Untitled Document

Назад   Производная  
Наверх: Производные и дифференциалы


Свойства производных

Покажем, что множество функций, имеющих производную в некоторой фиксированной точке $ x_0$, замкнуто относительно арифметических операций с этими функциями. А именно, докажем следующую теорему, дающую основные правила дифференцирования.

        Теорема 4.2   Пусть функции $ f(x)$ и $ g(x)$ имеют производные в точке $ x$. Тогда функции $ w_1(x)=f(x)+g(x)$, $ w_2(x)=f(x)-g(x)$, $ w_3(x)=f(x)g(x)$, а в случае $ g(x)\ne0$ также $ w_4(x)=\dfrac{f(x)}{g(x)}$ имеют производные в точке $ x$, которые выражаются следующими формулами:

$\displaystyle w_1'(x)=(f(x)+g(x))'=f'(x)+g'(x);$(4.7)
$\displaystyle w_2'(x)=(f(x)-g(x))'=f'(x)-g'(x);$(4.8)
$\displaystyle w_3'(x)=(f(x)g(x))'=f'(x)g(x)+g'(x)f(x);$(4.9)
$\displaystyle w_4'(x)=\left(\dfrac{f(x)}{g(x)}\right)'=\dfrac{f'(x)g(x)-g'(x)f(x)}{(g(x))^2}.$(4.10)

Аналогичные утверждения и формулы имеют место также для односторонних производных $ w_i'(x\pm)$ ($ i=1,2,3,4$).

        Доказательство.     Докажем формулу (4.7). Пусть аргументу $ x$ дано приращение $ h$; при этом функция $ f(x)$ получает приращение $ {\Delta}f=f(x+h)-f(x)$, а функция $ g(x)$ -- приращение $ {\Delta}g=g(x+h)-g(x)$. Их сумма $ w_1(x)$ получит тогда приращение

$\displaystyle {\Delta}w_1=(f(x+h)+g(x+h))-(f(x)+g(x))=(f(x+h)-f(x))+(g(x+h)-g(x))= {\Delta}f+{\Delta}g.$

Значит,

$\displaystyle w_1'(x)=\lim_{h\to0}\dfrac{{\Delta}w_1}{h}= \lim_{h\to0}\left(\d... ...m_{h\to0}\dfrac{{\Delta}f}{h}+ \lim_{h\to0}\dfrac{{\Delta}g}{h}=f'(x)+g'(x). $

Совершенно аналогично доказывается формула (4.8).

Докажем теперь формулу (4.9). Пусть снова $ {\Delta}f$ и $ {\Delta}g$ -- приращения функций, соответствующие приращению $ {\Delta}x=h$ аргумента $ x$. Тогда $ f(x+h)=f(x)+{\Delta}f$, $ g(x+h)=g(x)+{\Delta}g$ и приращением произведения будет

\begin{multline*} {\Delta}w_3=f(x+h)g(x+h)-f(x)g(x)=(f(x)+{\Delta}f)(g(x)+{\Del... ...-f(x)g(x)=\\ =g(x){\Delta}f+f(x){\Delta}g+{\Delta}f{\Delta}g. \end{multline*}

Поэтому, по свойствам пределов,

\begin{multline*} w_3'(x)=\lim_{h\to0}\dfrac{{\Delta}w_3}{h}= \lim_{h\to0}\lef... ...\ =f'(x)g(x)+g'(x)f(x)+0\cdot f'(x)g'(x)=f'(x)g(x)+g'(x)f(x). \end{multline*}

При этом мы вынесли множители $ g(x)$ и $ f(x)$ за знак предела $ \lim\limits_{h\to0}$ как постоянные, не зависящие от переменного $ h$, к которому относится база предела.

Докажем теперь формулу (4.10). Заметим, что

$\displaystyle {\Delta}w_4=\dfrac{f(x)+{\Delta}f}{g(x)+{\Delta}g}-\dfrac{f(x)}{g... ...)(g(x)+{\Delta}g)}= \dfrac{g(x){\Delta}f-f(x){\Delta}g}{g(x)(g(x)+{\Delta}g)}.$

Поэтому, согласно правилам вычисления пределов,

\begin{multline*} w_4'=\lim_{h\to0}\dfrac{{\Delta}w_4}{h}= \lim_{h\to0}\dfrac{... ...}(g(x)f'(x)-f(x)g'(x))= \dfrac{f'(x)g(x)-g'(x)f(x)}{(g(x))^2}. \end{multline*}

При этом мы вынесли за знак предела постоянный (то есть не зависящий от $ h$) множитель $ \dfrac{1}{g(x)}$ и воспользовались тем, что $ {\Delta}g\to0$ при $ h\to0$, что означает непрерывность функции $ g(x)$ в точке $ x$. Но ранее мы доказали, что всякая дифференцируемая в точке $ x$ функция непрерывна в точке $ x$ ( теорема 4.1).     

        Замечание 4.5   Обозначим функцию $ f(x)$ через $ u$, а функцию $ g(x)$ через $ v$. Тогда формулы (4.7 - 4.10) можно более коротко записать в виде

$\displaystyle (u\pm v)'=u'\pm v';\quad (uv)'=u'v+v'u; \quad \left(\dfrac{u}{v}\right)'=\dfrac{u'v-v'u}{v^2}$ (при $\displaystyle v\ne0). $

Именно в таком кратком виде мы и рекомендуем запоминать эти формулы.     

        Следствие 4.1   Применяя формулу (4.9) к случаю, когда $ g(x)=k=\mathrm{const}$, и учитывая, что $ k'=0$ (см. формулу (4.5)), мы получаем, что

$\displaystyle (kf(x))'=kf'(x),$

то есть что постоянный множитель можно выносить из под знака производной.     

Из этого следствия и формулы (4.7) получается следующее свойство производных: если $ C_1$ и $ C_2$ -- постоянные и $ f_1,f_2$ -- дифференцируемые в точке $ x_0$ функции, то

$\displaystyle (C_1f_1(x)+C_2f_2(x))'=C_1f_1'(x)+C_2f_2'(x).$(4.11)

Если операцию вычисления производной в точке $ x_0$ обозначить $ D_{x_0}$, то есть $ {D_{x_0}(f(x))=f'(x_0)}$, то равенство (4.11) означает линейность этой операции дифференцирования в точке:

$\displaystyle D_{x_0}(C_1f_1(x)+C_2f_2(x))=C_1D_{x_0}(f_1(x))+C_2D_{x_0}(f_2(x)).$

Поскольку дифференцируемость функции на интервале или отрезке мы определяли как дифференцируемость в каждой точке этого интервала или отрезка, то тем самым мы показали, что операция $ D$ перехода от функции $ f$ к её производной $ f'$, $ D(f)=f'$, также обладает свойством линейности:

$\displaystyle D(C_1f_1+C_2f_2)=C_1D(f_1)+C_2D(f_2).$

При этом в случае отрезка действие $ D$ на функцию в точке, являющейся одним из концов отрезка, понимается как вычисление соответствующей односторонней производной: в левом конце -- правой, а в правом конце -- левой.

Эти результаты можно выразить ещё и таким образом. Рассмотрим пространство $ \mathcal{D}_{x_0}$ всех функций $ f$, определённых на некотором фиксированном интервале $ (x_0-{\delta};x_0+{\delta})$ и имеющих производную $ f'(x_0)$ в точке $ x_0$. Тогда операции умножения на постоянные множители и сложения не выводят из этого пространства, то есть пространство $ \mathcal{D}_{x_0}$ -- это линейное пространство; при этом операция $ D_{x_0}$ -- это линейная операция из пространства $ \mathcal{D}_{x_0}$ в линейное пространство вещественных чисел:

$\displaystyle D_{x_0}:\mathcal{D}_{x_0}\to\mathbb{R};\quad D_{x_0}:f(x)\mapsto f'(x_0).$

То же верно и для пространств функций, дифференцируемых на интервале $ (a;b)$ (обозначим это пространство $ \mathcal{D}_{(a;b)}$) или на отрезке $ [a;b]$ (обозначим это пространство $ \mathcal{D}_{[a;b]}$). Оба этих пространства -- линейные (то есть замкнуты относительно применения к функциям из этих пространств операций сложения и умножения на постоянные), а операция дифференцирования $ D$ действует как линейная операция из этих линейных пространств в линейное пространство функций, непрерывных на данном интервале (обозначим это пространство $ \mathcal{C}_{(a;b)}$; см. предложение 3.4) или отрезке (обозначим это пространство $ \mathcal{C}_{[a;b]}$; также см. предложение 3.4), так как в соответствии с теоремой 4.1 производная каждой дифференцируемой функции $ f(x)$ -- это непрерывная функция $ f'(x)=D(f(x))$:

$\displaystyle D:\mathcal{D}_{(a;b)}\to\mathcal{C}_{(a;b)};\quad D:f(x)\mapsto f'(x);$

$\displaystyle D:\mathcal{D}_{[a;b]}\to\mathcal{C}_{[a;b]};\quad D:f(x)\mapsto f'(x).$

Тем самым операция $ D$ -- это линейная функция, областью определения которой служит пространство всех дифференцируемых функций, а область значений $ \mathcal{E}(D)$ лежит в пространстве непрерывных функций.14 Функции, областями определения и областями значения которых служат некоторые пространства функций, в математике принято называть операторами. Таким образом, операция дифференцирования $ D$ -- это линейный оператор из линейного пространства $ \mathcal{D}_{(a;b)}$ в линейное пространство $ \mathcal{C}_{(a;b)}$ и из линейного пространства $ \mathcal{D}_{[a;b]}$ в линейное пространство $ \mathcal{C}_{[a;b]}$.
Назад   Производная  
Наверх: Производные и дифференциалы
Вперед:Производные некоторых элементарных функций

Физика лабы
Элементарная математика Кратные интегралы Математический анализ
Векторный анализ Аналитическая геометрия Пределы функции Изучение функции Конспекты по математике Комплексные числа Дифференциальные уравнения Определенные интегралы Лекции по высшей математике Исследование функций Вычисление объема с помощью интегралов Алгеброические структуры