Магия математики: Как найти x и зачем это нужно - [72]

можно доказать с помощью такого вот графика:

На единичной окружности, часть которой изображена выше, R = (1, 0), а P = (cos h, sin h), где h есть небольшой угол с положительным значением. В прямоугольном треугольнике OQR

Рассмотрим сектор OPR, имеющий клинообразную форму. Площадь единичной окружности равна π1² = π, сектор OPS – ее часть, выражаемая дробью h/(2π). Следовательно, площадь сектора OPR составляет π(h/2π) = h/2.

Так как сектор OPR содержит в себе треугольник OPS, а тот, в свою очередь, – треугольник OQR, сравнение их площадей дает нам

Для положительных значений a, b и c, если a < b < c, то 1/c < 1/b < 1/a. Следовательно,

А так как h → 0, и cos h, и 1/cos h будут стремиться к 1, что и требовалось доказать.

◻

Отступление

С помощью полученного результата и нескольких алгебраических формул (включая cos² h + sin² h = 1) можно доказать, что

◻

Производные синуса и косинуса – ключи к дифференцированию тангенса.

Теорема: Если y = tan x, то y' = 1/(cos²x) = sec²x.

Доказательство: Предположим, что u(x) = tan x = (sin x)/(cos x). Тогда

tan ( x ) cos x = sin x

Продифференцировав обе части и применив правило дифференцирования произведения функций, получим

tan x (–sin x ) + tan ' ( x ) cos x = cos x

Разделим все члены на cos x и решим уравнение для tan' (x):

в котором предпоследнее значение получается в результате деления тождества cos 2x + sin 2x = 1 на cos 2x.

Отступление

Доказательство правила дифференцирования частного: Так как u(x)g(x) = f(x), продифференцировав обе части уравнения, в соответствии с правилом дифференцирования произведения получим

u ( x ) g '( x ) + u '( x ) g ( x ) = f '( x )

Умножив все на g(x), получим

g ( x ) u ( x ) g '( x ) + u '( x ) g ( x ) g ( x ) = g ( x ) f '( x )

Заменим g(x) u(x) на f(x) и решим уравнение для u'(x), что приведет нас к искомому результату.◻

Теперь мы умеем дифференцировать многочлены, показательные и тригонометрические функции. Также мы научились дифференцировать их суммы, произведения и частные. Но есть еще сложные функции – функции от функций, с которыми тоже нужно уметь обращаться. Правило дифференцирования сложной функции иначе называют цепным правилом. Согласно ему, например, если f(x) = sin x, а g(x) = x³, то

f ( g ( x )) = sin( g ( x )) = sin( x ³)

Не перепутайте: это не то же самое, что

g ( f ( x )) = g (sin x ) = (sin x )³

Теорема (цепное правило): Если y = f(g(x)), то y' = f'(g(x))g'(x).

Например, если f(x) = sin x, а g(x) = x³, то f'(x) = cos x, а g'(x) = 3x². Согласно цепному правилу, при y = f(g(x)) = sin (x³)

y' = f' ( g ( x )) g' ( x ) = cos( g ( x )) g' ( x ) = 3 x ² cos( x ³)

Обобщая, можно сказать, что при y = sin (g(x)) y' = g'(x) cos(g(x)). Та же логика подсказывает нам, что y = cos (g(x)) имеет производную y' = –g'(x) sin (g(x)).

С другой стороны, функция y' = –g'(x) sin (g(x)), согласно цепному правилу, выглядит так:

y' = g' ( f ( x )) f' ( x ) = 3( f ( x )²) f' ( x ) = 3 sin² x cos x

Обобщим и это: цепное правило говорит нам, что при y = (g(x))ⁿ y' = n(g(x))^n–1g'(x). А что насчет y = (x³)⁵?

y' = 5( x >3 ) >4 (3 x ²) = 5 x >12 (3 x >2 ) = 15 x >14

что полностью соответствует правилу дифференцирования произведения функций.

Продифференцируем y = √(x2 + 1) = (x² +1)^½.

Со степенными функциями дело обстоит ничуть не сложнее. Так как ex является собственной производной, то при y = e^g(x) имеем

y' = g' ( x ) eg ( x )

Например, производная y = e^x³ – y' = (3x²)e^x³.

Обратите внимание, что функция y = e^kx имеет производную y' = ke^kx = ky. Это одна из причин, почему показательные (экспоненциальные) функции так важны – они появляются, когда скорость роста функции пропорциональна величине ее значения. По этой причине показательные функции часто связаны с процессами в финансовой сфере и в биологии.

Натуральный логарифм ln x обладает одним интересным свойством:

e > ln x = x

при любом значении x, большем 0. Чтобы найти его, логарифма, производную, воспользуемся цепным правилом. Допустив, что u(x) = ln x, получим e^u(x) = x. Продифференцировав обе части этого уравнения, получаем u'(x)e^u(x) = 1. Но поскольку e^u(x) = x, u'(x) = 1/x. Другими словами, если y = ln x, тогда y' = 1/x. Вновь применив цепное правило, получаем: если y = ln (g(x)), то

Давайте соберем все найденное с помощью цепного правила в таблицу:

Хотите применить все это на практике? Вот вам задачка, практичней некуда. Корова Клара пасется в километре на север от реки (оси x), в 3 километрах на запад и в километре на юг от коровника. Наевшись и нагулявшись, она решила попить водички и пойти домой. Естественно, ей хочется сделать это все как можно быстрее. Где именно ей нужно спуститься к реке, чтобы максимально сократить путь?

Предположим, что корова решила двинуться с луга (то есть из стартовой точки (0, 1)) к месту водопоя (то есть к точке (x, 0)) напрямик. Согласно теореме Пифагора (или формуле расстояния), длина ее маршрута до реки составит √(x² + 1), а до амбара, находящегося в точке B = (3, 2), – √((3 – x)² + 4) = √(x² – 6x + 13). Значит, задача сводится к нахождению такого значения x в диапазоне от 0 до 3, при котором достигается минимальное значение функции

Продифференцировав это уравнение (с помощью цепного правила) и приравняв его к 0, получим

Проверить это можно, взяв x = 1, тогда левая часть уравнения превращается в 1/√