovat takové limity (pro spojité funkce jsou typu ).
Derivaci značíme též
(důvodem je souvislost s diferenciálem,
viz kapitola 7) nebo .
Podobně definujeme jednostranné derivace
Geometrický význam derivace.
Ze způsobu, jakým jsme zavedli pojem derivace, plyne, že funkce má v
bodě vlastní derivaci právě tehdy, když má graf v bodě
tečnu se směrnicí . Dosadíme-li do
(1), dostáváme rovnici této tečny v bodě
Pro směrnice , dvou navzájem kolmých přímek platí
. Proto rovnice normály, tj. přímky kolmé k tečně a procházející
dotykovým bodem, je
Má-li funkce v daném bodě nevlastní derivaci, tj. ,
a je-li v tomto bodě spojitá (viz poznámka 5.8, iii),
pak je tečna ke grafu funkce v bodě rovnoběžná s osou .
Proto rovnice tečny a normály tehdy jsou
Příklad 5.4.
Napište rovnici tečny a normály ke grafu funkce procházejících bodem .
|
Řešení.
Platí , takže půjde o bod dotyku.
Rovnice tečny má tvar . Podle příkladu 5.3 je ,
po dosazení . Odtud dostáváme rovnici tečny a normály
. | Zobrazit / skrýt řešení |
Příklad 5.5.
Rozhodněte, zda má funkce v bodě derivaci.
|
Zobrazit / skrýt řešení |
Příklad 5.6. Z definice derivace vypočtěte derivace funkcí
a v bodě .
|
Zobrazit / skrýt řešení |
Fyzikální význam derivace.
Předpokládejme, že v časovém intervalu se po přímce pohybuje zleva doprava hmotný bod,
jehož poloha v čase je určena souřadnicí bodu dané přímky.
Průměrná rychlost v daném časovém intervalu je
Okamžitou rychlost v nějakém čase zjistíme tak, že
budeme „zmenšovat” velikost časového intervalu, tj. budeme se
„blížit k bodu ”. Vyjádřeno matematicky pomocí limity
Vidíme, že fyzikální význam derivace je v tomto případě okamžitá rychlost hmotného bodu.
Podobně obecněji, jestliže je fyzikální skalární veličina závisející na čase, charakterizuje
okamžitou velikost její změny v čase .
5.2. Věty o derivaci
V tomto odstavci uvedeme věty o derivaci funkce v daném bodě. Vztah mezi
derivací a spojitostí funkce popisuje následující věta.
Věta 5.7.
Má-li funkce v bodě vlastní derivaci, pak je v tomto bodě spojitá.
|
Zobrazit / skrýt důkaz |
Věta 5.9.
Nechť mají funkce v bodě vlastní derivaci. Pak platí:
-
,
-
,
-
,
-
Je-li , pak
.
|
Zobrazit / skrýt důkaz |
Před důkazem vět o derivaci složené a inverzní funkce uvedeme následující ekvivalentní
definici vlastní derivace, která nám umožní tyto věty elegantně dokázat.
Poznámka 5.13.
Předchozí větu lze opět rozšířit i pro vícenásobně složené funkce.
Např. pro čtyřnásobně složenou funkci je:
|
Obdobné tvrzení platí i pro jednostranné derivace.
Zobrazit / skrýt důkaz |
Tvrzení předchozí věty má názorný geometrický význam. Na obr. 5.3 platí pro
, že a . Protože ,
platí
Pochopitelně tento obrázek nemůže nahradit výše uvedený korektní důkaz.
Protože podle poznámky 5.10 lze vlastní derivaci funkce chápat jako funkci,
můžeme definovat její derivaci v nějakém bodě ; tu pak nazýváme druhou derivací
funkce v bodě a značíme . Rovněž vlastní druhou derivaci lze chápat jako
funkci na množině . Ta může mít opět derivaci v některém bodě atd.
Obecně definujeme:
Definice 5.15.
Druhou derivací funkce rozumíme funkci a pro libovolné
definujeme -tou derivaci
(derivaci -tého řádu) funkce vztahem .
|
Příklad 5.17.
Vypočtěte derivace všech řádů polynomu .
|
Zobrazit / skrýt řešení |
5.3. Derivace elementárních funkcí
Věta 5.18. Pro derivace elementárních funkcí platí:
Tyto vzorce platí všude tam, kde jsou příslušné funkce definovány.
|
Zobrazit / skrýt důkaz |
Příklad 5.19. Vypočtěte derivace následujících funkcí:
|
Řešení.
Vzhledem k předchozí větě platí:
- ,
,
- , ,
- , ,
- , ,
- , ,
- , .
| Zobrazit / skrýt řešení |
5.4. Věty o střední hodnotě
Úvodem dokážeme jedno pomocné tvrzení.
Lemma 5.22.
Nechť . Pak funkce je rostoucí v bodě .
Analogicky, je-li , je funkce klesající v bodě .
|
Důkaz. Platí
. Podle
věty 4.10 existuje okolí takové, že pro všechna
platí .
Podobně druhé tvrzení.
| Zobrazit / skrýt důkaz |
Všimněte si, že opačné tvrzení neplatí: Je-li funkce je rostoucí v ,
nemusí být .
Například funkce je rostoucí v , ale .
Následující tři věty se obvykle nazývají věty o střední hodnotě.
Připomeňme (definice 4.32), že značí množinu všech
funkcí spojitých na intervalu .
Věta 5.23. (Rolleova věta)
Nechť funkce má v každém bodě intervalu
vlastní nebo nevlastní derivaci a nechť . Pak existuje
tak, že .
|
Důkaz.
Je-li na intervalu konstantní, je tvrzení zřejmé.
Nechť tedy existuje tak, že . Nechť např.
(pro analogicky). Podle Weierstrassovy věty existuje
, v němž funkce nabývá své největší hodnoty . Protože
, je . Ukážeme, že . Kdyby bylo
, pak by podle předcházejícího lemmatu 5.22 existovalo tak, že
pro , by platilo , což je spor. Analogicky
se ukáže, že nemůže být .
| Zobrazit / skrýt důkaz |
Důkaz.
Položme
. Tato funkce je spojitá
na , má derivaci na a platí , tj. splňuje
předpoklady Rolleovy věty. Existuje tedy , pro které .
Přitom platí
, odkud již tvrzení přímo plyne.
| Zobrazit / skrýt důkaz |
Důkaz.
Postupuje se analogicky jako v předcházející větě, kde se volí .
| Zobrazit / skrýt důkaz |
Geometrický význam.
Označme body roviny , . Je-li , Rolleova věta zaručuje
(za dalších předpokladů), že existuje alespoň jeden vnitřní bod , v němž je derivace nulová,
tj. tečna ke grafu funkce v bodě je rovnoběžná s osou . Na obr. 5.4a
jsou takové body dva — a .
Lagrangeova věta, která ji zobecňuje, pak říká, že
existuje alespoň jeden vnitřní bod takový, že tečna v bodě je rovnoběžná
s úsečkou — viz obr. 5.4b.
I Cauchyovu větu lze znázornit obdobně na křivce dané parametricky,
Z Lagrangeovy věty vyplývá následující důležité tvrzení.
Důsledek 5.27.
Nechť funkce mají vlastní derivace v každém bodě otevřeného intervalu .
Jestliže pro všechna platí , pak
se funkce liší o konstantu, tj. existuje takové, že .
Zejména jestliže na , je na konstantní.
|
Důkaz.
Mějme funkci a body , . Pak podle
Lagrangeovy věty existuje takové, že .
Přitom . Proto , tj. na , a tedy
.
| Zobrazit / skrýt důkaz |
Tvrzení z důsledku 5.27 platí pro libovolný, ne jen otevřený interval,
pokud předpokládáme spojitost a v krajních bodech.
V předchozím důsledku je podstatné, že je interval. Např. pro funkci ,
platí na , ale tato funkce není na konstantní.
Příklad 5.28.
Určete, pro která lze funkci
rozšířit na interval tak, aby výsledná
funkce
a) byla spojitá na , |
b) měla vlastní derivaci na . |
|
Zobrazit / skrýt řešení |
5.5. L'Hospitalovo pravidlo
Důkaz.
Dokážeme tvrzení např. pro limitu zprava. Důkaz pro limitu zleva je obdobný a jejich spojením
se vzhledem k větě 4.9 dostane oboustranný případ.
Označme .
Nechť . Z předpokladů věty vyplývá existence čísla
takového, že na intervalu jsou funkce a definované, jsou zde spojité a mají
zde vlastní derivaci, přičemž .
Navíc pro , , je . (Jinak by podle Rolleovy
věty existovalo tak, že , což není možné.)
Navíc je možné předpokládat, že i na intervalu , kde totiž může existovat
nejvýše jedno , v němž . Stačí tedy případně zmenšit .
Nechť nejprve . Zvolme tak, aby .
Z předpokladu o existenci limity pro
dostáváme, že existuje tak, že na intervalu platí
Pro libovolná taková, že ,
existuje podle Cauchyovy věty o střední hodnotě číslo
takové, že
Nechť je splněna podmínka (i). Pak je a obdobně je
. Limitním přechodem v \eqref{rLH1} dostaneme
(viz věta 4.10, 2), že pro libovolné je .
Nechť je splněna podmínka (ii). Bez újmy na obecnosti můžeme předpokládat, že
např. . (Ze spojitosti a faktu, že
plyne, že v jistém pravém okolí bodu je funkce pořád kladná nebo pořád záporná.)
Zvolíme pevně a najdeme tak, aby platilo a pro
. Nyní vynásobíme část nerovnosti \eqref{rLH1} (v níž je zaměněno a )
výrazem a dostaneme
Odtud obdržíme
Nyní je s ohledem na podmínku (ii) možné najít tak, že
na intervalu platí
Spojením předchozích dvou nerovností opět dostáváme, že pro .
V obou případech jsme dokázali, že v jistém pravém okolí bodu platí nerovnost
, kde bylo libovolné číslo vyhovující nerovnosti .
Analogicky se dokáže, že v případě platí v jistém pravém okolí bodu
nerovnost , kde je libovolné číslo vyhovující nerovnosti .
Nyní již důkaz snadno dokončíme. Je-li , vidíme přímo z definice nevlastní limity,
že pro . Případ je obdobný.
Konečně je-li , zvolíme libovolné . V předchozích úvahách pak za
volíme resp. . V jistém pravém okolí bodu tedy platí nerovnost
, což znamená, že pro .
| Zobrazit / skrýt důkaz |
Příklad 5.31.
Vypočtěte následující limity:
|
Řešení.
- Limitu vypočítáme pomocí l'Hospitalova pravidla:
- Použijeme l'Hospitalovo pravidlo a vhodné úpravy:
- Pro l'Hospitalovo pravidlo je typické vícenásobné použití. Dostaneme-li po derivování
opět limitu z podílu a jsou-li splněny předpoklady pro použití l'Hospitalova pravidla, zderivujeme
znovu čitatele a jmenovatele. Pokud vzniklá limita existuje, existuje i předchozí limita, a tudíž i
zadaná limita a všechny tři jsou si rovny. Tento postup je možné opakovat vícekrát.
V našem případě je:
- Často vede k cíli, když po použití l'Hospitalova pravidla vhodně upravíme funkci na součin
a počítáme limity jednotlivých činitelů. V našem případě je:
| Zobrazit / skrýt řešení |
Neurčité výrazy.
Neurčitými výrazy rozumíme limitu součtu, součinu, rozdílu a podílu funkcí, v nichž limity jednotlivých
funkcí existují, ale příslušné operace s nimi nejsou definovány. Jde o tyto případy:
První dva případy limit lze řešit pomocí l'Hopitalova pravidla, další případy je možné
převést na první dva následovně.
-
Limita typu „”, tj. . Pak
což je typ „”.
-
Limita typu „”, tj. ,
. Pak
což je typ „”.
-
Limity typu „, , ”.
Řešíme úpravou na exponenciální funkci:
V poslední upravě jsme použili větu o limitě složené funkce 4.22, neboť
funkce je spojitá. Pokud je limita v exponentu nevlastní, je třeba použít větu 4.16.
Přitom limita v exponentu je již typu „”.
Příklad 5.32. Vypočtěte následující limity:
|
Řešení. Upravíme tak, abychom mohli použít l'Hopitalovo pravidlo.
- Součin převedeme na podíl:
- Rozdíl převedeme na podíl:
- Vyjádříme pomocí exponenciály:
Počítejme zvlášť — součin převedeme na podíl:
Původní limita je tedy .
| Zobrazit / skrýt řešení |
L'Hospitalovo pravidlo lze využít i k výpočtu limit některých posloupností, nejčastěji
díky následujícímu tvrzení.
Věta 5.33.
Buď posloupnost a libovolná funkce taková, že
pro každé . Existuje-li ,
pak existuje .
|
Důkaz.
Plyne snadno z definice limity v nevlastním bodě a limity posloupnosti.
Je rovněž speciálním případem tvrzení z věty D.15 dodatku.
| Zobrazit / skrýt důkaz |
Příklad 5.34.
Pomocí předchozí věty určete .
|
Zobrazit / skrýt řešení |
5.6. Řešené příklady na derivaci a limitu
Příklad 5.35.
Vypočtěte následující derivace
|
Zobrazit / skrýt řešení |
Příklad 5.36.
Vypočtěte derivaci
|
Zobrazit / skrýt řešení |
Následující příklady počítejte pomocí l'Hospitalova pravidla. Nezapomeňte vždy ověřit, zda jsou splněny
předpoklady pro jeho použití (typ „”,
„”).
Příklad 5.37.
Vypočítejte limity
|
Zobrazit / skrýt řešení |
Příklad 5.38.
Vypočítejte limity
|
Zobrazit / skrýt řešení |
|