background image

 

99 

WYKŁAD  Nr 7 

 

GRANICA FUNKCJI 

CIĄGŁOŚĆ I RÓŻNICZKOWALNOŚĆ FUNKCJI JEDNEJ ZMIENNEJ 

 
GRANICA FUNKCJI 
 
Def.7.1. (otoczenie i sąsiedztwo punktu) 

 

Otoczeniem 

o promieniu 

0

>

r

 punktu 

R

0

x

 nazywamy zbiór: 

 

(

) (

)

r

x

r

x

r

x

U

+

=

0

0

0

,

,

 

 

Sąsiedztwem

 o promieniu 

0

>

r

 punktu 

R

0

x

 nazywamy zbiór: 

 

(

) (

) (

)

r

x

x

x

r

x

r

x

S

+

=

0

0

0

0

0

,

,

,

 

 

Sąsiedztwem

 lewostronnym o promieniu 

0

>

r

 punktu 

R

0

x

 nazywamy zbiór: 

 

(

) (

)

0

0

0

,

,

x

r

x

r

x

S

=

 

 

Sąsiedztwem

 prawostronnym o promieniu 

0

>

r

 punktu 

R

0

x

 nazywamy zbiór: 

 

(

) (

)

r

x

x

r

x

S

+

=

+

0

0

0

,

,

 

 

Uwaga:  

 

(

) (

)

R

=

b

b

S

,

,

 

(

) (

)

R

+∞

=

+

a

a

S

,

,

 

 
Def.7.2. (granica właściwa funkcji w punkcie wg Heinego) 

 

Niech 

R

0

x

 oraz niech funkcja f będzie określona przynajmniej na 

( )

0

x

S

Liczba g jest granicę właściwą funkcji f w punkcie 

0

x

 

 

( )

( )

( )





=

=

=

g

x

f

x

x

x

S

x

x

g

x

f

n

n

n

n

n

n

x

x

lim

lim

,

)

(

lim

0

0

0

 

 

 

Rys.1. Granica właściwa funkcji w punkcie wg Heinego 

 

Przykład: Korzystając z definicji Heinego wykazać, że 

2

1

3

lim

2

1

=

+

x

x

x

 

Rozwiązanie: 

W naszym przykładzie 

( )

2

1

,

3

2

=

+

=

g

x

x

x

f

background image

 

100 

Niech 

( )

n

x

 dowolny ciąg taki, że 

( )

1

∈ S

x

n

 (tzn. 

1

n

x

n

N

) oraz 

1

lim

=

n

n

x

Tworzymy ciąg wartości funkcji o wyrazie ogólnym: 

( )

3

2

+

=

n

n

n

x

x

x

f

, a następnie obliczamy granicę: 

( )

( )

2

1

3

1

1

3

lim

lim

3

lim

lim

2

2

2

=

+

=

+

=

+

=

n

n

n

n

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

f

 

Ostatecznie 

2

1

3

lim

2

1

=

+

x

x

x

 
  Jeżeli  w  szczególności  ciąg  wartości  funkcji  o  wyrazie  ogólnym: 

( )

n

x

f

  ma  granicę  niewłaściwą 

+

  lub  ∞

,  mówimy,  że  funkcja 

)

(x

f

  ma  w  punkcie 

0

x

  granicę  niewłaściwą  i  zapisujemy  to 

odpowiednio:

 

( )

( )

( )





+∞

=

=

+∞

=

n

n

n

n

n

n

x

x

x

f

x

x

x

S

x

x

x

f

lim

lim

,

)

(

lim

0

0

0

 

 

( )

( )

( )





−∞

=

=

−∞

=

n

n

n

n

n

n

x

x

x

f

x

x

x

S

x

x

x

f

lim

lim

,

)

(

lim

0

0

0

 

 

 

Rys.2. Granica niewłaściwa funkcji w punkcie wg Heinego 

 
  Jeżeli  w  definicji  granicy  funkcji 

)

(x

f

  w  punkcie 

0

x

  (właściwej  lub  niewłaściwej)  zastąpimy 

sąsiedztwo 

( )

0

x

S

  sąsiedztwem  prawostronnym 

( )

0

x

S

+

,  (lewostronnym 

( )

0

x

S

),  to  otrzymamy 

definicję granicy prawostronnej (lewostronnej) funkcji 

)

(x

f

 w punkcie 

0

x

 
Def.7.3. (granice jednostronne funkcji) 

 

Niech 

R

0

x

 oraz niech funkcja f będzie określona przynajmniej na 

( )

0

x

S

+

Wówczas 

 

( )

( )

( )





=

=

=

+

+

g

x

f

x

x

x

S

x

x

g

x

f

n

n

n

n

n

n

x

x

lim

lim

,

)

(

lim

0

0

0

 

 

Niech 

R

0

x

 oraz niech funkcja f będzie określona przynajmniej na 

( )

0

x

S

Wówczas 

 

( )

( )

( )





=

=

=

g

x

f

x

x

x

S

x

x

g

x

f

n

n

n

n

n

n

x

x

lim

lim

,

)

(

lim

0

0

0

 

 

background image

 

101 

 

 

Rys.3. Granica właściwa lewostronna funkcji w punkcie wg Heinego 

 
Przykłady granic niewłaściwych funkcji w punkcie: 

a) 

+∞

=

=

+

+

0

4

)

2

(

4

lim

6

2

x

x

 

b) 

{

}

−∞

=

=

+

+

0

ln

ln

lim

0

x

x

 

c) 

+∞

=





=

2

tg

tg

lim

2

π

π

x

x

 

 
Tw.7.1. (warunek konieczny istnienia granicy funkcji w punkcie) 

 

Funkcja 

)

(x

f

 ma w punkcie 

0

x

 granicę (właściwą lub niewłaściwą)  ⇔  

)

(

lim

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

x

x

+

=

Przykład: Zbadać, czy istnieje granica funkcji 

x

e

x

f

1

1

1

)

(

+

=

 w punkcie 

0

0

=

x

Rozwiązanie: 
Obliczamy granice jednostronne: 

0

1

1

1

1

1

1

1

lim

1

0

=

+

=

+

=

+

=

+

+

+

e

e

x

x

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

lim

1

0

=

=

+

=

+

=

+

e

e

x

x

 

Ponieważ 

)

(

lim

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

x

x

+

, więc nie istnieje 

x

x

e

1

0

1

1

lim

+

 
Def.7.4. (granica właściwa funkcji w nieskończoności) 

 

Niech funkcja f będzie określona przynajmniej na 

(

)

+

S

Wówczas granicę właściwą funkcji f w 

+

 definiujemy następująco: 

 

( )

(

)

( )





=

+∞

=

+

=

+∞

g

x

f

x

S

x

x

g

x

f

n

n

n

n

n

n

x

lim

lim

,

)

(

lim

 

 
Analogicznie definiujemy granicę właściwą funkcji f w  ∞

.

 

background image

 

102 

 

Rys.4. Granica właściwa funkcji w nieskończoności wg Heinego 

 

Przykłady granic właściwych funkcji w nieskończoności:  

a) 

{

}

2

)

arctg(

arctg

lim

π

=

+∞

=

+∞

x

x

 

b) 

4

1

0

4

0

0

1

3

4

4

2

1

lim

3

4

4

2

1

lim

3

4

4

2

lim

2

2

2

2

2

2

2

2

=

+

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

=





=

+

+

+

−∞

−∞

−∞

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

c) 

(

)

[

]

=

+

+

=

+

+

+

+

=

=

+

+∞

+∞

+∞

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

4

2

6

lim

4

2

4

2

lim

4

2

lim

2

2

2

2

2

2

2

2

 

3

1

1

6

4

1

2

1

6

lim

4

1

2

1

6

lim

4

1

2

1

6

lim

2

2

=

+

=

+

+

=



+

+

=

+

+

+∞

+∞

+∞

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

 
Def.7.5. (granica niewłaściwa funkcji w nieskończoności) 

 

Niech funkcja f będzie określona przynajmniej na 

(

)

+

S

Wówczas granicę niewłaściwą 

+

 funkcji f w 

+

 definiujemy następująco: 

 

( )

(

)

( )





+∞

=

+∞

=

+

+∞

=

+∞

n

n

n

n

n

n

x

x

f

x

S

x

x

x

f

lim

lim

,

)

(

lim

 

 

Analogicznie definiujemy granicę niewłaściwą  ∞

 funkcji f w  ∞

.

 

 

Rys.5. Granica niewłaściwa funkcji w nieskończoności wg Heinego 

 

Przykłady granic niewłaściwych w nieskończoności: 
a) 

(

)

(

)

{

}

+∞

=

+

=

+

+∞

ln

6

ln

lim

2

x

x

 

b) 

(

)

{

}

−∞

=

=

−∞

10

10

lim

5

x

x

 

c) 

[ ]

+∞

=

=





=

+

−∞

+

−∞

5

5

1

5

1

lim

9

2x

x

 

background image

 

103 

Uwaga:  Oprócz  definicji  granicy  funkcji  według  Heinego  istnieje  definicja  według  Cauchy’ego. 
Wówczas przy tych samych założeniach co do funkcji f jak w poszczególnych definicjach wg Heinego 
mamy: 
 

 

(

)

(

)

[

]

ε

δ

δ

ε

<

<

>

>

=

g

x

f

x

x

x

S

x

g

x

f

x

x

)

(

)

(

0

0

)

(

lim

0

0

0

 

 

(

)

(

)

[

]

ε

δ

δ

ε

<

+

<

<

>

>

=

+

+

g

x

f

x

x

x

x

S

x

g

x

f

x

x

)

(

)

(

0

0

)

(

lim

0

0

0

0

 

 

(

)

(

)

[

]

ε

δ

δ

ε

<

<

<

>

>

=

g

x

f

x

x

x

x

S

x

g

x

f

x

x

)

(

)

(

0

0

)

(

lim

0

0

0

0

 

 

(

)

(

)

[

]

ε

δ

δ

ε

>

<

>

>

+∞

=

)

(

)

(

0

0

)

(

lim

0

0

0

x

f

x

x

x

S

x

x

f

x

x

 

 

(

)

(

)

[

]

ε

δ

δ

ε

<

<

>

>

−∞

=

)

(

)

(

0

0

)

(

lim

0

0

0

x

f

x

x

x

S

x

x

f

x

x

 

 

(

)

(

)

[

]

ε

ε

<

>

+∞

>

=

+∞

g

x

f

x

S

x

g

x

f

x

)

(

)

(

0

)

(

lim

R

 

 

(

)

(

)

[

]

ε

ε

<

<

−∞

>

=

−∞

g

x

f

x

S

x

g

x

f

x

)

(

)

(

0

)

(

lim

R

 

 

(

)

(

)

[

]

ε

ε

>

>

+∞

>

+∞

=

+∞

)

(

)

(

0

)

(

lim

x

f

x

S

x

x

f

x

R

 

 

(

)

(

)

[

]

ε

ε

<

>

+∞

>

−∞

=

+∞

)

(

)

(

0

)

(

lim

x

f

x

S

x

x

f

x

R

 

 

(

)

(

)

[

]

ε

ε

>

<

−∞

>

+∞

=

−∞

)

(

)

(

0

)

(

lim

x

f

x

S

x

x

f

x

R

 

 

(

)

(

)

[

]

ε

ε

<

<

−∞

>

−∞

=

−∞

)

(

)

(

0

)

(

lim

x

f

x

S

x

x

f

x

R

 

 
Poniższe rysunki przedstawiają interpretacje geometryczne niektórych granic funkcji wg Cauchy’ego. 
 

a) 

b) 

c) 

d) 

e) 

 

Rys.6. Granice funkcji wg definicji Cauchy’ego: 

a) granica właściwa funkcji w punkcie, b) granica właściwa lewostronna funkcji w punkcie,  
c) granica niewłaściwa funkcji w punkcie, d) granica właściwa w nieskończoności,  
e) granica niewłaściwa w nieskończoności 

 

background image

 

104 

Tw.7.2. (o działaniach arytmetycznych na granicach właściwych funkcji) 

 

Jeżeli 

q

x

g

p

x

f

x

x

x

x

=

=

)

(

lim

,

)

(

lim

0

0

 to: 

1.

 

(

)

q

p

x

g

x

f

x

x

±

=

±

)

(

)

(

lim

0

2.

 

q

p

x

g

x

f

x

x

=

)

(

)

(

lim

0

 

3.

 

p

x

f

x

x

α

=

α

)

(

lim

0

R

α

 (stała); 

4.

 

( )

0

,

dla

0

)

(

,

)

(

)

(

lim

0

0

=





q

x

S

x

x

g

q

p

x

g

x

f

x

x

 

 

 

GRANICE PODSTAWOWYCH WYRAŻEŃ NIEOZNACZONYCH 

 

1) 

1

sin

lim

0

=

x

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

2) 

1

tg

lim

0

=

x

x

x

 

3) 

0

,

ln

1

lim

0

>

=

a

a

x

a

x

x

   

 

 

 

 

 

4) 

1

1

lim

0

=

x

e

x

x

 

5) 

(

)

1

,

0

,

log

1

log

lim

0

>

=

+

a

a

e

x

x

a

a

x

 

 

 

 

 

6) 

(

)

1

1

ln

lim

0

=

+

x

x

x

 

7) 

e

x

x

x

=

+

±∞

1

1

lim

   

 

 

 

 

 

 

8) 

R

=

+

±∞

a

e

x

a

a

x

x

,

1

lim

 

9) 

e

x

x

x

=

+

1

0

)

1

(

lim

   

 

 

 

 

 

 

10) 

(

)

R

=

+

a

a

x

x

a

x

,

1

1

lim

0

 

11) 

1

arcsin

lim

0

=

x

x

x

   

 

 

 

 

 

 

12) 

1

arctg

lim

0

=

x

x

x

 

 
Tw.7.3. (o granicy funkcji złożonej) 

 

Jeżeli funkcje f i g spełniają warunki:  

1) 

0

)

(

lim

0

y

x

f

x

x

=

2) 

0

)

(

y

x

f

 dla każdego 

( )

0

x

S

3) 

g

y

g

y

y

=

)

(

lim

0

 

to 

[

]

g

x

f

g

x

x

=

)

(

lim

0

 
Przykład: Wykorzystując twierdzenie o granicy funkcji złożonej obliczyć: 

a) 

(

)

2

4

1

1

lim

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

b) 

)

2

(

3

)

2

sin(

lim

2

+

+

x

x

x

 

Rozwiązanie: 

a) 

(

)

=

2

4

1

1

lim x

x

 {wykonujemy podstawienie} 

=

=

=

0

to

1

1

4

y

x

y

x

0

lim

2

0

=

y

y

 

 

background image

 

105 

b) 

=

+

+

)

2

(

3

)

2

sin(

lim

2

x

x

x

 {wykonujemy podstawienie} 

3

1

1

3

1

sin

lim

3

1

0

to

2

2

0

=

=

=

=

+

=

t

t

t

x

t

x

t

 

 

 
CIĄGŁOŚĆ FUNKCJI 
 
Def.7.6. (ciągłość funkcji w punkcie) 

 

Niech funkcja f będzie określona na pewnym otoczeniu punktu 

R

0

x

, tj. 

( )

0

x

U

Funkcję 

)

(x

f

  nazywamy  funkcją  ciąą  w  punkcie 

0

x

,  jeśli  istnieje  jej  granica  w  tym  punkcie  oraz 

zachodzi równość:

 

( )

0

)

(

lim

0

x

f

x

f

x

x

=

 

 

Tw.7.4. (o ciągłości sumy, różnicy iloczynu i ilorazu funkcji ciągłych) 

 

Jeżeli funkcje f i g są ciągłe w punkcie 

0

x

, to: 

1)

  funkcje 

)

(

)

(

),

(

)

(

x

g

x

f

x

g

x

f

+

 są ciągłe w punkcie 

0

x

 

2)

  funkcja 

)

(

)

(

x

g

x

f

 jest ciągła w punkcie 

0

x

 

3)

  funkcja 

)

(

)

(

x

g

x

f

 jest ciągła w punkcie 

0

x

, o ile 

( )

0

0

x

g

 
Def.7.7. (ciągłość lewostronna i prawostronna) 

 

Niech funkcja f będzie określona na pewnym lewostronnym otoczeniu punktu 

R

0

x

, tj. 

( )

0

x

U

Funkcję 

)

(x

f

 nazywamy funkcją lewostronnie ciąą w punkcie 

0

x

, jeśli istnieje granica lewostronna w 

tym punkcie oraz zachodzi równość:

 

( )

0

)

(

lim

0

x

f

x

f

x

x

=

 

Niech funkcja f będzie określona na pewnym prawostronnym otoczeniu punktu 

R

0

x

, tj. 

( )

0

x

U

+

Funkcję 

)

(x

f

  nazywamy  funkcją  prawostronnie  ciąą  w  punkcie 

0

x

,  jeśli  istnieje  granica 

prawostronna w tym punkcie oraz zachodzi równość:

 

( )

0

)

(

lim

0

x

f

x

f

x

x

=

+

 

 

Def.7.8. (ciągłość funkcji na przedziale) 

 

Funkcja 

)

(x

f

  jest  funkcją  ciąą  na  przedziale 

(

)

b

a

,

,  jeżeli  jest  ciągła  w  każdym  punkcie  tego 

przedziału (tj. w każdym punkcie 

)

,

(

0

b

a

 ). 

 

Uwaga: Powyższa definicja pozostaje prawdziwa dla przedziałów: 

(

) (

) (

)

+∞

+∞

,

,

,

,

,

a

a

 

Funkcja 

)

(x

f

  jest  funkcją  ciąą  na  przedziale 

b

a

,

,  jeżeli  jest  ciągła  na  przedziale 

)

,

b

a

  oraz 

prawostronnie ciągła w punkcie a i lewostronnie ciągła w punkcie b . 
 
Tw.7.5. (warunek konieczny i dostateczny ciągłości funkcji) 

 

Funkcja 

)

(x

f

  jest  funkcją  ciągłą  w  punkcie 

0

x

,  wtedy  i  tylko  wtedy,  gdy  jest  lewostronnie  i 

prawostronnie ciągła w punkcie 

0

x

 

background image

 

106 

Tw.7.6. (o ciągłości funkcji elementarnych) 

 

Funkcje elementarne są funkcjami ciągłymi na swoich dziedzinach. 
 
Uwaga:  Funkcję,  która  nie  jest  funkcją  ciągłą  w  punkcie  nazywamy  funkcją  nieciąą  w  tym  punkcie. 
Natomiast punkt ten nazywamy punktem nieciągłości
 
Def.7.9. (punkt nieciągłości I – go rodzaju) 

 

Niech funkcja f będzie określona na pewnym otoczeniu punktu 

R

0

x

, tj. 

( )

0

x

U

Funkcja  ma  w  punkcie 

0

x

  nieciągłość  I  –  go  rodzaju,  jeżeli  istnieją  jednostronne  granice  właściwe 

)

(

lim

0

x

f

x

x

+

)

(

lim

0

x

f

x

x

 oraz 

)

(

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

 lub 

)

(

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

+

.  

Przy czym, jeśli zachodzi warunek: 

 

 

)

(

lim

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

x

x

+

 to mamy do czynienia z punktem nieciągłości I – go rodzaju typu ”skok”; 

 

( )

0

)

(

lim

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

f

x

x

x

x

=

+

 to mamy do czynienia z punktem nieciągłości I – go rodzaju typu 

”luka”.

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
a) 

 

 

 

 

 

 

 

b) 

 

Rys.7. Punkty nieciągłości I – go rodzaju 

a) punkt nieciągłości typu „skok”, b) punkt nieciągłości typu „luka” 

 
Def.7.10. (punkt nieciągłości II – go rodzaju) 

 

Niech funkcja f będzie określona na pewnym otoczeniu punktu 

( )

0

x

U

Funkcja ma w punkcie 

0

x

 nieciągłość II – go rodzaju, jeżeli przynajmniej jedna z granic jednostronnych 

)

(

lim

0

x

f

x

x

+

)

(

lim

0

x

f

x

x

 jest niewłaściwa lub nie istnieje.  

   

 

 

 

 

 

a) 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)  

Rys.8. Punkty nieciągłości II – go rodzaju 

a) niewłaściwe granice jednostronne funkcji w punkcie, b) nie istnieje lewostronna granica funkcji 

0

x

 

 x 

 y 

( )

0

x

f

 

( )

0

x

f

 

 x 

0

x

 

 y 

background image

 

107 

Przykład: Dana jest funkcja: 

>

<

+

<

+

=

<

<

=

2

3

3

2

2

2

3

0

2

1

log

0

2

1

2

1

2

7

2

3

5

3

2

)

(

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

f

x

 . Zbadać ciągłość podanej funkcji  

oraz określić rodzaj ewentualnych punktów nieciągłości. 

 

Rozwiązanie: 

Podana funkcja jest ciągła na zbiorze 

2

3

,

0

,

2

,

3

\

R

 na podstawie Tw.7.4 oraz Tw.7.6. 

Badamy ciągłość w punktach, w których „zmienia” się wykres funkcji: 

 

1) 

3

0

=

x

 

 

{

}

5

5

lim

)

(

lim

5

)

3

(

2

)

2

(

lim

)

(

lim

3

3

3

3

=

=

=

=

=

+

+

x

x

x

x

x

f

x

x

f

    

czyli 

)

(

lim

)

(

lim

3

3

x

f

x

f

x

x

+

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

więc istnieje 

5

)

(

lim

3

=

x

f

x

 

 

5

)

3

(

2

)

3

(

=

=

f

 

Zatem 

)

3

(

)

(

lim

3

=

f

x

f

x

, czyli funkcja jest ciągła w punkcie 

3

0

=

x

 

2) 

2

0

=

x

 

 

5

1

2

1

1

2

1

lim

)

(

lim

5

5

lim

)

(

lim

2

2

2

2

2

=





+

=



+

=

=

=

+

+

x

x

x

x

x

x

f

x

f

    

czyli 

)

(

lim

)

(

lim

2

2

x

f

x

f

x

x

+

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

więc istnieje 

5

)

(

lim

2

=

x

f

x

 

 

7

)

2

(

=

f

 

Zatem 

)

2

(

)

(

lim

2

f

x

f

x

, czyli w punkcie 

2

0

=

x

 funkcja ma punkt nieciągłości  I – go rodzaju typu 

„luka”. 

 

3) 

0

0

=

x

 

 

1

2

1

log

2

1

0

log

2

1

log

lim

)

(

lim

2

1

2

1

1

2

1

lim

)

(

lim

2

1

2

1

2

1

0

0

0

0

0

=

=





+

=

+

=

=





+

=



+

=

+

+

x

x

f

x

f

x

x

x

x

x

   czyli 

)

(

lim

)

(

lim

0

0

x

f

x

f

x

x

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

więc nie istnieje 

)

(

lim

0

x

f

x

 

background image

 

108 

 

2

1

2

1

)

0

(

0

=

+

=

f

 

Zatem  w  punkcie 

0

0

=

x

  funkcja  ma  punkt  nieciągłości  I  –  go  rodzaju  typu  „skok”.  Przy  czym  skok 

funkcji w punkcie wynosi:

 

1

2

1

)

(

lim

)

(

lim

0

0

=

=

=

+

x

f

x

f

s

x

x

 

4) 

2

3

0

=

x

 

 

−∞

=

 −

=

=

=

=

=

=





+

=

+

=

+

+

+

+

+

0

2

0

2

3

3

2

3

2

2

lim

)

(

lim

1

2

log

2

1

2

3

log

2

1

log

lim

)

(

lim

2

3

2

3

2

1

2

1

2

1

2

3

2

3

x

x

f

x

x

f

x

x

x

x

   więc nie istnieje 

)

(

lim

2

3

x

f

x

 

 

1

2

1

2

3

log

3

3

2

1

=

+

=

f

 

Zatem w punkcie 

2

3

0

=

x

 funkcja ma punkt nieciągłości II – go rodzaju. 

Ostatecznie podana funkcja jest ciągła na zbiorze 

2

3

,

0

,

2

\

R

 
POCHODNA FUNKCJI 
 
Def.7.11. (pochodna funkcji w punkcie) 

 

Niech funkcja f będzie określona na pewnym otoczeniu punktu 

R

0

x

, tj. 

( )

0

x

U

Pochodną właściwą funkcji

 w punkcie 

0

x

, co oznaczamy 

( )

0

x

, nazywamy granicę właściwą: 

 

(

)

( )

h

x

f

h

x

f

h

0

0

0

lim

+

 

 

czyli  

( )

(

)

( )

h

x

f

h

x

f

x

f

h

0

0

0

0

lim

+

=

 

Uwaga: Jeżeli funkcja ma pochodną w punkcie to mówimy, że jest żniczkowalna w tym punkcie. 
 
Przykład: Na podstawie definicji obliczyć pochodną funkcji 

2

2

)

(

x

x

f

=

 w punkcie 

0

x

 

Rozwiązanie: 
Dziedzina tej funkcji to cały zbiór liczb rzeczywistych.  
Dla 

R

0

x

 mamy: 

 

( )

(

)

( )

(

)

0

0

0

0

0

2

0

2

0

2

0

0

2

0

2

0

0

0

0

0

0

4

)

2

4

(

lim

)

2

4

(

lim

2

2

4

2

lim

2

2

lim

lim

x

h

x

h

h

x

h

h

x

h

h

x

x

h

x

h

x

h

x

f

h

x

f

x

f

h

h

h

h

h

=

+

=

=

+

=

+

+

=

+

=

+

=

 

background image

 

109 

W  interpretacji  geometrycznej  pochodna  funkcji  w  punkcie 

0

x

  jest  równa  tangensowi  kąta  między 

styczną do wykresu funkcji w tym punkcie a dodatnią półosią OX, czyli 

α

tg

)

(

0

=

′ x

f

.

 

 

Rys.9. Interpretacja geometryczna pochodnej funkcji w punkcie 

 
Def.7.12. (pochodne jednostronne funkcji w punkcie) 

 

Niech funkcja f będzie określona na pewnym lewostronnym otoczeniu 

( )

0

x

U

Pochodną  właściwą  lewostronną 

funkcji  f  w  punkcie 

0

x

,  co  oznaczamy 

( )

0

x

f

,  nazywamy  granicę 

właściwą: 

 

( )

(

)

( )

h

x

f

h

x

f

x

f

h

0

0

0

0

lim

+

=

 

 

Niech funkcja f będzie określona na pewnym prawostronnym otoczeniu 

( )

0

x

U

+

Pochodną  właściwą  prawostronną 

funkcji f w punkcie 

0

x

, co oznaczamy 

( )

0

x

f

+

, nazywamy  granicę 

właściwą: 

 

( )

(

)

( )

h

x

f

h

x

f

x

f

h

0

0

0

0

lim

+

=

+

+

 

 
Tw.7.7. (warunek konieczny i dostateczny istnienia pochodnej funkcji w punkcie) 

 

Funkcja f ma pochodną w punkcie 

0

x

 wtedy i tylko wtedy, gdy 

( )

( )

0

0

x

f

x

f

+

=

 
Tw.7.8. (warunek konieczny różniczkowalności funkcji w punkcie) 

 

Jeżeli funkcja jest różniczkowalna w punkcie, to jest ciągła w tym punkcie. 
 
Uwaga: Twierdzenie odwrotne nie jest prawdziwe, co ilustruje poniższy przykład. 

 

Przykład: Funkcja 

x

x

f

=

)

(

 jest funkcją ciągłą w punkcie 

0

0

=

x

(patrz poniższy rysunek), ale nie jest 

różniczkowalna w tym punkcie.

 

Ponieważ 

<

=

0

0

)

(

x

x

x

x

x

f

, więc wykres przedstawia się następująco:  

 
Obliczamy pochodne jednostronne: 

( )

(

)

( )

( )

(

)

( )

1

lim

0

lim

0

0

lim

0

1

lim

0

lim

0

0

lim

0

0

0

0

0

0

0

=

=

=

+

=

=

=

=

+

=

+

+

+

+

h

h

h

h

h

f

h

f

f

h

h

h

h

h

f

h

f

f

h

h

h

h

h

h

 

 

Ponieważ 

( )

( )

0

0

+

f

f

, zatem nie istnieje pochodna 

( )

0

 y  

 x 

x

=

 

background image

 

110 

Def.7.13. (pochodna funkcji na zbiorze) 

 

Funkcja ma pochodną właściwą na zbiorze wtedy i tylko wtedy, gdy ma pochodną właściwą w każdym 
punkcie zbioru. 
 
Tw.7.9. (o pochodnej sumy, różnicy, iloczynu oraz ilorazu funkcji) 

 

Jeżeli funkcje f i g są różniczkowalne w punkcie 

0

x

R

c

 jest pewną stałą, to: 

 

1) 

( )

( )

[

]

( )

( )

0

0

0

0

x

g

x

f

x

g

x

f

±

=

±

 

2) 

( )

[

]

( )

0

0

x

f

c

x

f

c

=

 

3) 

( ) ( )

[

]

( ) ( )

( )

( )

0

0

0

0

0

0

x

g

x

f

x

g

x

f

x

g

x

f

+

=

 

4) 

( )

( )

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

0

,

0

0

2

0

0

0

0

0

0

=

x

g

x

g

x

g

x

f

x

g

x

f

x

g

x

f

 

 

 

POCHODNE WAŻNIEJSZYCH FUNKCJI ELEMENTARNYCH 

 

1.

 

( )

R

=

C

C

,

0

C – const. 

2.

 

( )

0

,

,

1

>

α

α

=

α

α

x

x

x

R

 

Pochodne funkcji trygonometrycznych 

3.

 

(

)

R

=

x

x

x

,

cos

sin

 

4.

 

(

)

R

=

x

x

x

,

sin

cos

 

5.

 

(

)

Z

+

=

k

k

x

x

x

,

2

,

cos

1

tg

2

π

π

 

6.

 

(

)

Z

=

k

k

x

x

x

,

,

sin

1

ctg

2

π

 

Pochodna funkcji wykładniczej 

7.

 

( )

1

,

0

,

,

ln

>

=

a

a

x

a

a

a

x

x

R

 

8.

 

( )

R

=

x

e

e

x

x

,

 

Pochodna funkcji logarytmicznej 

9.

 

(

)

0

,

0

,

1

,

ln

1

log

>

>

=

x

a

a

a

x

x

a

 

10.

 

(

)

0

,

1

ln

>

=

x

x

x

 

Pochodne funkcji cyklometrycznych 

11.

 

(

)

1

,

1

1

arcsin

2

<

=

x

x

x

 

12.

 

(

)

1

,

1

1

arccos

2

<

=

x

x

x

 

13.

 

(

)

R

+

=

x

x

x

,

1

1

arctg

2

 

14.

 

(

)

R

+

=

x

x

x

,

1

1

arcctg

2

 

Pochodne funkcji hiperbolicznych 

15.

 

(

)

R

=

x

x

x

,

ch

sh

 

16.

 

(

)

R

=

x

x

x

,

sh

ch

 

17.

 

(

)

R

=

x

x

x

,

ch

1

th

2

 

18.

 

(

)

0

,

sh

1

cth

2

=

x

x

x

 

 

background image

 

111 

Tw.7.10. (o pochodnej funkcji złożonej) 

 

Jeżeli funkcja f ma pochodną w punkcie 

0

x

, funkcja g ma pochodną w punkcie 

( )

0

x

f

, to 

 

( )

(

)

[

]

( )

(

)

( )

0

0

0

x

g

x

g

f

x

g

f

=

 

 
Przykład: Obliczyć pochodne podanych funkcji we wskazanych punktach: 

 

a) 

R

=

0

2

sin

)

(

x

x

x

h

 

 

Ponieważ 

(

)

2

sin

)

(

x

x

h

=

, więc funkcją zewnętrzną jest funkcja kwadratowa 

( )

(

)

[

]

2

)

(x

g

x

g

f

=

, natomiast 

x

x

g

sin

)

( =

 jest funkcją wewnętrzną. 

Zatem 

(

)

[

]

0

0

0

0

0

2

0

0

2

sin

cos

sin

2

)

(sin

sin

2

sin

)

(

x

x

x

x

x

x

x

h

=

=

=

=

 

 

b) 

(

)

+∞

=

,

0

)

(

0

cos

x

e

x

h

x

 

Mamy  tutaj  do  czynienia  z  funkcją  trzykrotnie  złożoną:  funkcją  zewnętrzną  jest  funkcja  eksponent, 
następnie funkcją wewnętrzną – cosinus, a na końcu funkcja pierwiastkowa. 
Obliczamy pochodną: 

 

(

)

(

)

(

) (

)

0

cos

0

0

0

cos

0

cos

cos

0

2

1

sin

sin

cos

)

(

0

0

0

0

x

e

x

x

x

e

x

e

e

x

h

x

x

x

x

=

=

=

=

 

 

c) 

4

2

2

1

1

)

(



+

=

x

x

x

h

R

x

 

 

Wówczas  

 

(

) (

) (

) (

)

(

)

(

) (

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

5

2

3

2

2

2

3

2

2

2

2

3

2

2

2

2

2

2

3

2

2

2

2

2

2

2

2

3

2

2

2

2

3

2

2

4

2

2

1

1

16

1

16

1

1

1

4

1

1

4

1

2

1

1

2

1

1

4

1

1

1

1

1

1

1

4

1

1

1

1

4

1

1

)

(

+

=

=

+



+

=

+



+

=

+

+



+

=

=

+

+

+



+

=



+



+

=



+

=

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

x

x

x

x

x

x

x

h

 

 
Def.7.14. (pochodna właściwa n – tego rzędu funkcji) 

 

Pochodną właściwą n – tego rzędu

 funkcji f w punkcie 

0

x

 definiujemy następująco: 

 

( )

( )

[

]

=

0

)

1

(

0

)

(

x

f

x

f

n

n

 dla 

2

n

 

przy czym

 

( )

( )

0

0

)

1

(

x

f

x

f

=

( )

( )

0

0

)

0

(

x

f

x

f

=

 

 

Zatem np.  

( )

( )

[

]

=

′′

0

0

x

f

x

f

;  

( )

( )

[

]

′′

=

′′

0

0

x

f

x

f

; itd. 

background image

 

112 

Przykład: Obliczyć  ′′′ , jeśli 

x

x

y

ln

=

0

>

x

 

 

Rozwiązanie: 
Obliczamy pochodną pierwszego rzędu korzystając ze wzoru na pochodną iloczynu: 

 

(

)

(

)

1

ln

1

ln

1

ln

ln

ln

+

=

+

=

+

=

=

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

 

Obliczamy pochodną drugiego rzędu: 

( )

(

)

(

)

x

x

x

y

y

1

ln

0

ln

1

=

+

=

+

=

=

′′

 

Obliczamy pochodną trzeciego rzędu: 

( )

2

1

1

x

x

y

y

=

=

′′

=

′′

 

 

Def.7.15. (różniczka funkcji) 

 

Niech funkcja f ma pochodną w punkcie 

0

x

żniczką funkcji f w punkcie 

0

x

 ze względu na przyrost h 

(

0

x

x

h

=

) nazywamy iloczyn 

( )

h

x

f

0

 i oznaczamy 

( )

0

x

df

, tzn.: 

 

( )

( )

h

x

f

x

df

=

0

0

 

 
Przykład: Różniczka funkcji 

3

)

(

x

x

f

=

 w punkcie 

R

x

 dla przyrostu h zmiennej niezależnej wynosi: 

h

x

dx

x

df

2

3

3

)

(

=

=

.  

Natomiast dla funkcji 

x

x

f

=

)

(

 mamy 

h

dx

x

df

=

=

)

(

, czyli różniczka zmiennej niezależnej jest równa 

przyrostowi tej zmiennej.  

Stąd otrzymujemy: 

dx

x

f

x

df

)

(

)

(

=

, więc 

dx

x

df

x

f

)

(

)

(

=

 
Zastosowanie różniczki do obliczeń przybliżonych 

 

Jeżeli funkcja f ma pochodną w punkcie 

0

x

, to 

h

x

f

x

f

h

x

f

)

(

)

(

)

(

0

0

0

+

+

 

 

Przykład: Obliczyć przybliżoną wartość: 

02

,

1

ln

 

Rozwiązanie: 

 

x

x

f

ln

)

(

=

,

02

,

1

0

=

h

x

 czyli 

02

,

0

,

1

0

=

=

=

dx

h

x

.  

Obliczamy 

( )

0

1

ln

)

1

(

0

=

=

f

x

f

 oraz 

( )

0

0

1

x

x

f

=

, czyli 

( )

1

1 =

f

.  

Zatem 

02

,

0

1

0

02

,

1

ln

+

, stąd 

02

,

0

02

,

1

ln

 

 
RÓWNANIE STYCZNEJ I NORMALNEJ 
 
Równanie stycznej do wykresu funkcji f w punkcie 

(

)

)

(

,

0

0

0

x

f

x

P

 ma postać: 

 

)

)(

(

)

(

0

0

0

x

x

x

f

x

f

y

=

 

Równanie normalnej do wykresu funkcji f w punkcie 

(

)

)

(

,

0

0

0

x

f

x

P

 ma postać: 

 

)

(

)

(

1

)

(

0

0

0

x

x

x

f

x

f

y

=

 , gdzie 

0

)

(

0

′ x

f