background image

Józef Szymczak 

 

Pochodna funkcji jednej zmiennej 

(notatki z wykładu) 

 

Niech 

0

x

 i 

1

x

 będą pewnymi argumentami funkcji 

)

(x

f

, a 

)

(

0

x

f

 i 

)

(

1

x

f

 wartościami funkcji 

odpowiadającymi tym argumentom.

 

 

 

Oznaczmy: 

0

1

x

x

x

 – przyrost argumentu

)

(

)

(

0

1

x

f

x

f

y

 – przyrost funkcji odpowiadający 

danemu przyrostowi argumentu. 

x

x

x

x

y

x

f

x

x

f

x

f

x

f

)

(

)

(

)

(

)

(

0

0

0

1

0

1

 

to iloraz różnicowy wyrażający stosunek przyrostu funkcji 

y

 do przyrostu argumentu 

x

  (czyli stosunek przyrostu 

zmiennej zależnej do przyrostu zmiennej niezależnej). 

 
 

Definicja pochodnej funkcji  

Pochodną funkcji 

)

(x

f

 w punkcie 

0

x

 nazywamy granicę ilorazu różnicowego 

x

y

 (o ile 

istnieje) przy założeniu, że przyrost argumentu 

x

 dąży do zera. 

Zapisujemy ten fakt symbolicznie: 

x

x

f

x

x

f

x

x

f

)

(

)

(

0

0

0

0

lim

)

(

 

Pochodna funkcji w punkcie jest to zatem ściśle określona liczba. 

Jeżeli funkcja 

)

(x

f

 ma w punkcie 

0

x

 pochodną skończoną, to mówimy, że jest ona 

różniczkowalna w punkcie 

0

x

Wyznaczanie pochodnej funkcji nazywamy różniczkowaniem

Pochodną funkcji zapisujemy używając symboli:  

)

(x

f

,   y

  lub  

dx

dy

 
 
Przykład. Obliczyć pochodną funkcji  

x

x

f

)

(

  w punkcie 

0

x

 (na podstawie definicji). 

Wyznaczamy iloraz różnicowy dla tej funkcji: 

 

1

)

 

(

)

(

)

(

)

(

0

0

0

0

0

0

0

 

 

0

0

 

 

0

0

 

 

0

0

 

 

0

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

Z definicji pochodnej mamy: 

 

2

1

 

1

0

0

0

0

0

lim

)

(

x

x

x

x

x

x

f

Stąd możemy policzyć, że np.  

 

4

1

)

4

(

f

,  

 

2

1

)

1

(

f

,  

 

2

1

2

)

2

(

f

,  

)

0

(

f

 nie istnieje. 

 
 
 

background image

Interpretacja geometryczna pochodnej 

Zauważmy, że iloraz różnicowy 

x

y

 wyraża tangens kąta 

 między dodatnią półosią 

Ox

 a sieczną przechodzącą 

przez punkty 

))

(

,

(

0

0

x

f

x

A

 i 

))

(

,

(

1

1

x

f

x

B

. Gdy 

x

 dąży do 

zera, sieczna zmienia swoje położenie stając się w końcu 
styczną. Tak więc 

tg

x

f

)

(

0

gdzie kąt 

 jest kątem zawartym między dodatnią półosią 

Ox

, a styczną do wykresu funkcji 

)

(x

f

 w punkcie 

))

(

,

(

0

0

x

f

x

A

 

 

Interpretacja fizyczna pochodnej 

Traktując drogę S jako funkcję zależną od czasu t, czyli 

)

(t

S

S

, możemy powiedzieć, że iloraz 

różnicowy 

t

t

S

t

t

S

t

S

)

(

)

(

0

0

  oznacza  prędkość  średnią  poruszającego  się  ciała  w  przedziale 

czasu 

t

, czyli 

t

S

V

sr

t

t

S

t

t

S

t

t

S

)

(

)

(

0

0

0

0

lim

)

(

  oznacza  prędkość  poruszającego  się  ciała  w  chwili 

0

t

  (prędkość 

chwilowa), czyli 

)

(

)

(

0

0

t

V

t

S

 

Traktując  ładunek  elektryczny  Q  przepływający  przez  przekrój  przewodnika  jako  funkcję 

czasu t, czyli 

)

(t

f

Q

, możemy powiedzieć, że iloraz różnicowy 

t

t

f

t

t

f

t

Q

)

(

)

(

0

0

 oznacza 

średnie natężenie prądu w przedziale czasu 

t

. Granica tego ilorazu różnicowego przy 

0

t

 

oznaczać będzie natężenie prądu w chwili 

0

t

____________________________________________ 

Ogólnie  możemy  powiedzieć,  że  pochodną  interpretujemy  jako  szybkość  zmiany  funkcji  w 

danym punkcie 

0

x

x

______________________________________________ 
 

Pochodna lewostronna i prawostronna. 

 

)

(

0

0

0

)

(

)

(

0

lim

x

f

x

x

f

x

x

f

x

,        

      

)

(

0

0

0

)

(

)

(

0

lim

x

f

x

x

f

x

x

f

x

 

Pochodna  funkcji  w  punkcie 

0

  istnieje  wtedy  i  tylko  wtedy,  gdy  istnieją  pochodne 

jednostronne w tym punkcie i są sobie równe. 
 
Przykład. Wyznaczyć pochodne jednostronne funkcji  

x

x

f

)

(

  w punkcie 

0

0

x

 

W tym przypadku mamy , że 

1

lim

0

0

lim

)

(

0

0

0

x

x

x

x

x

f

x

x

1

lim

0

0

lim

)

(

0

0

0

x

x

x

x

x

f

x

x

 

background image

Widać stąd, że nie istnieje pochodna funkcji 

x

x

f

)

(

 w punkcie 

0

0

x

, ponieważ pochodne 

jednostronne w tym punkcie są różne. 
 

Twierdzenie.  Funkcja różniczkowalna w danym punkcie 

0

0

x

 jest w tym punkcie ciągła 

(odwrotne twierdzenie nie zachodzi, co pokazuje wcześniejszy przykład). 

 

Ważniejsze wzory rachunku różniczkowego. 

 
Pochodne podstawowych funkcji elementarnych: 

0

)

(

c

 

x

x

e

e

)

(

 

1

1

)

(arctan

2

x

x

 

1

)

(

x

x

 

1

  

,

0

   

,

ln

(

)

a

a

a

a

a

x

x

 

1

1

)

cot

arc

(

2

x

x

 

x

x

cos

)

(sin

 

x

x

1

)

(ln

 

x

x

cosh

)

(sinh

 

x

x

sin

)

(cos

 

a

x

x

a

ln

1

)

(log

 

x

x

sinh

)

(cosh

 

x

x

2

cos

1

)

(tan

 

2

1

1

)

(arcsin

x

x

 

x

x

2

cosh

1

)

(tanh

 

x

x

2

sin

1

)

(cot

 

2

1

1

)

(arccos

x

x

 

x

x

2

sinh

1

)

(coth

 

 
Pochodna funkcji mającej pewien stały współczynnik: 

)

(

)

)

(

(

x

f

c

x

f

c

 

Pochodna sumy (różnicy) funkcji: 

)

(

)

(

)

)

(

)

(

(

x

g

x

f

x

g

x

f

 

Pochodna iloczynu funkcji: 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

)

(

)

(

(

x

g

x

f

x

g

x

f

x

g

x

f

 

Pochodna ilorazu funkcji: 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

2

)

(

x

g

x

g

x

f

x

g

x

f

x

g

x

f

 

 
Pochodna  funkcji  złożonej  (oblicza  się  ją  jako  iloczyn  pochodnej  funkcji  zewnętrznej  i 
pochodnej funkcji wewnętrznej): 

)

(

)

(

))

(

(

)

(

x

g

g

f

x

g

f

 

czyli jeśli  

))

(

(

x

g

f

y

,  to  

dx

dg

dg

df

dx

df

 

 

Zadanie 1. 

Wyznaczyć pochodne następujących funkcji: 

a)  

x

y

,    

2

x

y

,    

4

5x

y

,    

x

y

1

,    

3

2

x

y

,    

x

y

,    

3

5

x

y

,    

x

y

1

,    

4

3

2

x

y

b)  

x

x

y

cos

2

3

,    

x

x

e

y

x

sin

3

ln

2

5

,    

2

1

arctan

x

x

y

c)  

x

x

xe

y

x

ln

,   

x

x

y

sin

2

,   

x

y

x

arctan

2

,   

x

x

y

ln

,   

1

2

1

x

x

y

,   

2

3

1

2

x

x

y

,   

1

x

x

y

d)  

3

2

)

1

2

(

x

x

y

,    

x

x

y

cos

,    

)

4

3

ln(

x

y

,    

x

e

x

y

3

2

,    

x

xe

y

background image

e)

  Jak wyznaczamy pochodną funkcji typu:  

)

(

))

(

(

x

g

x

f

y

?  Wyznaczyć pochodną funkcji

 

x

x

y

cos

 

Zadanie 2. 

Wyznaczyć równanie stycznej i normalnej do wykresu funkcji  

a)  

3

2

x

x

y

 w punkcie  

)

2

 

,

1

(

b)  

x

y

1

  w punkcie  

)

 

,

2

(

2

1

P

 
 

Pochodna funkcji określonej parametrycznie. 

Jeżeli funkcja 

)

(x

f

 określona jest parametrycznie równaniami  

)

(

)

(

t

y

y

t

x

x

 

i istnieją pochodne  

)

(t

y

 i 

0

)

(

t

x

, to 

)

(

)

(

t

x

t

y

dx

dy

   

 

(można też zapisać 

dt

dx

dt

dy

Na przykład 

a)  dla funkcji   

1

5

3

1

3

3

5

3

t

t

y

t

t

x

 

mamy  

3

3

2

t

dt

dx

,   

2

4

15

15

t

t

dt

dy

,   więc  

2

5

)

1

(

3

)

1

(

15

3

3

15

15

2

2

2

2

2

4

t

t

t

t

t

t

t

dx

dy

 

b)  dla funkcji   

t

a

y

t

a

x

sin

cos

 

mamy  

t

a

t

x

sin

)

(

,   

t

a

t

y

cos

)

(

,   więc   

t

t

a

t

a

dx

dy

cot

sin

cos

 

Można podać też interpretację wektorową pochodnej dla 

funkcji określonej parametrycznie. 

Jeśli   

)]

(

  

),

(

[

t

y

t

x

r

  przedstawia  wektor  wodzący  pewnej 

krzywej  płaskiej  określonej  odpowiednimi  równaniami  para-
metrycznymi,  to 

)]

(

  

),

(

[

t

y

t

x

dt

r

d

  jest  wektorem  stycznym  do 

danej krzywej w określonym punkcie  

))

(

 

),

(

(

0

0

t

y

t

x

 

 
Pochodne wyższych rzędów. 

Pochodną rzędu II funkcji 

)

(x

f

y

 będziemy oznaczać symbolem  

y



  (lub 

)

(x

f



 czy też 

2

2

dx

y

d

). 

Analogicznie będziemy oznaczać pochodne rzędu wyższego niż II.  

Przykłady: 

a) Jeśli  

4

5

2

3

x

x

x

y

,   to  

1

10

3

2

x

x

y

,   

10

6



x

y

,    

6



y

,   

0

...

)

5

(

)

4

(

y

y

b) Jeśli  

x

y

ln

,  to  

x

y

1

,   

2

1

x

y



,   

3

2

x

y



,   

4

)

4

(

6

x

y

,…, 

n

n

n

x

n

y

)!

1

(

)

1

(

1

)

(

 

background image

 

Różniczka funkcji 

 

Niech funkcja 

)

(x

f

 ma pochodną właściwą w punkcie 

0

x

Różniczką funkcji w punkcie 

0

x

 nazywamy funkcję  df  zmiennej 

0

x

x

x

 określoną 

wzorem  

x

x

f

x

df

)

(

)

(

0

 

 

 

Geometrycznie  różniczka  funkcji  przedstawia  część 

liniową przyrostu funkcji. 

 
W ogólnym przypadku dla funkcji 

)

(x

f

y

 zapisujemy:  

dx

x

f

dy

)

(

 

 

 

Przykład.    Obliczyć  różniczkę 

dy

  funkcji 

3

)

(

x

x

f

y

  w  punkcie 

1

0

x

  odpowiadającą 

przyrostowi 

01

,

0

x

. Obliczyć też przyrost 

y

 tej funkcji przy podanych warunkach. 

a) różniczka: 

ponieważ  

2

3

)

(

x

x

f

, więc  

03

,

0

)

01

,

0

(

1

3

)

1

(

2

x

f

dy

b) przyrost funkcji: 

ponieważ  

)

(

)

(

0

0

x

f

x

x

f

y

,  więc  

029701

,

0

1

970299

,

0

)

1

(

)

99

,

0

(

3

3

y

 

Uwaga. 

Dla małych przyrostów argumentu  

x

  można przyjąć, że  

dy

y

, czyli 

x

x

f

x

f

x

x

f

)

(

)

(

)

(

0

0

0

,  skąd   

x

x

f

x

f

x

x

f

)

(

)

(

)

(

0

0

0

co można wykorzystać do niektórych przybliżonych obliczeń. 
 

Przykład. Obliczyć przybliżoną wartość potęgi:  

4

)

01

,

2

(

Mamy tu przypadek funkcji potęgowej 

4

)

(

x

x

f

y

, skąd  

3

4

)

(

x

x

f

. Dalej zauważmy, że  

2

0

x

,  

01

,

0

x

, a więc 

32

,

16

01

,

0

32

16

)

01

,

0

(

2

4

2

)

01

,

2

(

)

(

3

4

4

0

x

x

f

 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Przypomnijmy,  że  symbolem 

)

,

(

0

x

S

  oznaczamy  pewne  sąsiedztwo  punktu   

0

  o 

promieniu 

 
 

Twierdzenie de l’Hospitala. 

Jeżeli  funkcje   

)

(

)

(

x

g

x

f

    oraz   

)

(

)

(

x

g

x

f

    są  określone  w  pewnym  sąsiedztwie   

)

,

(

0

x

S

  i  istnieje 

granica 

)

(

)

(

lim

0

x

g

x

f

x

x

  (właściwa  lub  niewłaściwa)  oraz 

0

)

(

)

(

0

0

lim

lim

x

g

x

f

x

x

x

x

  albo 

)

(

)

(

0

0

lim

lim

x

g

x

f

x

x

x

x

 (lub 

),  to istnieje 

)

(

)

(

lim

0

x

g

x

f

x

x

,  przy czym 

)

(

)

(

lim

0

x

g

x

f

x

x

 = 

)

(

)

(

lim

0

x

g

x

f

x

x

 

Twierdzenie  to  jest  prawdziwe  również  dla  granic  jednostronnych  oraz  granic  w 

nieskończoności. 
 
Przykłady.  

a)  

x

x

x

arcsin

sin

lim

0

 

H

]

[

0

0

 

2

0

1

1

cos

lim

x

x

x

 = 

1

1

 = 1. 

b)  

1

1

lim

3

0

x

x

x

e

e

 

H

]

[

0

0

 

x

x

x

e

e

3

3

lim

0

 = 

3

1

c)  

x

x

x

ln

lim

0

 

H

]

[

 

x

x

x

1

1

lim

2

0

 = 

x

x

x

2

lim

0

 = 

2

lim

0

x

x

 = 

d)  

)

1

sh

1

(

lim

0

x

x

x

]

[

x

x

x

x

x

sh

sh

lim

0

 

H

]

[

0

0

 

x

x

x

x

x

ch

sh

ch

1

lim

0

 

H

]

[

0

0

 

x

x

x

x

x

x

sh

ch

ch

sh

lim

0

 = 

2

0

 = 0. 

e)  

x

x

x

ln

lim

 

H

]

[

 

1

1

lim

2

1

x

x

 = 0. 

Zadanie.  Wyznaczyć 

x

x

x

1

)

(

lim