Sandauga, dalmuo, sudėtinė funkcija
3 skyriuje išmokome atskirų „plytų“ išvestines: xⁿ, sin x, eˣ, ln x. Tikrose formulėse plytos sudaugintos, padalytos arba įdėtos viena į kitą. Šiame skyriuje – trys taisyklės, kurios leidžia išdiferencijuoti beveik bet kokią mokyklinę funkciją.

0KAM to reikia?
Ką darome, kai reikia išvestinės iš x · sin x arba (3x + 1)⁵? Iš 3 skyriaus formulių atskirai mokame ir x, ir sin x, bet ne jų sandaugą. O (3x + 1)⁵ išskleisti būtų ilgas ir nuobodus darbas.
Pavyzdys 1 – augantis stačiakampis. Daržas plečiasi: jo ilgis u(t) ir plotis v(t) abu didėja laikui bėgant. Plotas S(t) = u(t) · v(t) – tai sandauga. Kaip greitai auga plotas? Reikia sandaugos išvestinės.
Pavyzdys 2 – vėstanti arbata. Karšta arbata (90 °C) kambaryje (20 °C) vėsta pagal formulę T(t) = 20 + 70 · e−0,1t (t – minutės). Kaip greitai krinta temperatūra? Čia e laipsnyje stovi ne x, o −0,1t: viena funkcija įdėta į kitą. Reikia sudėtinės funkcijos išvestinės. Atsakymą rasime pavyzdžių skyrelyje.
Trys taisyklės: sandauga, dalmuo, „lėlės“.
1Sandaugos išvestinė: augantis stačiakampis
Pirmiausia – spąstai. Atrodo natūralu manyti, kad sandaugos išvestinė yra išvestinių sandauga. Patikrinkime su paprasčiausiu atveju x · x = x². Tikra išvestinė (x²)′ = 2x. O „išvestinių sandauga“ duotų x′ · x′ = 1 · 1 = 1. Netinka! Vadinasi, reikia kitos taisyklės.
Ją lengviausia pamatyti. Įsivaizduok stačiakampį, kurio kraštinės u ir v. Per trumpą laiką Δt kraštinė u paūga Δu, o v paūga Δv. Kiek padidėjo plotas? Atsiranda trys gabaliukai:
- žalia juosta dešinėje: Δu · v;
- raudona juosta viršuje: u · Δv;
- mažytis kampukas: Δu · Δv – mažas kart mažas, todėl labai mažas.
Čia u(t) = 2 + t ir v(t) = 1 + 0,5t, taigi u′ = 1, v′ = 0,5. Tempk slankiklius. Kai Δt mažėja iki 0, kampukas išnyksta greičiau už juostas – lieka tik dvi juostos.
Padalykime ploto prieaugį iš Δt:
Žodžiais: „pirmos išvestinė kart antra, plius pirma kart antros išvestinė“. Kiekvieną kartą išvestinė „aplanko“ tik vieną dauginamąjį, o kitas lieka nepakitęs. Patikrinkime su x · x: 1 · x + x · 1 = 2x. Teisingai!
(uv)′ = u′v + uv′ – dvi juostos, kampukas dingsta.
2Dalmens išvestinė
KAM? Daug formulių yra trupmenos: vidutinė kaina (x + 100)/x, koncentracija, tg x = sin x / cos x. Dalmens taisyklė panaši į sandaugos, tik su minusu ir vardikliu:
Kaip įsiminti? „Apačia kart viršaus išvestinė, minus viršus kart apačios išvestinė, viskas padalyta iš apačios kvadrato.“ Svarbiausia – tvarka: minusas stovi prieš u · v′. Sukeitus dėmenis vietomis, gautume atsakymą su priešingu ženklu.
Iš kur ji atsiranda? Užrašome u = (u/v) · v ir taikome sandaugos taisyklę: u′ = (u/v)′ · v + (u/v) · v′. Iš čia išreiškiame (u/v)′ = (u′ − u·v′/v) / v = (u′v − uv′)/v².
Dalmuo: apačia·(viršus)′ − viršus·(apačia)′, per apačią².
3Sudėtinė funkcija – lėlės matrioškos
Pažiūrėk į sin(2x). Skaičiuodamas jos reikšmę, pirmiausia padaugini x iš 2, o tik paskui imi sinusą. Yra dvi funkcijos, įdėtos viena į kitą:
- vidinė (mažoji lėlė): g(x) = 2x – ji skaičiuojama pirma;
- išorinė (didžioji lėlė): f(□) = sin □ – ji „apgaubia“ vidinę.
Kaip rasti, kuri išorinė? Paklausk savęs: „Ką skaičiuočiau paskutinį, jei turėčiau skaičiuotuvą?“ Tai ir yra išorinė funkcija. Pavyzdžiui, (3x + 1)⁵: pirma suskaičiuoji 3x + 1, paskutinis veiksmas – kėlimas penktuoju laipsniu. Taigi išorinė □⁵, vidinė 3x + 1.
Žodžiais: atidaryk išorinę lėlę (išdiferencijuok išorinę funkciją, o vidų palik ramybėje, nekeistą), tada padaugink iš vidinės lėlės išvestinės. Jei lėlių daugiau (pvz., sin²(3x)), dauginame iš kiekvieno sluoksnio išvestinės iš eilės.
KODĖL dauginame? Tai kaip krumpliaračiai. Jei vidinė funkcija keičiasi 2 kartus greičiau už x, o išorinė keičiasi 3 kartus greičiau už savo vidų, tai iš viso viskas keičiasi 3 · 2 = 6 kartus greičiau už x. Greičiai sudauginami. Grafike tai matyti taip: sin(kx) yra sinusoidė, „suspausta“ k kartų, todėl visi jos šlaitai k kartų statesni.
| Funkcija | Išorinė f(□) | Vidinė □ = g(x) | Išvestinė f′(□) · g′(x) |
|---|---|---|---|
| (3x + 1)⁵ | □⁵ | 3x + 1 | 5(3x + 1)⁴ · 3 |
| sin(2x) | sin □ | 2x | cos(2x) · 2 |
| ex² | e□ | x² | ex² · 2x |
| ln(3x − 2) | ln □ | 3x − 2 | 1/(3x − 2) · 3 |
| √(x² + 1) | √□ | x² + 1 | 1/(2√(x² + 1)) · 2x |
Išorinės išvestinė (vidus nekeičiamas) × vidinės išvestinė.
4Išspręsti pavyzdžiai: nuo lengvų iki sunkių
Pirmiausia pabandyk pats, tik tada žiūrėk sprendimą. Visur taikome tas pačias tris taisykles.
1. (3x + 1)⁵ – sudėtinė
Dažna klaida – pamiršti dauginti iš 3 (vidinės išvestinės).
2. √(x² + 1) – sudėtinė su šaknimi
3. sin(2x)
Atkreipk dėmesį: kampas viduje lieka 2x, jo nekeičiame į x.
4. cos²x – kvadratas iš kosinuso
cos²x = (cos x)². Paskutinis veiksmas – kvadratas, todėl išorinė □², vidinė cos x.
5. ex²
eˣ – ypatinga „lėlė“: atidaryta ji nepasikeičia. Bet iš vidinės išvestinės vis tiek dauginame.
6. ln(3x − 2)
7. x · eˣ – sandauga
8. x² · sin x – sandauga
9. x · ln x – sandauga
10. (x + 1)/(x − 1) – dalmuo
Išvestinė visur neigiama – funkcija kiekviename savo apibrėžimo srities intervale mažėja (apie tai – 6 skyriuje).
11. tg x – per dalmenį
Pasinaudojome tapatybe sin²x + cos²x = 1. Taip gavome lentelės formulę (tg x)′ = 1/cos²x patys.
12. Grįžtame prie arbatos: T(t) = 20 + 70e−0,1t
Pradžioje arbata vėsta 7 laipsniais per minutę, po 10 minučių – jau tik apie 2,6 laipsnio per minutę. Minuso ženklas reiškia, kad temperatūra krinta.
5Dažniausios klaidos
- Sandauga: (uv)′ = u′v + uv′.
- Dalmuo: (u/v)′ = (u′v − uv′)/v².
- Sudėtinė: (f(g(x)))′ = f′(g(x)) · g′(x) – išorinė (vidus nekeičiamas) kart vidinės išvestinė.
- Kuri išorinė? Tas veiksmas, kurį skaičiuotuvu atliktum paskutinį.
- Naudingos pasekmės: (sin kx)′ = k cos kx, (ekx)′ = k ekx, ((kx + b)ⁿ)′ = nk(kx + b)ⁿ⁻¹, (tg x)′ = 1/cos²x.
✓Pasitikrink
Įvesk išvestinę, pvz., 8(2x-5)^3 arba 2x*cos(x^2). Pertvarkyti nebūtina – tikrinama, ar formulės lygios.
Rask f′(x), kai f(x) = (2x − 5)⁴.
Užuomina
Išorinė □⁴, vidinė 2x − 5, jos išvestinė 2.
Sprendimas
Rask f′(x), kai f(x) = √(4x + 1).
Užuomina
(√□)′ = 1/(2√□), o vidinės 4x + 1 išvestinė yra 4.
Sprendimas
Rask f′(x), kai f(x) = x³ · eˣ.
Užuomina
Sandauga: u = x³, v = eˣ.
Sprendimas
Rask f′(x), kai f(x) = sin(x²).
Užuomina
Išorinė sin □, vidinė x². Kampas viduje lieka x².
Sprendimas
Rask f′(x), kai f(x) = 2x / (x + 3).
Užuomina
Dalmuo: u = 2x, u′ = 2; v = x + 3, v′ = 1.
Sprendimas
Rask f′(x), kai f(x) = ln(x² + 1).
Užuomina
Išorinė ln □ → 1/□; vidinė x² + 1 → 2x.