Геометрический смысл производной
Если плохо разбираешься в производной, то вот тебе полноценный гид по ней, с текстом, примерами и вебинарами: «Производная функции – геометрический смысл и правила дифференцирования»!
Рассмотрим график какой-то функции ( y=fleft( x right)):
Выберем на линии графика некую точку ( A). Пусть ее абсцисса ( {{x}_{0}}), тогда ордината равна ( fleft( {{x}_{0}} right)).
Затем выберем близкую к точке ( A) точку ( B) с абсциссой ( {{x}_{0}}+Delta x); ее ордината – это ( fleft( {{x}_{0}}+Delta x right)):
Проведем прямую через эти точки. Она называется секущей (прямо как в геометрии).
Обозначим угол наклона прямой к оси ( Ox) как ( alpha ).
Как и в тригонометрии, этот угол отсчитывается от положительного направления оси абсцисс против часовой стрелки.
Какие значения может принимать угол ( alpha )?
Как ни наклоняй эту прямую, все равно одна половина будет торчать вверх. Поэтому максимально возможный угол – ( 180{}^circ ), а минимально возможный – ( 0{}^circ ).
Значит, ( alpha in left[ 0{}^circ ;180{}^circ right)). Угол ( 180{}^circ ) не включается, поскольку положение прямой в этом случае в точности совпадает с ( 0{}^circ ), а логичнее выбирать меньший угол.
Возьмем на рисунке такую точку ( C), чтобы прямая ( AC) была параллельна оси абсцисс, а ( BC) – ординат:
По рисунку видно, что ( AC=Delta x), а ( BC=Delta f).
Тогда отношение приращений:
( frac{Delta f}{Delta x}=frac{BC}{AC}={tg}alpha )
(так как ( angle C=90{}^circ ), то ( triangle ABC) – прямоугольный).
Давай теперь уменьшать ( Delta x).
Тогда точка ( B) будет приближаться к точке ( A). Когда ( Delta x) станет бесконечно малым ( left( Delta xto 0 right)), отношение ( frac{Delta f}{Delta x}) станет равно производной функции в точке ( {{x}_{0}}).
Что же при этом станет с секущей?
Точка ( B) будет бесконечно близка к точке ( A), так что их можно будет считать одной и той же точкой.
Но прямая, имеющая с кривой только одну общую точку – это ни что иное, как касательная (в данном случае это условие выполняется только на небольшом участке – вблизи точки ( A), но этого достаточно).
Говорят, что при этом секущая занимает предельное положение.
Угол наклона секущей к оси ( displaystyle Ox) назовем ( varphi ). Тогда получится, что производная
( {f}’left( {{x}_{0}} right)underset{Delta xto 0}{mathop{=}},frac{Delta f}{Delta x}= {tg}varphi ),
то есть
Производная равна тангенсу угла наклона касательной к графику функции в данной точке
Поскольку касательная – это прямая, давай теперь вспомним уравнение прямой:
( y=kx+b).
За что отвечает коэффициент ( displaystyle k)? За наклон прямой. Он так и называется: угловой коэффициент.
Что это значит? А то, что равен он тангенсу угла между прямой и осью ( displaystyle Ox)!
То есть вот что получается:
( {f}’left( {{x}_{0}} right)= {tg}varphi =k).
Но мы получили это правило, рассматривая возрастающую функцию. А что изменится, если функция будет убывающей?
Посмотрим: Теперь углы ( alpha ) и ( displaystyle varphi ) тупые. А приращение функции ( Delta f) – отрицательное.
Снова рассмотрим ( triangle ABC): ( angle B=180{}^circ -alpha text{ }Rightarrow text{ } {tg}angle B=- {tg}alpha ).
С другой стороны, ( {tg}angle B=frac{AC}{BC}=frac{-Delta f}{Delta x}).
Получаем: ( frac{-Delta f}{Delta x}=- {tg}alpha text{ }Rightarrow text{ }frac{Delta f}{Delta x}= {tg}alpha ), то есть все, как и в прошлый раз.
Снова устремим точку ( displaystyle B) к точке ( displaystyle A), и секущая ( displaystyle AB) примет предельное положение, то есть превратится в касательную к графику функции в точке ( displaystyle A).
Итак, сформулируем окончательно полученное правило:
Производная функции в данной точке равна тангенсу угла наклона касательной к графику функции в этой точке, или (что то же самое) угловому коэффициенту этой касательной:
( {f}’left( {{x}_{0}} right)= {tg}varphi =k)
Это и есть геометрический смысл производной.
Окей, все это интересно, но зачем оно нам? Вот пример:
На рисунке изображен график функции ( displaystyle y=mathsf{f}left( x right)) и касательная к нему в точке с абсциссой ( {{x}_{0}}).
Найдите значение производной функции ( displaystyle mathsf{f}left( x right)) в точке ( {{x}_{0}}).
Решение.
Как мы недавно выяснили, значение производной в точке касания равно угловому коэффициенту касательной, который в свою очередь равен тангенсу угла наклона данной касательной к оси абсцисс:
( displaystyle f’left( x right)=k= {tg}varphi).
Значит, для нахождения значения производной нам нужно найти тангенс угла наклона касательной.
На рисунке у нас отмечено две точки, лежащие на касательной, координаты которых нам известны. Так давай достроим прямоугольный треугольник, проходящий через эти точки, и найдем тангенс угла наклона касательной!
Угол наклона касательной к оси ( displaystyle Ox) – это ( displaystyle angle BAC). Найдем тангенс этого угла:
( displaystyle {tg}angle BAC=frac{BC}{AC}=frac{6}{5}=1,2).
Таким образом, производная функции ( displaystyle mathsf{f}left( x right)) в точке ( {{x}_{0}}) равна ( displaystyle 1,2).
Ответ: ( displaystyle 1,2).
Теперь попробуй сам.
Уравнение касательной к графику функций
А сейчас сосредоточимся на произвольных касательных.
Предположим, у нас есть какая-то функция, например, ( fleft( x right)=left( {{x}^{2}}+2 right)). Мы нарисовали ее график и хотим провести касательную к нему в какой-нибудь точке ( {{x}_{0}}). Например, в точке ( {{x}_{0}}=2).
Берем линейку, пристраиваем ее к графику и чертим:
Что мы знаем об этой прямой? Что самое важное нужно знать о прямой на координатной плоскости?
Поскольку прямая – это изображение линейной функции, очень удобно было бы знать ее уравнение. То есть коэффициенты ( k) и ( b) в уравнении
( y=kx+b).
Но ведь ( k) мы уже знаем! Это угловой коэффициент касательной, который равен производной функции в этой точке:
( k={f}’left( {{x}_{0}} right)).
В нашем примере будет так:
( {f}’left( x right)={{left( {{x}^{2}}+2 right)}^{prime }}=2x;)
( k={f}’left( {{x}_{0}} right)={f}’left( 2 right)=2cdot 2=4.)
Теперь остается найти ( b) . Это проще простого: ведь ( b) – значение ( y) при ( displaystyle x=0).
Графически ( b) – это координата пересечения прямой с осью ординат (ведь ( displaystyle x=0) во всех точках оси ( displaystyle Oy)):
Проведём ( BCparallel Ox) (так, что ( triangle ABC) – прямоугольный).
Тогда ( angle ABC=alpha )(тому самому углу между касательной и осью абсцисс). Чему равны ( displaystyle AC) и ( displaystyle BC)?
По рисунку явно видно, что ( BC={{x}_{0}}), а ( AC=fleft( {{x}_{0}} right)-b). Тогда получаем:
( {f}’left( {{x}_{0}} right)= {tg}alpha =frac{AC}{BC}=frac{fleft( {{x}_{0}} right)-b}{{{x}_{0}}}text{ }Rightarrow text{ }b=fleft( {{x}_{0}} right)-{{x}_{0}}cdot {f}’left( {{x}_{0}} right)).
Соединяем все полученные формулы в уравнение прямой:
( y=kx+b={f}’left( {{x}_{0}} right)cdot x+fleft( {{x}_{0}} right)-{{x}_{0}}cdot {f}’left( {{x}_{0}} right);)
( y={f}’left( {{x}_{0}} right)cdot left( x-{{x}_{0}} right)+fleft( {{x}_{0}} right))
Это и есть уравнение касательной к графику функции ( fleft( x right)) в точке ( {{x}_{0}}).
Пример:
Найди уравнение касательной к графику функции ( fleft( x right)={{x}^{2}}-2x+3) в точке ( {{x}_{0}}=3).
Решение:
На этом примере выработаем простой…
Бонус: Вебинар из нашего курса по подготовке к ЕГЭ по математике
ЕГЭ №7. Производная функции — геометрический смысл, дифференцирование
На этом видео мы вспомним, что такое функция и её график, научимся искать производную некоторых функций, например, такой: y = 2×3 – 3×2 + x + 5.
Мы разберём от А до Я все 7 типов задач, которые могут попасться в задаче №7 из ЕГЭ. Узнаем, на какие 3 фразы в условии задачи нужно обратить особое внимание, чтобы с лёгкостью решить задачу и не потерять баллы на ровном месте.
Разберём все возможные ошибки, которые можно допустить в этих задачах. Мы поймём, что многие из этих задач решаются обычным подсчётом клеточек на графике! Главное – не перепутать, что нужно считать.
P.S. Не забудьте потом посмотреть родственную тему: «Интегралы на ЕГЭ. Первообразные элементарных функций».
Касательная к графикам функции в точке
Угол наклона прямой линии [y=k x+b] — это угол [a], который берет свой отсчет от положительного направления оси координат ox по направлению к прямой. Угол наклона может иметь значение как со знаком плюс, так и со знаком минус.
На расположенном рис.1 показана прямая и угол наклона относительно оси.
Для каждого угла наклона характерен угловой коэффициент прямой.
Определение
Угловой коэффициент — это числовой коэффициент прямой вида [boldsymbol{y=k x+b}]. В уравнение он обозначается буквой k.
Угловой коэффициент равен значению тангенса наклона заданной прямой линии: [k=operatorname{tg} alpha].
Основные значения угла наклона прямой
- Угол наклона прямой линии будет иметь нулевое значение, только в случае, когда параллельна ось Ox, и значение углового коэффициента равняется нулю. Потому что [operatorname{tg} 0=0]. Следовательно уравнение прямой будет записываться следующим образом: [y=b].
- В случае, когда угол наклона будет острым, то должно выполняться два следующих условия: [0<alpha<frac{pi}{2}] или [0^{circ}<alpha<90^{circ}]. Отсюда следует, что значение углового коэффициента будет являться положительным значением. Потому что значение тангенса удовлетворяет следующему условию, где показатель тангенса больше нулевого значения: [t g>0]. При этом будет наблюдаться возрастание графика функции на протяжении всей координатной прямой.
- При условии, что угол [alpha=frac{pi}{2}], из этого следует, что прямая будет располагаться относительно оси Ox в перпендикулярном положении. Условие задается следующим равенством [x=c]. Где с — это простое действительное число.
- Если угол наклона прямой, является тупым, то будет применяться следующее условие: [frac{pi}{2}<alpha<pi] или [90^{circ}<alpha<180^{circ}] . Для данного случая характерно отрицательное значение углового коэффициента и убывание функции.
Определение
Секущая прямая — это прямая, которая проходит через две точки заданной функции. Иными словами, можно сказать, что секущая — это прямая, которую можно провести через две любые точки графика.
На графике показана секущая, которая обозначена красным цветом и точками А и В.
Если угловой коэффициент прямой линии равен тангенсу угла наклона, то используя прямоугольный треугольник можно найти значение тангенса. Сделать это можно вычислением по правилу: тангенс равен отношению противолежащего катета к прилежащему.
Чтобы определить значение секущий, нужно использовать следующую формулу:
[k=operatorname{tg} alpha=frac{B C}{A C}=frac{fleft(chi_{B}right)-fleft(chi_{A}right)}{chi_{B}-chi_{A}}], где:
[chi_{B}, chi_{A}] — абсциссы точек А и В;
[fleft(chi_{B}right), fleft(chi_{A}right)] — значения функции, в заданных точках.
Значение секущий определяется, используя следующее неравенство:
[k=frac{fleft(chi_{B}right)-fleft(chi_{A}right)}{chi_{B}-chi_{A}}] либо [k=frac{fleft(chi_{A}right)-fleft(chi_{B}right)}{chi_{A}-chi_{B}}]
Уравнение записывается следующим образом:
[k=frac{fleft(chi_{B}right)-fleft(chi_{A}right)}{chi_{B}-chi_{A}} cdotleft(chi-chi_{A}right)+fleft(chi_{A}right)]
[k=frac{fleft(chi_{A}right)-fleft(chi_{B}right)}{chi_{A}-chi_{B}} cdotleft(chi-chi_{B}right)+fleft(chi_{B}right)]
Определение
Касательная к графику функции — это прямая, которая проходит через определенную заданную точку, которая в свою очередь имеет отрезок с множеством числовых значений x.
Пример:
Прямая задана следующей функцией: [y=x+1]. Данная функция считается касательной к графику [y=2 sqrt{x}] с координатными точками (1;2).
Рассмотрим графики со значениями (1;2). Функция обозначается черным цветом, а касательная линия соответственно синим цветом.
Чтобы определить касательную к функции, нужно исследовать поведение касательной АВ. При этом должно быть бесконечное приближение точки В к точке А.
Значение производной функции в точке и ее геометрический смысл
Для заданной функции [f(chi)] рассмотрим секущую АВ. Точки А и В заданы следующими значениями: [left(chi_{0}, fleft(chi_{0}right)right)] и [left(chi_{0}+Delta chi ,left(chi_{0}+Delta chiright)right.].
[Delta chi] — это показатель приращения значения аргумента.
Подставив все значения в исходную функцию получим следующий вид:
[Delta y=Delta f(chi)=fleft(chi_{0}+Delta chiright)-f(Delta chi)].
Для более лучшего восприятия решения, построим график.
Из графика видно, что образуется прямоугольный треугольник ABC. Составим соотношение [frac{Delta y}{Delta x}=operatorname{tg} alpha], для этого необходимо применить основное определение тригонометрической функции, а именно тангенса.
Исходя из основного определения касательной, запишем следующее выражение:
[lim _{Delta x rightarrow 0} frac{Delta y}{Delta x}=operatorname{tg} alpha_{x}]
Используя правило производной, имеем следующее:
- производная [f(x)] в точке [x_{0}] — является пределом отношения приращения функции к аргументу.
- [Delta_{chi} rightarrow 0 text { и } fleft(x_{0}right)=lim _{Delta x rightarrow 0} frac{Delta y}{Delta x}].
Следовательно:
[f^{prime}left(x_{0}right)=lim _{Delta x rightarrow 0} frac{Delta y}{Delta x}=operatorname{tg} alpha_{x}=k_{z}]
[k_{z}] — это угловой коэффициент касательной функции.
Из данной функции можно сделать следующий вывод:
- функция [f(x)] может находится в точке со значением [x_{0}]
- функция может быть касательной к графику в некой точке касания, где угловой коэффициент равняется производной.
Понятие уравнения касательной прямой
Чтобы составить уравнение прямой, нужно знать угловой коэффициент с заданной точкой. Это точка, через которую проходит прямая. При пересечении угловой коэффициент записывается как значение [x_{0}].
Уравнение касательной записывается следующим образом:
[y=f^{prime}left(x_{0}right) cdotleft(x-x_{0}right)+fleft(x_{0}right)]
График функции [y=f(x)].
Расположение касательной прямой непосредственно зависит от значения углового коэффициента. Если прямая параллельна оси Ox, то значение коэффициента равно нулевому значению. При параллельном расположении относительно оси Oy, коэффициент угловой принимает значение бесконечности. При это уравнение касательной записывается как: [x=x_{0}].Также угловой коэффициент будет возрастать при значении больше нуля, а если коэффициент меньше нуля, то функция соответственно будет убывать.
Примеры
Нужно составить уравнение касательной к графику функции.
[y=e^{x+1}+frac{x^{3}}{3}-frac{6-sqrt{3}}{3} x-frac{17-sqrt{3}}{3}]
Порядок решения:
Из условия задачи следует, что функция может быть определенной для всех действительных значений. Точка,
которая задана с координатами (1;3) будет являться точкой касания, следовательно , [x_{0}=-1,
fleft(x_{0}right)=-3].
Для точки со значение равным -1, нужно определить производную.
Для этого составим уравнение:
[y^{prime}=left(e^{x+1}+frac{x^{3}}{3}-frac{6-sqrt{3}}{3}
x-frac{17-sqrt{3}}{3}right)^{prime}=\left(e^{x+1}right)^{prime}+left(frac{x^{3}}{3}right)^{prime}-left(frac{6-sqrt{3}}{3}
xright)^{prime}-left(frac{17-sqrt{3}}{3}right)^{prime}=e^{x+1}+x^{2}-frac{6-sqrt{3}}{3};]
[y^{prime}left(x_{0}right)=y^{prime}(-1)=e^{-1+1}+(-1)^2-frac{6-sqrt{3}}{3}=frac{sqrt{3}}{3}]
Показатель [f^{prime}(x)] в точке, которая является касательной, будет равен угловому коэффициенту.
Угловой коэффициент равен наклону тангенса. Отсюда следует, что:
[k_{x}=operatorname{tg} alpha_{x}=y^{prime}left(x_{0}right)=frac{sqrt{3}}{3}Rightarrow alpha_{chi}=operatorname{arctg} frac{sqrt{3}}{3}=frac{pi}{6}]
Подведем итоги, и запишем ответ:
[y=f^{prime}left(x_{0}right) cdotleft(x-x_{0}right)+fleft(x_{0}right);\y=frac{sqrt{3}}{3}(x+1)-3
; y=frac{sqrt{3}}{3} x-frac{9-sqrt{3}}{3}]
По условию задачи нужно определить касательную к графику функции [y=3 cdot sqrt[5]{x-1}+1]. Точки
координат равны (1;1). Также нужно составить уравнение и определить значение угла наклона.
Согласно условию задачи, область определения функции — это простые действительные числа.
Определим значение производной.
[y^{prime}=(3 cdot sqrt[5]{x-1}+1)^{prime}=3 cdot frac{1}{5} cdot(x-1)^{frac{1}{5}} 1=frac{3}{5}
cdot frac{1}{(x-1)^{frac{4}{5}}}]
При условии, что [x_{0}=1] тогда функция будет не определенной, но пределы ее можно записать как:
[lim _{x rightarrow 1+0}left(frac{3}{5} cdot frac{1}{(x-1)^{frac{4}{5}}}right)=frac{3}{5} cdot
frac{1}{(+0)^{frac{4}{5}}}=frac{3}{5} cdot frac{1}{+0}=infty]
[lim _{x rightarrow 1-0}left(frac{3}{5} cdot frac{1}{(x-1)^{frac{4}{5}}}right)=frac{3}{5} cdot
frac{1}{(-0)^{frac{4}{5}}}=frac{3}{5} cdot frac{1}{+0}=+infty]
Это значит, что вертикальная касательная в точке существует.
Ответ: после всех проведенных вычислений уравнение приобретает вид x=1, где угол наклона будет равен
[frac{pi}{2}].
Нет времени решать самому?
Наши эксперты помогут!
Касательная линия к окружности
Для того чтобы задать окружность с центром в следующих точках:
[text {(Xcenter;Ycenter)}] и радиусом R, нужно воспользоваться формулой.
[(x-x_{center})^2+(y+y_{center})^2=R^2]
Данное выражение можно представить как две функции:
[y=sqrt{R^{2}-(x-x_{center})^2+y_{center}}] [y=-sqrt{R^{2}-(x-x_{center})^2+y_{center}}]
Из рисунка видно, что первая функция расположена в верхней части координатной плоскости. Вторая функция, соответственно в нижней части.
Чтобы составить уравнение окружности в точке, которая находится в верхней или нижней полуокружности, нужно составить уравнение для графика функции следующего вида:
[y=sqrt{R^{2}-left(x-x_{text {center }}right)^2 +y_{text {center }}}] и [y=-sqrt{R^{2}-left(x-x_{c e n t e r}right)+y_{c e n t e r}}], для конкретной точки.
Если в точках (xcenter;ycenter +R) и (xcenter;ycenter -R) касательные к окружности задаются выражением [y=y_{text {center }}+R ] и [y=y_{text {center }}-R], то они будут параллельны оси Oy. Из этого следует следующее уравнение [x=x_{text {center }}+R] и [x=x_{text {center }}-R].
Касательная к геометрической фигуре эллипс
Геометрическая фигура эллипс может быть задана следующей функцией:
[frac{left(x-x_{text {center }}right)^2}{a^{2}}+frac{left(y-y_{text {center }}right)^2}{b^{2}}=1]
Данное уравнение можно применять при следующих условиях:
- эллипс имеет в центре следующие точки: xcenter; ycenter
- a и b — это значение полуосей.
Используя два вида функций можно обозначить эллипс и окружность:
[y=frac{b}{a} cdot sqrt{a^{2}-left(x-x_{text {center }}right)+y_{text {center }}}]
[y=-frac{b}{a} cdot sqrt{a^{2}-left(x-x_{text {center }}right)+y_{text {center }}}]
Пример
Необходимо составить уравнение касательной к эллипсу [frac{(x-3)^2}{4}+frac{(y-5)^2}{25}=1]. При этом
значение точки x будет равняться двум.
Порядок решения задачи:
Нужно определить точки касания, которые приближены к значению равным двум.
В уравнение подставляем данные.
[left|left(frac{(x-3)^{2}}{4}right)right|_{x=2}+frac{(y-5)^{2}}{25}=1]
[frac{1}{4}+frac{(y-5)^{2}}{25}=1 Rightarrow(y-5)^{2}=frac{3}{4} cdot 25 Rightarrow y=pm frac{5
sqrt{3}}{2}+5]
Точки касания, принадлежащие верхнему и нижнему полуэллипсу:
[left(2 ; frac{5 sqrt{3}}{2}+5right) и left(2 ;-frac{5 sqrt{3}}{2}+5right)].
Составим уравнение эллипса для координатной оси Oy.
[frac{(x-3)^{2}}{4}+frac{(y-5)^{2}}{25}=1];
[frac{(y-5)^{2}}{25}=1-frac{(x-3)^{2}}{4}];
[(y-5)^{2}=25 cdotleft(1-frac{(x-3)^{2}}{4}right)];
[y-5=pm 5 cdot sqrt{1-frac{(x-3)^{2}}{4}};]
[y=5 pm frac{5}{2} sqrt{4-(x-3)^{2}}];
Функция верхнего полуэллипса будет задаваться следующим видом:
[y=5+frac{5}{2} sqrt{4-(x-3)^{2}}];
Нижний полуэллипс можно записать как:
[y=5-frac{5}{2} sqrt{4-(x-3)^{2}}].
Для того чтобы составить уравнение касательной в точке, нужно применить стандартный алгоритм решения.
Для первой касательной в точке [left(2 ; frac{5 sqrt{3}}{2}+5right)] уравнение будет выглядеть
следующим образом:
[y^{prime}=left(5+frac{5}{2} sqrt{4-(x-3)^{2}}right)^{prime}=frac{5}{2} cdot frac{1}{2
sqrt{4-(x-3)^{2}}} cdotleft(4-(x-3)^{2}right)^{prime}=\=-frac{5}{2} cdot
frac{x-3}{sqrt{4-(x-3)^{2}}} Rightarrow y^{prime}left(x_{0}right)=y^{prime}(2)=-frac{5}{2} cdot
frac{2-3}{sqrt{4-(2-3)^{2}}}=frac{5}{2 sqrt{3}} Rightarrow\y=y^{prime}left(x_{0}right)
cdotleft(x-x_{0}right)+y_{0} Rightarrow y=frac{5}{2 sqrt{3}}(x-2)+frac{5}{2 sqrt{3}}+5]
Для второй касательной с точкой функция будет иметь следующий вид:
[y^{prime}=left(5-frac{5}{2} sqrt{4-(x-3)^{2}}right)^{prime}=-frac{5}{2} cdot frac{1}{2
sqrt{4-(x-3)^{2}}} cdotleft(4-(x-3)^{2}right)^{prime}=\=frac{5}{2} cdot
frac{x-3}{sqrt{4-(x-3)^{2}}} Rightarrow y^{prime}left(x_{0}right)=y^{prime}(2)=-frac{5}{2} cdot
frac{2-3}{sqrt{4-(2-3)^{2}}}=-frac{5}{2 sqrt{3}} Rightarrow\y=y^{prime}left(x_{0}right) cdotleft(x-x_{0}right)+y_{0} Rightarrow y=-frac{5}{2 sqrt{3}}(x-2)-frac{5}{2 sqrt{3}}+5]
Касательная к гиперболе. Основные функции
Чтобы составить уравнение касательной к геометрической фигуре гипербола, нужно применять основной алгоритм решения задач подобного типа.
Для гиперболы будет характерно следующее неравенство:
[frac{left(x-x_{text {center }}right)^2}{a^{2}}+frac{left(y-y_{text {center }}right)^2}{b^{2}}=1]
При этом должны выполняться следующие условия:
- центр в точке xcenter;ycente
- вершины точки (xcenter+ [a]; ycenter) и (xcenter-[a]; ycenter)
Если вершины имеют значения: (xcenter;ycenter+b) и (xcenter;ycenter-b), то функция задается следующим образом: [frac{left(x-x_{text {center }}right) 2}{a^{2}}+frac{left(y-y_{text {center }}right) ^2}{b^{2}}=-1].
Гиперболу можно определить, используя две пары уравнений, которые записываются в следующем виде:
[y=frac{b}{a} cdot sqrt{left(x-x_{text {center }}right)^2}-a^{2}+y_{text {center }}]
[y=-frac{b}{a} cdot sqrt{left(x-x_{text {center }}right)^2}-a^{2}+y_{text {center }}]
или
[y=frac{b}{a} cdot sqrt{left(x-x_{text {center }}right) ^2+a^{2}}+y_{text {center }}]
[y=-frac{b}{a} cdot sqrt{left(x-x_{text {center }}right)^2}+a^{2}+y_{text {center }}]
Для первых уравнение характерно параллельное расположение касательной относительно оси Oy. Соответственно для второй пары уравнений: параллельное расположение относительно оси Ox.
Пример
Составим уравнение касательной к гиперболе следующего вида: [frac{(x-3)^{2}}{4}-frac{(x+3)^{2}}{9}], в
характерных точках [(7 ;-3 sqrt{3}-3)].
Преобразование заданное уравнение при помощи двух функций.
[frac{(x-3)^{2}}{4}-frac{(x+3)^{2}}{9}=1 Rightarrow frac{(x+3)^{2}}{9}=frac{(x-3)^{2}}{4}-1
Rightarrow(y-3)^{2}=\9 cdotleft(frac{(x-3)^{2}}{4}-1right) Rightarrow y+3=frac{3}{2} cdot sqrt{(x-3)^{2}-4}] или [y+3=-frac{3}{2}]
[sqrt{(x-3)^{2}-4} Rightarrow\y=frac{3}{2} cdot sqrt{(x-3)^{2}-4}-3\y=-frac{3}{2} cdot sqrt{(x-3)^{2}-4}-3]
Далее нужно определить к какой из двух функций относится точка с координатами: [(7 ;-3 sqrt{3}-3)].
Проверим первую функцию [y(7)=frac{3}{2} cdot sqrt{(7-3)^{2}-4}-3=3 sqrt{3}-3 neq-3 sqrt{3}-3], из уравнения следует, что заданная точка не принадлежит графику, потому что равенство не выполняется.
Следовательно, нужно определить угловой коэффициент:
[y^{prime}=left(-frac{3}{2} cdot sqrt{(x-3)^{2}-4}-3right)^{prime}=-frac{3}{2} cdot frac{x-3}{sqrt{(x-3)^{2}-4}} Rightarrow\k_{x}=y^{prime}left(x_{0}right)=left(-frac{3}{2} cdot frac{x_{0}-3}{sqrt{left(x_{0}-3right)^{2}-4}}right)=-frac{3}{2} cdot frac{7-3}{sqrt{(7-3)^{2}-4}}=-sqrt{3}]
Ответ: уравнение касательной записывается следующим образом: [y=-sqrt{3} cdot(x-7)-3 sqrt{3}-3=-sqrt{3} cdot x+4 sqrt{3}-3]
Касательная к параболе. Основные правила решения
Используя стандартный алгоритм решения, можно составить уравнение касательной к параболе [y=a x^{2}+b x+c] в точках [left(x_{0}, yleft(x_{0}right)right)]. Данное уравнение после преобразования будет иметь следующий вид:
[y=y^{prime}left(x_{0}right) cdotleft(x-x_{0}right)+yleft(x_{0}right)].
Необходимо задать параболу [x=a y^{2}+b y+c] как общая функция двух уравнений. Затем решить уравнение относительно оси Oy.
[x=a y^{2}+b y+c Rightarrow a y^{2}+b y+1-x=0;\D=b^{2}-4 a(c-x)\y=frac{-b+sqrt{b^{2} 4 a(c-x)}}{2 a};\y=frac{-b-sqrt{b^{2} 4 a(c-x)}}{2 a}.]
Чтобы определить принадлежность заданных точек [left(x_{0}, yleft(x_{0}right)right)], необходимо руководствоваться стандартным решением согласно алгоритма. Данная касательная будет иметь параллельное расположение относительно параболы.
Пример
Необходимо составить уравнение к графику касательной: [x-2 y^{2}-5 y+3] при угле наклона равным [150^{circ}]
Для решения будем применять стандартный алгоритм решения задач.
Для начала данную параболу нужно расписать и составить две функции, следующего вида:
[-2 y^{2}+5 y+3-x=0;\D=(-5)^{2}-4 cdot(-2) cdot(3-x)=49-8 x;\y=frac{5+sqrt{49-8 x}}{-4};\y=frac{5-sqrt{49-8 x}}{-4}.]
Значение углового коэффициента будет равняться значению производной в конкретной точке [x_{0}] для этой функции. И будет равен значению тангенса угла наклона.
[k_{x}=y^{prime}left(x_{0}right)=operatorname{tg} alpha_{x}=operatorname{tg} 150^{circ}=-frac{1}{sqrt{3}}];
Из уравнения сможем определить значение x для всех точек касания.
Функции будут записываться следующим образом:
[y^{prime}=left(frac{5+sqrt{49-8 x}}{-4}right)^{prime}=frac{1}{sqrt{49-8 x}} Rightarrow y^{prime}left(x_{0}right)=\frac{1}{sqrt{49-8 x_{0}}}=-frac{1}{sqrt{3}} Leftrightarrow sqrt{49-8 x_{0}}=-sqrt{3}]
В данном уравнении действительных корней нет. Так как ответ получился отрицательный.
Отсюда делаем вывод, что касательной линии с углом равным [150^{circ}] для функции такого вида не существует.
Функция второго вида:
[y^{prime}=left(frac{5-sqrt{49-8 x}}{-4}right)^{prime}=-frac{1}{sqrt{49-8 x}} Rightarrow y^{prime}left(x_{0}right)=-frac{1}{sqrt{49-8 x_{0}}}=\-frac{1}{sqrt{3}} Leftrightarrow sqrt{49-8 x_{0}}=-sqrt{3}\x_{0}=frac{23}{4} Rightarrow yleft(x_{0}right)=frac{5-sqrt{49-8 cdot frac{23}{4}}}{-4}=frac{-5+sqrt{3}}{4}]
Точки касания: [left(frac{23}{4} ; frac{-5+sqrt{3}}{4}right)].
Ответ: уравнение касательной имеет вид: [y=-frac{1}{sqrt{3}} cdotleft(x-frac{23}{4}right)+frac{-5+sqrt{3}}{4}].
Cправочник репетитора по математике предназначен для учащихся 5-11 классов и для преподавателей математики. Последние найдут в нем несколько оригинальных подходов к подаче и оформлению теоретических конспектов, упрощающих работу школьников с математическими понятиями и законами.
Касательная к графику функции.
Школьное определение касaтельной: прямая y=f (x) называется касательной к графику функции f (x) в точке 
если она проходит через точку 
и имеет угловой коэффициент 
.
Строгое определение касательной (из курса математического анализа) : прямая 
называется касательной к графику функции 
в точке , если при 
разность 
есть бесконечно малая величина, более высокого порядка малости чем 
Иллюстрация касательной m к графику функции 
в точке 
:
Геометрический смысл производной: Значение производной функции в точке равнo угловому коэффициенту касательной, проведенной к в точке , то есть 
, где k — угловой коэффициент касательной.
Комментарий репетитора по математике: угол наклона касательной определяется как направленный положительный угол, то есть тот самый угол, который вы привыкли откладывать на тригонометрическом круге от положительного направления оси OX против часовой стрелки. Поэтому, если если касательная отклонена влево от вертикального положения, ваш угол наклона окажется тупым, то есть принадлежащим промежутку ![[0;pi]](https://ankolpakov.ru/wp-content/plugins/easy-latex2/cache/tex_81caf8e5ffcc03c07b3aa0041092b867.png "[0;pi]")
. Так как тангенс любого такого угла (угла второй четверти) отрицательный, то отрицательной окажется и производная.
Общая форма уравнения касательной: 
Окончательная форма уравнения касательной :
Полезные факты для решения задач на касательную:
1) две наклонный прямые параллельны, тогда и только тогда, когда их угловые коэффициенты равны.
2) две наклонный прямые перпендикулярны тогда и только тогда, когда произведение их угловых коэффициентов равно -1.
Как найти угол наклона касательной по ее угловому коэффициенту:
Если 
, то 
Если 
, то 
Достаточный признак возрастания функции: если все значения производной некоторой функции положительны внутри промежутка, то функция внутри него строго возрастает.
Замечание репетитора по математике: если концы промежутка являются точками непрерывности функции (один или оба), то их можно присоденить к указанному промежутку возрастания.
Достаточный признак убывания функции: если все значения производной некоторой функции отрицательны внутри промежутка, то функция внутри него строго убывает.
Замечание репетитора по математике: если функция непрерывна на концах промежутка (на одном или на обоих), то эти концы можно присоединить к указанному промежутку убывания.
Блиц вопросы к репетитору:
Что такое критическая точка? Внутренняя точка области определения функции называется критической, если производная в этой точке либо не сущуствует, либо она равна нулю.
Что такое стационарная точка: Если у критической точки производная равна нулю — она называется стационарной точной.
Экстремумы
Минимум функции.
Определение: Точка называется точкой минимума функции , если в некотором промежутке I оси ОХ, содержащем для всех точек 
выполняется неравенство 
. В этом случае число 
называется минимумом функции в точке (или локальным минимумом).
Фрагмент графика функции, имеющей точку минимума:
Комментарий репетитора по математики к рисунку: знаки — и + на оси OХ показывают на отрицательные/положитлеьные значения производной в левой/правой окрестности точки . Стрелки указывают на возрастание и убывание функции в этих крестностях. Я советую репетиторам математики включать в теоретические памятки для учеником именно такую (интегрированную) иллюстрацию минимума.
Максимум функции.
Определение:Точка называется точкой максимума функции , если в некотором промежутке I оси ОХ, содержащем для всех точек выполняется неравенство 
. В этом случае число называется максимумом функции в точке (или локальным максимумом).
Фрагмент графика функции, имеющей точку максимума:
Комментарий репетитора по математике: все обозначения и опорные знаки для подачи материала преподавателем аналогичны случаю с минимумом.
Экстремум — общее название минимума и максимума. Точка экстремума — общее название для точки минимума и точки максимума. На всех рисунках — экстремум, а — точка экстремума.
Необходимое условие существования экстремума: если — точка экстремума и в этой точке существует производная, то она равна нулю, то есть 
. В этом случае касательная, проведенная к графику функции будет параллельна оси ОХ.
Достаточное условие существования экстремума: если функция y=f (x) непрерывна в точке и при переходе через производная меняет знак , то — точка экстремума.
Признак минимума функции: если функция y=f (x) непрерывна в точке и производная меняет знак с минуса на плюс, то — точка минимума.
Признак максимума функции: если функция y=f (x) непрерывна в точке и производная меняет знак с плюса на минус , то — точка максимума.
Алгоритм нахождения наибольшего и наименьшего значения функции y=f (x) на отрезке [a;b], на которм она непрерывна
1) Найдите производную 
от данной функции
2) Найдите стационарные точки, решив уравнение 
2*) В редких случаях функция может иметь точки, в которых производной не существует. Их тоже нужно выявить.
3) Выберите из всех найденных точек те, которые попадают в исследуемый отрезок
4) Найдите значения данной функции в выбранных точках
5) Выберите среди них наименьшее и наибольшее
План исследования функции с применением производной. Построение графика.
1) Найдите производную 
2) Разложите ее на множители (если это возможно) или приведите все ее дроби к общему знаменателю, а затем разложите числитель. Тем самым вы ее готовите к дальнейшему исследованию методом интервалов
2) Определите у функции критические и стационарные точки, приравнивая числитель и знаменатель ее производной к нулю
2*) Точки, в которых производной не существует (обычно это нули знаменателя) отесите в группу тех, в которых функция будет иметь вертикальные асимптоты
3) Отметьте все найденные точки на оси Х и раставьте методом интервалов на образовавшихся промежутках знаки производной
4) Определите промежутки монотонности (промежутки возрастания и убывания) и над каждым из них поставьте соответствующую стрелку в соответствии с видом этой монотонности
5) Определите через признак минимума и максимума (или по характеру расположения стрелок) соответствующие точки экстремумов и найдите значения функции в этих точках
6) Нанесите их на координатной плоскости и также по характеру стрелок проведите через эти точки график.
Замечание репетитора по математике: аккуратнее выполняйте рисунок вблизи асимптот. График функции не должен их пересекать и обрываться рядом с ними. Плавно приближайте его к асимтоте пока на это хватает выделенного пространства системы координат.
Удачи в изучении математики!
Колпаков Александр Николаевич, репетитор по математике, Москва, Строгино.
Виртуальный математический справочник профессионального репетитора — преподавателя.
п.1. Уравнение касательной
Рассмотрим кривую (y=f(x)).
Выберем на ней точку A с координатами ((x_0,y_0)), проведем касательную AB в этой точке.
Как было показано в §42 данного справочника, угловой коэффициент касательной равен производной от функции f в точке (x_0): $$ k=f'(x_0) $$ Уравнение прямой AB, проведенной через две точки: ((y_B-y_A)=k(x_B-x_A)).
Для (A(x_0,y_0), B(x,y)) получаем: begin{gather*} (y-y_0)=k(x-x_0)\ y=k(x-x_0)+y_0\ y=f'(x_0)(x-x_0)+f(x_0) end{gather*}
Уравнение касательной к кривой (y=f(x)) в точке (x_0) имеет вид: $$ y=f'(x_0)(x-x_0)+f(x_0) $$ при условии, что производная (f'(x_0)=aneinfty) — существует и конечна.
Чтобы записать уравнение касательной с угловым коэффициентом в виде (y=kx+b), нужно раскрыть скобки и привести подобные: $$ y=f'(x_0)(x-x_0)+f(x_0)=underbrace{f'(x_0)}_{=k}x+underbrace{f(x_0)-f'(x_0)cdot x_0}_{=b} $$
Уравнение касательной с угловым коэффициентом: begin{gather*} y=kx+b\ k=f'(x_0), b=f(x_0)-f'(x_0)cdot x_0 end{gather*}
п.2. Алгоритм построения касательной
На входе: уравнение кривой (y=f(x)), абсцисса точки касания (x_0).
Шаг 1. Найти значение функции в точке касания (f(x_0))
Шаг 2. Найти общее уравнение производной (f’ (x))
Шаг 3. Найти значение производной в точке касания (f'(x_0 ))
Шаг 4. Записать уравнение касательной (y=f’ (x_0)(x-x_0)+f(x_0)), привести его к виду (y=kx+b)
На выходе: уравнение касательной в виде (y=kx+b)
Например:
 |
Пусть (f(x)=x^2+3). Найдем касательную к этой параболе в точке (x_0=1). (f(x_0)=1^2+3=4 ) |
п.3. Вертикальная касательная
В случае, если производная (f'(x_0)=pminfty) — существует, но бесконечна, в точке (x_0) проходит вертикальная касательная (x=x_0).
Внимание!
Не путайте вертикальные касательные с вертикальными асимптотами.
Вертикальная асимптота проходит через точку разрыва 2-го рода (x_0notin D), в которой функция не определена и производная не существует. График функции приближается к асимптоте на бесконечности, но у них никогда не бывает общих точек.
А вертикальная касательная проходит через точку (x_0in D), входящую в область определения. График функции и касательная имеют одну общую точку ((x_0,y_0)).
Вертикальные касательные характерны для радикалов вида (y=sqrt[n]{x}).
Например:
 |
Пусть (f(x)=sqrt[5]{x-1}+1). Найдем касательную к этой кривой в точке (x_0=1). (f(x_0)=sqrt[5]{1-1}+1=1) |
п.4. Примеры
Пример 1. Для функции (f(x)=2x^2+4x)
a) напишите уравнения касательных, проведенных к графику функции в точках его пересечения с осью OX.
 |
Находим точки пересечения, решаем уравнение: $$ 2x^2+4x=0Rightarrow 2x(x+2)=0Rightarrow left[ begin{array}{l} x=0\ x=-2 end{array} right. $$ Две точки на оси: (0;0) и (-2;0). Касательная в точке (x_0=0): begin{gather*} f(x_0)=0, f'(x)=4x+4\ f'(x_0)=4cdot 0+4=4\ y=4(x-0)+0=4x end{gather*} Касательная в точке (x_0=-2): begin{gather*} f(x_0)=0, f'(x)=4x+4\ f'(x_0)=4cdot (-2)+4=-4\ y=-4(x+2)+0=-4x-8 end{gather*} |
б) Найдите, в какой точке касательная образует с положительным направлением оси OX угол 45°. Напишите уравнение этой касательной.
 |
Общее уравнение касательной: (f'(x)=4x+4) По условию (f'(x_0)=tgalpha=tg45^circ=1) Решаем уравнение: $$ 4x_0+4=1Rightarrow 4x_0=-3Rightarrow x_0=-frac34 $$ Точка касания (x_0=-frac34) begin{gather*} f(x_0)=2cdotleft(-frac34right)^2+4cdotleft(-frac34right)=frac98-3=-frac{15}{8} end{gather*} Уравнение касательной: begin{gather*} y=1cdotleft(x+frac34right)-frac{15}{8}=x-frac98 end{gather*} |
в) найдите, в какой точке касательная будет параллельна прямой (2x+y-6=0). Напишите уравнение этой касательной.
 |
Найдем угловой коэффициент заданной прямой: (y=-2x+6Rightarrow k=-2). Касательная должна быть параллельной, значит, её угловой коэффициент тоже (k=-2). Получаем уравнение: begin{gather*} f'(x_0)=-2\ 4x_0+4=-2Rightarrow 4x_0=-6Rightarrow x_0=-frac32 end{gather*} Точка касания (x_0=-frac32) begin{gather*} f(x_0)=2cdotleft(-frac32right)^2+4cdotleft(-frac32right)=\ =frac92-6=-frac32 end{gather*} Уравнение касательной: begin{gather*} y=-2cdotleft(x+frac32right)-frac32=-2x-frac92 end{gather*} Или, в каноническом виде: begin{gather*} 2x+y+frac92=0 end{gather*} |
г) в какой точке функции можно провести горизонтальную касательную? Напишите уравнение этой касательной.
 |
У горизонтальной прямой (k=0). Получаем уравнение: (f'(x_0)=0). begin{gather*} 4x_0+4=0Rightarrow 4x_0=-4Rightarrow x_0=-1 end{gather*} Точка касания (x_0=-1) begin{gather*} f(x_0)=2cdot(-1)^2+4cdot(-1)=-2 end{gather*} Уравнение касательной: begin{gather*} y=0cdot(x+1)-2=-2 end{gather*} |
Ответ: а) (y=4x) и (y=-4x-8); б) (y=x-frac98); в) (2x+y+frac92=0); г) (y=-2)
Пример 2. Напишите уравнение касательной к графику функции в заданной точке:
a) ( f(x)=frac5x+frac x5, x_0=4 ) begin{gather*} f(x_0)=frac54+frac45=frac{25+16}{20}=frac{41}{20}\ f'(x)=left(frac5xright)’+left(frac x5right)’=-frac{5}{x^2}+frac15=frac{-25+x^2}{5x^2}=frac{x^2-25}{5x^2}\ f'(x_0)=frac{4^2-25}{5cdot 4^2}=-frac{9}{80} end{gather*} Уравнение касательной: $$ y=-frac{9}{80}(x-4)+frac{41}{20}=-frac{9}{80}x+frac{9}{20}+frac{41}{20}=-frac{9}{80}x+2,5 $$
б) ( f(x)=frac{x^2+5}{3-x}, x_0=2 ) begin{gather*} f(x_0)=frac{2^2+5}{3-2}=frac91=9\ f'(x)=frac{(x^2+5)'(3-x)-(x^2+5)(3-x)’}{(3-x)^2}=frac{2x(3-x)+(x^2+5)}{(3-x)^2}=\ =frac{6x-2x^2+x^2+5}{(3-x)^2}=frac{-x^2+6x+5}{(3-x)^2}\ f'(x_0)=frac{-2^2+6cdot 2+5}{(3-2)^2}=13 end{gather*} Уравнение касательной: $$ y=13(x-2)+9=13x-26+9=13x-17 $$
Пример 3*. Найдите точку, в которой касательная к графику функции (f(x)=frac{x^2+2}{x+3}-x) перпендикулярна прямой (y=11x+3). Напишите уравнение этой касательной.
Угловой коэффициент данной прямой (k_1=11).
Угловой коэффициент перпендикулярной прямой (k_2=-frac{1}{k_1}=-frac{1}{11}) begin{gather*} f'(x)=left(frac{x^2+2}{x+3}right)’-x’=frac{2x(x+3)-(x^2+2)cdot 1}{(x+3)^2}-1=frac{2x^2+6x-x^2-2-(x+3)^2}{(x+3)^2}=\ =frac{x^2+6x-2-x^2-6x-9}{(x+3)^2}=- frac{11}{(x+3)^2} end{gather*} В точке касания: begin{gather*} f'(x_0)=k_2Rightarrow=-frac{11}{(x+3)^2}=-frac{1}{11}Rightarrow (x+3)^2=121Rightarrow (x+3)^2-11^2=0Rightarrow\ Rightarrow (x+14)(x+8)=0Rightarrow left[ begin{array}{l} x=-14\ x=8 end{array} right. end{gather*} 
Уравнение касательной при (x_0=-14) begin{gather*} f(x_0)=frac{(-14)^2+2}{-14+3}+14=frac{198}{-11}+14=-18+14=-4\ y=-frac{1}{11}(x+14)-4=-frac{x+58}{11} end{gather*} Уравнение касательной при (x_0=8) begin{gather*} f(x_0)=frac{8^2+2}{8+3}-8=frac{66}{11}-8=-2\ y=-frac{1}{11}(x-8)-2=-frac{x+14}{11} end{gather*}
Ответ: точка касания (-14;-4), уравнение (y=-frac{x+58}{11})
и точка касания (8;-2), уравнение (-frac{x+14}{11})
Пример 4*. Найдите уравнения общих касательных к параболам (y=x^2-5x+6) и (y=x^2+x+1). Укажите точки касания.
Найдем производные функций: begin{gather*} f_1′(x)=2x-5, f_2′(x)=2x+1 end{gather*} Пусть a – абсцисса точки касания для первой параболы, b — для второй.
Запишем уравнения касательных (g_1(x)) и (g_2(x)) через эти переменные. begin{gather*} g_1(x)=f_1′(a)(x-a)+f_1(a)=(2a-5)(x-a)+a^2-5a+6=\ =(2a-5)x-2a^2+5a+a^2-5a+6=(2a-5)x+(6-a^2)\ \ g_2(x)=f_2′(b)(x-b)+f_2(b)=(2b+1)(x-b)+b^2+b+1=\ =(2b+1)x-2b^2-b+b^2+b+1=(2b+1)x+(1-b^2) end{gather*} Для общей касательной должны быть равны угловые коэффициенты и свободные члены. Получаем систему уравнений: begin{gather*} begin{cases} 2a-5=2b+1\ 6-a^2=1-b^2 end{cases} Rightarrow begin{cases} 2(a-b)=6\ a^2-b^2=5 end{cases} Rightarrow begin{cases} a-b=3\ (a-b)(a+b)=5 end{cases} Rightarrow begin{cases} a-b=3\ a+b=frac53 end{cases} Rightarrow \ Rightarrow begin{cases} 2a=3+frac53\ 2b=frac53-3 end{cases} Rightarrow begin{cases} a=frac73\ b=-frac23 end{cases} end{gather*} Находим угловой коэффициент и свободный член из любого из двух уравнений касательных: $$ k=2a-5=2cdotfrac73-5=-frac13, b=6-a^2=6-frac{49}{9}=frac59 $$ Уравнение общей касательной: $$ y=-frac x3+frac59 $$ 
Точки касания: begin{gather*} a=frac73, f_1(a)=left(frac73right)^2-5cdotfrac73+6=frac{49}{9}-frac{35}{3}+6=frac{49-105+54}{9}=-frac29\ b=-frac23, f_2(b)=left(-frac23right)^2-frac23+1=frac49-frac23+1frac{4-6+9}{9}=frac79 end{gather*}
Ответ: касательная (y=-frac x3+frac59); точки касания (left(frac73;-frac29right)) и (left(-frac23;frac79right))
Пример 5*. Докажите, что кривая (y=x^4+3x^2+2x) не пересекается с прямой (y=2x-1), и найдите расстояние между их ближайшими точками.
Решим уравнение: (x^4+3x^2+2x=2x-1) begin{gather*} x^4+3x^2+1=0Rightarrow D=3^2-4=5Rightarrow x^2=frac{-3pmsqrt{5}}{2} end{gather*} Оба корня отрицательные, а квадрат не может быть отрицательным числом.
Значит, (xinvarnothing) — решений нет, кривая и прямая не пересекаются.
Что и требовалось доказать.
Чтобы найти расстояние, необходимо построить касательную к кривой с тем же угловым коэффициентом (k=2), то и y данной прямой. Тогда искомым расстоянием будет расстояние от точки касания до прямой (y=2x-1).
Строим уравнение касательной. По условию: (f'(x)=4x^3+6x+2=2) begin{gather*} 4x^3+6x=0Rightarrow 2x(2x^2+3)=0Rightarrow left[ begin{array}{l} x=0\ 2x^2+3=0 end{array} right. Rightarrow left[ begin{array}{l} x=0\ x^2=-frac32 end{array} right. Rightarrow left[ begin{array}{l} x=0\ xinvarnothing end{array} right. Rightarrow x=0 end{gather*} Точка касания (x_0=0, y_0=0^4+3cdot 0^2+2cdot 0=0).
Уравнение касательной: (y=2(x-0)+0=2x)
 |
Ищем расстояние между двумя параллельными прямыми: (y=2x) и (y=2x-1). Перпендикуляр из точки (0;0) на прямую (y=2x-1) имеет угловой коэффициент (k=-frac12), его уравнение: (y=-frac12 x+b). Т.к. точка (0;0) принадлежит этому перпендикуляру, он проходит через начало координат и (b=0). |
Уравнение перпендикуляра: (y=-frac x2).
Находим точку пересечения прямой (y=2x-1) и перпендикуляра (y=-frac x2): begin{gather*} 2x-1=-frac x2Rightarrow 2,5x=1Rightarrow x=0,4; y=-frac{0,4}{2}=-0,2 end{gather*} Точка пересечения A(0,4;-0,2).
Находим расстояние (OA=sqrt{0,4^2+(-0,2)^2}=0,2sqrt{2^2+1^2}=frac{sqrt{5}}{5})
Ответ: (frac{sqrt{5}}{5})
Как найти тангенс угла наклона касательной
Геометрический смысл производной первого порядка функции F(х) представляет собой касательную прямую к ее графику, проходящую через заданную точку кривой и совпадающую с ней в этой точке. Причем значение производной в данной точке х0 является угловым коэффициентом или иначе – тангенсом угла наклона касательной прямой k = tg a = F`(х0). Вычисление данного коэффициента – одна из наиболее распространенных задач теории функций.
Инструкция
Запишите заданную функцию F(x), например F(x) = (x³ + 15х +26). Если в задаче явно указана точка, через которую проводится касательная, например, ее координата х0 = -2, можно обойтись без построения графика функции и дополнительных прямых на декартовой системе ОХY. Найдите производную первого порядка от заданной функции F`(x). В рассматриваемом примере F`(x) = (3x² + 15). Подставьте заданное значение аргумента х0 в производную функции и вычислите ее значение: F`(-2) = (3(-2)² + 15) = 27. Таким образом, вы нашли tg a = 27.
При рассмотрении задачи, где требуется определить тангенс угла наклона касательной к графику функции в точке пересечения этого графика с осью абсцисс, вам понадобится сначала найти числовое значение координат точки пересечения функции с ОХ. Для наглядности лучше всего выполнить построение графика функции на двухмерной плоскости ОХY.
Задайте координатный ряд для абсцисс, например, от -5 до 5 с шагом 1. Подставляя в функцию значения х, вычислите соответствующие им ординаты у и отложите на координатной плоскости полученные точки (х, у). Соедините точки плавной линией. Вы увидите на выполненном графике место пересечения функцией оси абсцисс. Ордината функции в данной точке равна нулю. Найдите численное значение соответствующего ей аргумента. Для этого заданную функцию, например F(x) = (4x² — 16), приравняйте к нулю. Решите полученное уравнение с одной переменной и вычислите х: 4x² — 16 = 0, x² = 4, х = 2. Таким образом, согласно условию задачи, тангенс угла наклона касательной к графику функции необходимо найти в точке с координатой х0 = 2.
Аналогично описанному ранее способу определите производную функции: F`(x) = 8*x. Затем вычислите ее значение в точке с х0 = 2, что соответствует точке пересечения исходной функции с ОХ. Подставьте полученное значение в производную функции и вычислите тангенс угла наклона касательной: tg a = F`(2) = 16.
При нахождении углового коэффициента в точке пересечения графика функции с осью ординат (ОY) выполните аналогичные действия. Только координату искомой точки х0 сразу следует принять равной нулю.
Войти на сайт
или
Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.