Механічний та геометричний зміст похідної

Дата добавления: 2014-10-22; просмотров: 797

Нехай функція y = f(x) задана на деякому інтервалі [а;b]. Візьмемо довільну точку х₀ Σ[а;b] і надамо х₀ довільного приросту х (число х може бути як додатним, так і від’ємним), але такого, щоб точки х₀ і х₀+ х належали інтервалу [а;b]. Обчислимо в точці приріст функції у

y = f(x₀ + x) - f(x₀).

Означення. Якщо існує границя відношення приросту функції у до приросту аргументу х при умові, що х прямує до нуля, тобто

lim = , то границя називається похідною від функції f(x) в точці х = х₀ і позначається символом = f′(x₀). Для похідної застосовують також і такі позначення: або . Поставимо задачу: обчислити швидкість руху точки в момент часу t, якщо точка знаходиться в положенні M (мал. 2).

O

S

M

S

M₁

Мал. 2

Крім моменту часу t розглянемо момент часу t + ( ). Нехай умомент часу t + t рухома точка знаходиться в положенні М₁. Тоді за час t точка пройде шлях, який позначимо S і називатимемо приростом шляху, цей шлях дорівнює довжині відрізка |ММ₁|. За формулою обчислимо приріст S: S = , тоді v_c = .

Отже, на відміну від рівномірного руху, середня швидкість у випадку, що розглядається вже є сталою. Вона при фіксованому моменті часу t залежить від приросту часу t. При різних значеннях t середня швидкість v_c набуває різних значень.

Проте чим менший проміжок часу t після моменту часу t, тим, очевидно, середня швидкість буде точніше характеризувати швидкість точки в момент t. Тому природно за швидкість точки в момент часу t прийняти границю v_c при t . Швидкістю v точки в момент часу t називається границя середньої швидкості v_c на проміжку часу t, коли t прямує до нуля .

Отже, швидкість точки в момент t, що вільно падає, дорівнює: v = gt.

Якщо врахувати, що s = f(t) то v_c = , v = .

Знайдемо приріст шляху S. Для цього часу t надамо приріст t. Тоді дістанемо вираз для приросту шляху S = f(t + t) – f (t).

Підставивши v = .

Зазначимо, що дана формула дає змогу знайти швидкість у момент часу t тільки тоді, коли існує границя цього відношення. Якщо границя цього відношення при якомусь певному значенні t не існує, то кажуть, що рухома точка в цей момент часу швидкості не має.

Розглянемо випадок коли довільна крива L буде задана в декартовій системі координат рівнянням y = f(x), де f(x) – неперервна функція на деякому проміжку [а; b]. Нехай графік цієї функції має вигляд зображений на мал. 3.

Мал. 3

Візьмемо на кривій точку М₀ з координатами (х_0, y₀) і точку М₁ з координатами x₀ + x, y₀ + y (де x і y відповідно прирости х і у, вони можуть бути і від’ємними числами). Через точку М₀ і М₁ проведемо січну М₀М₁ і продовжимо її до перетину з віссю O_х. Кут, який утворює січна М₀М₁ з додатним напрямом осі О_хпозначимо через β. Тоді tgβ = .

Якщо точка М₁ прямує вздовж кривої L до злиття з точкою М₀, то координати точки М₁(x₀ + x; y₀ + y) наближаються як завгодно близько відповідно до координат точки М₀ (х₀; у₀), тобто = (x₀ + x) = x_0,

( y₀ + y) = у_0.

Із співвідношень випливає, що х і у , якщо точка .

Нехай тепер х . Тоді й y (внаслідок неперервності функції f(x), а отже, точка . Таким чином, у даному випадку однієї умови х необхідно і достатньо, щоб .

Припустимо, що розглянута крива в точці М₀ має дотичну M₀T і утворює з напрямком осі О_х кут α. Тоді кутовий коефіцієнт дотичної M₀Tдорівнює tgα. Якщо х , то кут β прямує до α. Отже, внаслідок неперервності тангенса tg tg , проте tg = . Тому ми приходимо до такого співвідношення tg = .

З даних міркувань випливає такий критерій існування дотичної до кривої. Для того щоб крива у = f(x), де f(x) – неперервна на проміжку [а,b] функція мала в точці М₀ дотичну, необхідно і достатньо, щоб існувала границя .

Приклад: Довести, що дотичною до параболи у = х² в точці М₀(0,0) є вісь абсцес.

Визначимо спочатку кутовий коефіцієнт дотичної, користуючись співвідношенням = k . Для цього знаходимо приріст функції f(x)=x² у точці х₀=0. Нагадаємо, що приріст визначається формулою:

y = f(x₀ + x) – f(x_0), де х = х–х₀ – приріст аргументу.

У даному випадку у = х², тоді = х і = =0. Отже, кутовий коефіцієнт kдотичної до параболи у=х² в точці М₀(0;0) існує і дорівнює нулю, тобто k=0. Підставляючи значення х₀=0, у₀=0_, k=0 дістанемо рівняння дотичної у=0, а це рівняння є рівнянням осі абсцис.

Геометричний зміст похідної випливає із задачі про дотичну. Кутовий коефіцієнт tg дотичної x, проведений до кривої в точці з координатами x_0, у₀ = f(x₀) дорівнює похідній (x₀).