Физический смысл производной

Предположим, что функция l = f(t) описывает закон дви­жения материальной точки по прямой как зависимость пути l от времени t. Тогда разность Δl = f(t + Δt) - f(t) — это путь, пройденный за интервал времени Δt, а отношение Δl/Δt — средняя скорость за время Δt. Тогда предел определяет мгновенную скорость точки в момент вре­мени t как производную пути по времени.

В определенном смысле производную функции у = f(x) можно также трактовать как скорость изменения функции: чем больше величина f'(x), тем больше угол наклона касательной к кривой, тем круче график f(x) и быстрее растет функция.

Правая и левая производные

По аналогии с понятиями односторонних пределов функ­ции вводятся понятия правой и левой производных функции в точке.

Определение 3. Правой (левой) производной функции у = f(x) в точке x₀ называется правый (левый) предел отноше­ния (4.1) при Δx 0, если этот предел существует.

Для обозначения односторонних производных используется следующая символика:

Если функция f(x) имеет в точке x₀ производную, то она имеет левую и правую производные в этой точке, которые сов­падают.

Приведем пример функции, у которой существуют одно­сторонние производные в точке, не равные друг другу. Это f(x) = |x|. Действительно, в точке х = 0 имеем f’₊(0) = 1, f'_-(0) = -1 (рис. 4.2) и f’₊(0) ≠ f’_-(0), т.е. функция не имеет производной при х = 0.

Операцию нахождения производной функции называют ее дифференцированием; функция, имеющая производную в точ­ке, называется дифференцируемой.

Связь между дифференцируемостью и непрерывностью функции в точке устанавливает следующая теорема.

ТЕОРЕМА 1. Если функция дифференцируема в точке x₀, то она и непрерывна в этой точке.

Обратное утверждение неверно: функция f(x), непрерыв­ная в точке, может не иметь производную в этой точке. Таким примером является функция у = |x|; она непрерывна в точке x = 0, но не имеет производной в этой точке.

Таким образом, требование дифференцируемости функции является более сильным, чем требование непрерывности, по­скольку из первого автоматически вытекает второе.

Уравнение касательной к графику функции в данной точке

Как было указано в разделе 3.9, уравнение прямой, про­ходящей через точку М(x₀, у₀) с угловым коэффициентом k имеет вид

Пусть задана функция у = f(x). Тогда поскольку ее произ­водная в некоторой точке М(x₀, у₀) является угловым коэффи­циентом касательной к графику этой функции в точке М, то отсюда следует, что уравнение касательной к графику функ­ции f(x) в этой точке имеет вид

4.2. Понятие дифференциала функции Определение и геометрический смысл дифференциала

Определение 1. Дифференциалом функции у = f(x) в точке x₀ называется главная линейная относительно Δx часть приращения функции в этой точке:

Дифференциалом dx независимой переменной х будем называть приращение этой переменной Δx, т.е. соотношение (4.3) принимает вид

Из равенства (4.4) производную f'(x) в любой точке х мож­но вычислить как отношение дифференциала функции dy к дифференциалу независимой переменной dx:

Дифференциал функции имеет четкий геометрический смысл (рис. 4.3). Пусть точка М на графике функции у = f{x) соответствует значению аргумента x₀, точка N — зна­чению аргумента x₀ + Δx, MS — касательная к кривой f(x) в точке М, φ — угол между касательной и осью Ох. Тогда МА — приращение аргумента, AN — соответствующее при­ращение функции. Рассматривая треугольник АВМ, получа­ем, что АВ = Δx tg φ = f'(x₀) Δx = dy, т.е. это главная по по­рядку величины Δx и линейная относительно нее часть прира­щения функции Δу. Оставшаяся часть более высокого порядка малости соответствует отрезку BN.