Правила дифференцирования:
-
; -
,
; -
,
; -
,
если
,
; -
,
если
,
.
Определение.
Если функция задана уравнением
,
разрешенным относительно
,
то функция задана в
явном виде (явная функция).
Определение.
Неявная
функция одного
аргумента задается уравнением, связывающим
две переменные, причем уравнение не
разрешено относительно какой-либо из
них:
или
.
Определение.
Уравнение, связывающее три переменные,
задает неявную
функцию 2 аргументов:
,
или
,
или
.
Не
всегда легко, а иногда и невозможно
разрешить уравнение относительно
(например,
или
).
Если
неявная функция задана уравнением
,
то для нахождения производной от
по
нет необходимости разрешать уравнение
относительно
.
Нужно продифференцировать это уравнение
по
,
рассматривая при этом
как функцию
,
и полученное затем уравнение разрешить
относительно
.
Пример
Найти
производную функции
,
заданную уравнением:
.
Решение.
Функция
задана неявно. Продифференцируем
уравнение по
,
помня, что
:
.
Затем находим:
.
Рассмотрим дифференцирование функции, заданной параметрически.
Пусть
функция задана параметрически:
где
–
вспомогательная переменная, называемая
параметром.
Нужно
найти
.
Предположим, что
имеет однозначную обратную функцию
.
Продифференцируем уравнение
по
,
как сложную функцию, считая
промежуточным аргументом, зависящим
от
:
;
.
Так как
,
то получим:
. (4)
Пример
Пусть
Найти
.
Решение.
По формуле (4), получаем

Производную функции одной переменной в некоторых случаях можно найти значительно проще, если функцию предварительно прологарифмировать, такой метод называется логарифмическое дифференцирование.
Логарифмическое дифференцирование обычно применяется при отыскании производной от степенно-показательной функции и от произведения функций, т.е. в тех случаях, когда обычными методами производную нельзя найти, либо вычисление производной очень громоздко. Конечно, эта операция может применяться и в других случаях.
Определение.
Функция
,
у которых основание и показатель степени
есть функции независимых переменных,
называются степенно-показательными.
Производные таких функций вычисляются только с помощью логарифмического дифференцирования.
Пример
Дана
функция
.
Найти
.
Решение.
Прологарифмировав функцию
,
получим
.
Дифференцируем
полученное уравнение по
:
.
Из последнего равенства найдем
:
.
Дифференциал функции
Рассмотрим
функцию
,
имеющую в точке
отличную от нуля производную:
.
По теореме о связи функции, ее предела
и бесконечно малой функции, можно
записать
,
где
при
,
или
.
Приращение функции
представляет собой сумму двух слагаемых
и
,
являющихся бесконечно малыми при
.
Заметим, что
- бесконечно малая функция одного порядка
с
,
так как
,
а
- функция более высокого порядка, чем
:
.
Определение.
Слагаемое
называется главной
частью приращения
функции
.
Определение.
Дифференциалом
функции
в точке
называется главная
часть ее приращения, равная произведению
производной функции на приращение
аргумента, и обозначается
или
.
Заметим, что
. (5)
Определение.
Дифференциал
называется дифференциалом
первого порядка.
Дифференциал независимой переменной равен приращению этой переменной:
. (6)
В
самом деле, так как
и
,
то
.
Определение. Дифференциал функции равен произведению производной этой функции на дифференциал независимой переменной:
. (7)
Так
как
,
то
– отношение дифференциалов
и
.
Пример
Найти
дифференциал функции
.
Решение.
По формуле
находим:
.
Пример
Найти полное
приращение функции
и ее дифференциал, сравнить их значения
при
.
Решение. Полное приращение запишем в виде:
.
Преобразуем это выражение:
.
По определению найдем полный дифференциал:
.
Подставив
,
получим,
и
.
Геометрический
смысл дифференциала: Дифференциал
функции
в точке
равен приращению ординаты касательной
к графику функции в этой точке, когда
получит приращение
.
П
оясним
утверждение, для этого рассмотрим график
функции
(рисунок 4).
Проведем
к графику функции в точке
касательную
.
Рассмотрим ординату этой касательной
для точки
,
заметим, что
,
а
.
Рассмотрим прямоугольный треугольник
,
в котором
,
т.е.
.
Так как
–
геометрический смысл производной, то
.
Из формул:
и
получаем, что
.
Возможны три случая:
,
и
– если функция является постоянной.
Механический
смысл дифференциала: Дифференциал
пути равен приращению пути, полученному
в предположении, что, начиная с данного
момента времени
,
точка движется равномерно, сохраняя
приобретенную скорость.
Рассмотрим
неравномерное прямолинейное движение
точки, осуществляющееся по закону
,
где
- длина пути,
- время. Приращенному моменту времени
соответствует приращенное значение
пути:
.
Эта формула выражает истинное приращение
пути за промежуток времени
.
Вычислим
дифференциал пути. Так как
– скорость в момент
,
то
.
Поскольку в выражение для дифференциала входит производная, то правила его вычисления используют правила вычисления производной:
-
Если функция равна постоянной
,
то ее дифференциал равен нулю, т.е.
. -
Дифференциал функции
равен приращению этой функции:
;
(дифференциал независимой переменной
совпадает с ее приращением).
Отсюда
следует:
;
.
-
Дифференциал суммы:
. -
Дифференциал произведения:
. -
Дифференциал частного:
.
Теорема
6.7 Дифференциал
сложной функции равен произведению
производной этой функции по промежуточному
аргументу на дифференциал этого
промежуточного аргумента:
![]()
Определение.
и
– форма дифференциала не изменилась
независимо от того, является ли ее
аргумент независимой переменной или
является функцией одного аргумента.
Такое свойство дифференциала называется
инвариантностью
(неизменностью)
формы первого дифференциала.
Таблица дифференциалов
Пусть
,
– некоторые непрерывные функции
аргумента х.
-
; -
,
; -
,
; -
,
если
; -
,
если
и
; -
; -
; -
,
; -
,
; -
; -
; -
; -

-
; -
; -
; -
;
Приращение
любой дифференцируемой функции
приближенно с большой точностью можно
вычислить при помощи равенства:
.
Приращение
функции
в точке
можно представить в виде
,
где
![]()
при
.
Отбросим бесконечно малую
более высокого порядка, чем
,
получим приближенное равенство:
.
Чем меньше
,
тем точнее равенство.
Так
как
,
,
то из равенства
или
получим
формулу для вычислений приближенных
значений функци:
(8)
Пример
Вычислить
приближенно приращение функции
при изменении
от значения 2 к значению 2,02.
Решение.
Так как достаточно малых
:
(
).
Найдем
:
.
Вычислим
.
Итак,
.
Пример
Найти
приближенное значение
.
Решение.
Рассмотрим функцию
.
По формуле
имеем:
или
.
Так как
,
то при
и
,
получаем:
Так
как
,
то
.
Приближенное равенство можно увидеть
из рисунка 4, дающего геометрическое
истолкование дифференциала. На графике
видно, что при уменьшении
все с большей относительной точностью
можно заменить приращение ординаты
кривой приращением ординаты касательной.
Рассмотрим
функцию одного переменного заданную
явно:
.
Производная
этой функции
зависит от координаты точки, в которой
она вычисляется, т. е. является также
функцией от
.
Поэтому от нее можно снова взять
производную.
Определение. Производная, взятая от первой, называется производной второго порядка; производная, взятая от производной второго порядка, называется производной третьего порядка и т.д.:
;
;
![]()
.
Определение.
Производной
-го
порядка называется
производная, взятая от производной
-порядка.
Пример
Найти
производную
-го
порядка от функции
.
;
;
;
![]()
Пусть
функция
задана параметрическими
уравнениями:

Производная
функции
заданной параметрически также является
функцией заданной параметрически.
Вторую производную
можно найти и используя формулу (4), и по
формуле:
. (9)
Пример
Дано
параметрическое уравнение эллипса:
.
Найти
![]()
Решение. По формуле (4), получаем
.

Чтобы
найти дифференциал второго порядка
нужно взять дифференциал от первого
дифференциала. Аналогично находят
дифференциал третьего порядка и т.д.
Рассмотрим функцию одного переменного
.
Найдем ее дифференциал второго порядка:
![]()
(
обозначает
).
