Как найти значение производной функции с касательной

Уравнение любой прямой в общем виде задается формулой:
$$y=kx+b;$$
Где (k) — это коэффициент наклона прямой, а (b) — свободный член.

Уравнение прямой в условии задачи выглядит так (y=-4). Сопоставьте это уравнение с общим видом прямой, и увидите, что у прямой из условия (k=0), а (b=-4).

Мы получили, что коэффициент наклона прямой из условия равен нулю! Значит у любой прямой, которая будет ей параллельна, коэффициент наклона тоже будет равен нулю. А раз коэффициент наклона ноль, то и производная тоже должна быть ноль.

Переформулируем условие задачи: необходимо найти на графике функции (f(x)) точки, в которых производная равна нулю.

Производная равна нулю в точках минимума и максимума: в «вершинах» и «впадинах». Нам остается только посчитать их количество на графике. Я их отметил красными точками:

Источник

Вы уже знаете, какую прямую называют касательной к окружности. А что понимают, например, под касательной к синусоиде? Прямая Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Пусть даны график функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения и на ней точка Касательная к графику функции и производная с примерами решения которая не является концом графика (рис. 60). Обозначим на данном графике по разные стороны от Касательная к графику функции и производная с примерами решения произвольные точки Касательная к графику функции и производная с примерами решения Прямые Касательная к графику функции и производная с примерами решения — секущие. Если же точки Касательная к графику функции и производная с примерами решения двигаясь по графику, приближать достаточно близко к Касательная к графику функции и производная с примерами решения как угодно близко будут приближаться к некоторой прямой Касательная к графику функции и производная с примерами решения Такую прямую Касательная к графику функции и производная с примерами решения (если она существует) называют касательной к графику функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Если график функции такой, как показано на рисунке 61, то при неограниченном приближении точек Касательная к графику функции и производная с примерами решения к точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения предельные положения секущих — прямые Касательная к графику функции и производная с примерами решения — не совпадут. Говорят, что в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения касательной к графику функции  не существует.

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

И если Касательная к графику функции и производная с примерами решения — крайняя точка графика, то касательной к нему в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения не существует.

Понятие касательной к графику часто используют для исследования функций. Рассмотрим этот вопрос сначала в общем виде.

Касательная — это прямая. Её уравнение имеет вид Касательная к графику функции и производная с примерами решения где Касательная к графику функции и производная с примерами решения — угловой коэффициент — тангенс угла между лучом касательной, расположенным выше оси Касательная к графику функции и производная с примерами решения и положительным направлением этой оси. Обратите внимание на угловой коэффициент Касательная к графику функции и производная с примерами решения касательной, проведённой к графику какой-либо функции в его точке с абсциссой Касательная к графику функции и производная с примерами решения Если число Касательная к графику функции и производная с примерами решения принадлежит промежутку возрастания функции, то соответствующее значение Касательная к графику функции и производная с примерами решения положительное (рис. 62). Если Касательная к графику функции и производная с примерами решения принадлежит промежутку убывания функции, то Касательная к графику функции и производная с примерами решения — отрицательное (рис. 63). И наоборот: если каждому значению Касательная к графику функции и производная с примерами решения из некоторого промежутка Касательная к графику функции и производная с примерами решения соответствует положительное значение Касательная к графику функции и производная с примерами решения то на Касательная к графику функции и производная с примерами решения данная функция возрастает; если каждому значению Касательная к графику функции и производная с примерами решения из некоторого промежутка Касательная к графику функции и производная с примерами решения соответствует отрицательное значение Касательная к графику функции и производная с примерами решения то на  функция убывает. Заслуживают внимания и те точки графика функции, в которых касательная не существует, и в которых она параллельна оси Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Итак, зная угловые коэффициенты касательных к графику функции в тех или иных точках, можно сделать вывод, возрастает данная функция в этих точках, или убывает.

Поскольку для исследования функций важно уметь определять угловой коэффициент касательной к её графику, то рассмотрим подробнее связь этого коэффициента с исследуемой функцией.

Пусть даны график функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения и на ней точку Касательная к графику функции и производная с примерами решения в которой существует касательная к графику (рис. 64). Если абсцисса точки Касательная к графику функции и производная с примерами решения равна Касательная к графику функции и производная с примерами решения то её ордината — Касательная к графику функции и производная с примерами решения Дадим значению аргумента Касательная к графику функции и производная с примерами решения приращение Касательная к графику функции и производная с примерами решения Тогда значению аргумента Касательная к графику функции и производная с примерами решения на графике функции соответствует точка Касательная к графику функции и производная с примерами решения с абсциссой Касательная к графику функции и производная с примерами решения и ординатой Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Через точки Касательная к графику функции и производная с примерами решения проведём прямые Касательная к графику функции и производная с примерами решения параллельные осям абсцисс и ординат. Они пересекутся в некоторой точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения Тогда Касательная к графику функции и производная с примерами решения — приращение аргумента, а Касательная к графику функции и производная с примерами решения — приращение функции на Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Угловой коэффициент секущей Касательная к графику функции и производная с примерами решения равен тангенсу угла Касательная к графику функции и производная с примерами решения т. е. отношению Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Если Касательная к графику функции и производная с примерами решения то секущая Касательная к графику функции и производная с примерами решения поворачиваясь вокруг точки Касательная к графику функции и производная с примерами решения приближается к касательной, проведённой в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения к графику данной функции. Итак, если Касательная к графику функции и производная с примерами решения — угловой коэффициент этой касательной и Касательная к графику функции и производная с примерами решения то

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Так определяется угловой коэффициент касательной к графику функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения в некоторой точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения если касательная в ней не параллельна оси Касательная к графику функции и производная с примерами решения Если касательная к графику функции в некоторой точке параллельна оси Касательная к графику функции и производная с примерами решения то угловой коэффициент этой касательной равен нулю.

К вычислению значения выражения Касательная к графику функции и производная с примерами решения  или Касательная к графику функции и производная с примерами решения приводит решение многих задач по механике, электричеству, биологии, экономике, статистике и т. д. Именно поэтому это выражение получило специальное название — производная.

Производной функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения называют предел отношения приращения функции в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения к приращению аргумента, если приращение аргумента стремится к нулю, а предел существует.

Производную функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения обозначают Касательная к графику функции и производная с примерами решения Её определение записывают также в виде равенства:

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Пример:

Найдите производную функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Решение:

Дадим аргументу Касательная к графику функции и производная с примерами решения приращение Касательная к графику функции и производная с примерами решения Соответствующее приращение функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Тогда Касательная к графику функции и производная с примерами решения Если Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Следовательно, Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Ответ. Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Так решают задачу, пользуясь определением производной функции в точке.

До сих пор речь шла о производной функции в точке. А можно рассматривать производную функции и как функцию. Пусть, например, дана функция Касательная к графику функции и производная с примерами решенияНайдём её производную в произвольной точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения Для этого дадим значению Касательная к графику функции и производная с примерами решенияприращение Касательная к графику функции и производная с примерами решения Соответствующее ему приращение функции

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Поэтому Касательная к графику функции и производная с примерами решения Если Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Имеем Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Следовательно, производная функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения в каждой её точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения равна Касательная к графику функции и производная с примерами решения Пишут: Касательная к графику функции и производная с примерами решения или, если Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Обратите внимание! Производная функции в точке — это число. Когда же говорят о производной, не указывая «в точке», подразумевают производную как функцию: производной функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения есть функция Касательная к графику функции и производная с примерами решения производной функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения есть функция Касательная к графику функции и производная с примерами решения и т. д.

Зная это, производную функции в точке можно вычислять проще, чем по определению производной функции в точке. Пример 2. Дана функция Касательная к графику функции и производная с примерами решенияНайдите Касательная к графику функции и производная с примерами решения Решение. Производной функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения является функция Касательная к графику функции и производная с примерами решения Поэтому Касательная к графику функции и производная с примерами решенияКасательная к графику функции и производная с примерами решения

 Нахождение производной называется дифференцированием.  Функция, которая имеет производную в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения называется дифференцируемой в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения Функция, дифференцируемая в каждой точке некоторого промежутка, называется дифференцируемой на этом промежутке.

Докажем, например, что линейная функция Касательная к графику функции и производная с примерами решения дифференцируема в каждой точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения Действительно, приращению Касательная к графику функции и производная с примерами решения её аргумента Касательная к графику функции и производная с примерами решения соответствует приращение функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения Поэтому Касательная к графику функции и производная с примерами решения и если Касательная к графику функции и производная с примерами решения А это и значит, что в каждой точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения функция Касательная к графику функции и производная с примерами решения имеет производную Касательная к графику функции и производная с примерами решения

 Пишут Касательная к графику функции и производная с примерами решения

 В частности: Касательная к графику функции и производная с примерами решения

 Производная постоянной равна нулю.

Из курса планиметрии известно, что уравнение прямой, проходящей через заданную точку Касательная к графику функции и производная с примерами решения имеет вид Касательная к графику функции и производная с примерами решения где Касательная к графику функции и производная с примерами решения — угловой коэффициент прямой.

Поскольку для касательной к графику функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения угловой коэффициент равен значению производной в точке касания Касательная к графику функции и производная с примерами решения то можем записать общий вид уравнения касательной, проведённой к графику функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения в точке касания Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

До сих пор речь шла о касательных к криволинейным графикам. Но графиком функции может быть и прямая или часть прямой. Поэтому для обобщения договариваются касательной к прямой в любой её точке считать эту самую прямую. Касательной к отрезку или лучу в любой его внутренней точке считают прямую, которой принадлежит этот отрезок или луч.

Выше было установлено, что производная линейной функции равна коэффициенту при переменной, т.е Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Полученный результат имеет очевидный геометрический смысл: касательная к прямой — графику функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения — есть эта самая прямая, её угловой коэффициент равен Касательная к графику функции и производная с примерами решения

  • Заказать решение задач по высшей математике

Пример:

Найдите угол, который образуете положительным направлением оси Касательная к графику функции и производная с примерами решениякасательная к графику функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Решение:

Определим сначала угловой коэффициент этой касательной по формуле Касательная к графику функции и производная с примерами решения — приращения функции и приращения аргумента соответственно.

Найдем приращение функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Найдём угловой коэффициент касательной:

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Поскольку Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Известно также, что Касательная к графику функции и производная с примерами решения поэтому Касательная к графику функции и производная с примерами решения отсюда Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Пример:

Докажите, что для функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения производной есть функция Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Решение:

 Касательная к графику функции и производная с примерами решенияКасательная к графику функции и производная с примерами решения Если Касательная к графику функции и производная с примерами решения А это и означает, что производной функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения является функция Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Пример:

Напишите уравнение касательной к графику функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения в его точке с абсциссой Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Решение:

Способ 1. Уравнение касательной имеет вид Касательная к графику функции и производная с примерами решения Угловой коэффициент Касательная к графику функции и производная с примерами решения равен значению производной функции Касательная к графику функции и производная с примерами решения в точке Касательная к графику функции и производная с примерами решения Значит, уравнение касательной Касательная к графику функции и производная с примерами решенияКоординаты точки касания Касательная к графику функции и производная с примерами решения Точка с такими координатами принадлежит касательной, поэтому Касательная к графику функции и производная с примерами решения отсюда Касательная к графику функции и производная с примерами решенияСледовательно, уравнение касательной имеет вид: Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Способ 2. Запишем общий вид уравнения касательной:

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Найдём Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

Подставим найденные значения в уравнение касательной:

Касательная к графику функции и производная с примерами решения

  • Предел и непрерывность функции
  • Свойства функций, непрерывных в точке и на промежутке
  • Предел функции на бесконечности
  • Применение производной к исследованию функции
  • Иррациональные неравенства
  • Производная в математике
  • Как найти производную функции
  • Асимптоты графика функции
Источник

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».

Источник

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.
Уравнение касательной
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:

Алгоритм построения касательной Пусть (f(x)=x^2+3).
Найдем касательную к этой параболе в точке (x_0=1).

(f(x_0)=1^2+3=4 )
(f'(x)=2x )
(f'(x_0)=2cdot 1=2)
Уравнение касательной: $$ y=2(x-1)+4=2x-2+4=2x+2 $$ Ответ: (y=2x+2)

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:

Вертикальная касательная 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)
(f'(x)=frac15(x-1)^{frac15-1}+0=frac15(x-1)^{-frac45}=frac{1}{5(x-1)^{frac45}} )
(f'(x_0)=frac{1}{5(1-1)^{frac45}}=frac10=+infty)
В точке (x_0) проходит вертикальная касательная.
Её уравнение: (x=1)
Ответ: (y=2x+2)

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.

Пример 1а 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.

Пример 1б 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.

Пример 1в 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.

Пример 1г 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*} Пример 3
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: $$ y=-frac x3+frac59 $$ Пример 4
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)

Пример 5 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})

Источник

15 марта 2011

В задаче 6 дается график функции или производной, по которому требуется определить одну из следующих величин:

  1. Значение производной в некоторой точке x0,
  2. Точки максимума или минимума (точки экстремума),
  3. Интервалы возрастания и убывания функции (интервалы монотонности).

Функции и производные, представленные в этой задаче, всегда непрерывны, что значительно упрощает решение. Не смотря на то, что задача относится к разделу математического анализа, она вполне по силам даже самым слабым ученикам, поскольку никаких глубоких теоретических познаний здесь не требуется.

Для нахождения значения производной, точек экстремума и интервалов монотонности существуют простые и универсальные алгоритмы — все они будут рассмотрены ниже.

Внимательно читайте условие задачи B9, чтобы не допускать глупых ошибок: иногда попадаются довольно объемные тексты, но важных условий, которые влияют на ход решения, там немного.

Вычисление значения производной. Метод двух точек

Если в задаче дан график функции f(x), касательная к этому графику в некоторой точке x0, и требуется найти значение производной в этой точке, применяется следующий алгоритм:

  1. Найти на графике касательной две «адекватные» точки: их координаты должны быть целочисленными. Обозначим эти точки A (x1; y1) и B (x2; y2). Правильно выписывайте координаты — это ключевой момент решения, и любая ошибка здесь приводит к неправильному ответу.
  2. Зная координаты, легко вычислить приращение аргумента Δx = x2 − x1 и приращение функции Δy = y2 − y1.
  3. Наконец, находим значение производной D = Δy/Δx. Иными словами, надо разделить приращение функции на приращение аргумента — и это будет ответ.

Еще раз отметим: точки A и B надо искать именно на касательной, а не на графике функции f(x), как это часто случается. Касательная обязательно будет содержать хотя бы две таких точки — иначе задача составлена некорректно.

Задача. На рисунке изображен график функции y = f(x) и касательная к нему в точке с абсциссой x0. Найдите значение производной функции f(x) в точке x0.

Нахождение производной по графику касательной - функция возрастает

Рассмотрим точки A (−3; 2) и B (−1; 6) и найдем приращения:
Δx = x2 − x1 = −1 − (−3) = 2; Δy = y2 − y1 = 6 − 2 = 4.

Найдем значение производной: D = Δy/Δx = 4/2 = 2.

Задача. На рисунке изображен график функции y = f(x) и касательная к нему в точке с абсциссой x0. Найдите значение производной функции f(x) в точке x0.

Нахождение производной по графику касательной - функция убывает

Рассмотрим точки A (0; 3) и B (3; 0), найдем приращения:
Δx = x2 − x1 = 3 − 0 = 3; Δy = y2 − y1 = 0 − 3 = −3.

Теперь находим значение производной: D = Δy/Δx = −3/3 = −1.

Задача. На рисунке изображен график функции y = f(x) и касательная к нему в точке с абсциссой x0. Найдите значение производной функции f(x) в точке x0.

Нахождение производной по графику касательной в точках экстремума

Рассмотрим точки A (0; 2) и B (5; 2) и найдем приращения:
Δx = x2 − x1 = 5 − 0 = 5; Δy = y2 − y1 = 2 − 2 = 0.

Осталось найти значение производной: D = Δy/Δx = 0/5 = 0.

Из последнего примера можно сформулировать правило: если касательная параллельна оси OX, производная функции в точке касания равна нулю. В этом случае даже не надо ничего считать — достаточно взглянуть на график.

Вычисление точек максимума и минимума

Иногда вместо графика функции в задаче B9 дается график производной и требуется найти точку максимума или минимума функции. При таком раскладе метод двух точек бесполезен, но существует другой, еще более простой алгоритм. Для начала определимся с терминологией:

  1. Точка x0 называется точкой максимума функции f(x), если в некоторой окрестности этой точки выполняется неравенство: f(x0) ≥ f(x).
  2. Точка x0 называется точкой минимума функции f(x), если в некоторой окрестности этой точки выполняется неравенство: f(x0) ≤ f(x).

Для того чтобы найти точки максимума и минимума по графику производной, достаточно выполнить следующие шаги:

  1. Перечертить график производной, убрав всю лишнюю информацию. Как показывает практика, лишние данные только мешают решению. Поэтому отмечаем на координатной оси нули производной — и все.
  2. Выяснить знаки производной на промежутках между нулями. Если для некоторой точки x0 известно, что f’(x0) ≠ 0, то возможны лишь два варианта: f’(x0) ≥ 0 или f’(x0) ≤ 0. Знак производной легко определить по исходному чертежу: если график производной лежит выше оси OX, значит f’(x) ≥ 0. И наоборот, если график производной проходит под осью OX, то f’(x) ≤ 0.
  3. Снова проверяем нули и знаки производной. Там, где знак меняется с минуса на плюс, находится точка минимума. И наоборот, если знак производной меняется с плюса на минус, это точка максимума. Отсчет всегда ведется слева направо.

Эта схема работает только для непрерывных функций — других в задаче B9 не встречается.

Задача. На рисунке изображен график производной функции f(x), определенной на отрезке [−5; 5]. Найдите точку минимума функции f(x) на этом отрезке.

Нахождение точки минимума по графику производной

Избавимся от лишней информации — оставим только границы [−5; 5] и нули производной x = −3 и x = 2,5. Также отметим знаки:

Нахождение точки минимума по графику производной - без лишней информации

Очевидно, в точке x = −3 знак производной меняется с минуса на плюс. Это и есть точка минимума.

Задача. На рисунке изображен график производной функции f(x), определенной на отрезке [−3; 7]. Найдите точку максимума функции f(x) на этом отрезке.

Нахождение точки максимума по графику производной

Перечертим график, оставив на координатной оси только границы [−3; 7] и нули производной x = −1,7 и x = 5. Отметим на полученном графике знаки производной. Имеем:

Нахождение точки максимума по графику производной - без лишней информации

Очевидно, в точке x = 5 знак производной меняется с плюса на минус — это точка максимума.

Задача. На рисунке изображен график производной функции f(x), определенной на отрезке [−6; 4]. Найдите количество точек максимума функции f(x), принадлежащих отрезку [−4; 3].

Подсчет точек максимума на графике производной

Из условия задачи следует, что достаточно рассмотреть только часть графика, ограниченную отрезком [−4; 3]. Поэтому строим новый график, на котором отмечаем только границы [−4; 3] и нули производной внутри него. А именно, точки x = −3,5 и x = 2. Получаем:

Подсчет точек максимума на графике производной - без лишней информации

На этом графике есть лишь одна точка максимума x = 2. Именно в ней знак производной меняется с плюса на минус.

Небольшое замечание по поводу точек с нецелочисленными координатами. Например, в последней задаче была рассмотрена точка x = −3,5, но с тем же успехом можно взять x = −3,4. Если задача составлена корректно, такие изменения не должны влиять на ответ, поскольку точки «без определенного места жительства» не принимают непосредственного участия в решении задачи. Разумеется, с целочисленными точками такой фокус не пройдет.

Нахождение интервалов возрастания и убывания функции

В такой задаче, подобно точкам максимума и минимума, предлагается по графику производной отыскать области, в которых сама функция возрастает или убывает. Для начала определим, что такое возрастание и убывание:

  1. Функция f(x) называется возрастающей на отрезке [a; b] если для любых двух точек x1 и x2 из этого отрезка верно утверждение: x1 ≤ x2 ⇒ f(x1) ≤ f(x2). Другими словами, чем больше значение аргумента, тем больше значение функции.
  2. Функция f(x) называется убывающей на отрезке [a; b] если для любых двух точек x1 и x2 из этого отрезка верно утверждение: x1 ≤ x2 ⇒ f(x1) ≥ f(x2). Т.е. большему значению аргумента соответствует меньшее значение функции.

Сформулируем достаточные условия возрастания и убывания:

  1. Для того чтобы непрерывная функция f(x) возрастала на отрезке [a; b], достаточно, чтобы ее производная внутри отрезка была положительна, т.е. f’(x) ≥ 0.
  2. Для того чтобы непрерывная функция f(x) убывала на отрезке [a; b], достаточно, чтобы ее производная внутри отрезка была отрицательна, т.е. f’(x) ≤ 0.

Примем эти утверждения без доказательств. Таким образом, получаем схему для нахождения интервалов возрастания и убывания, которая во многом похожа на алгоритм вычисления точек экстремума:

  1. Убрать всю лишнюю информацию. На исходном графике производной нас интересуют в первую очередь нули функции, поэтому оставим только их.
  2. Отметить знаки производной на интервалах между нулями. Там, где f’(x) ≥ 0, функция возрастает, а где f’(x) ≤ 0 — убывает. Если в задаче установлены ограничения на переменную x, дополнительно отмечаем их на новом графике.
  3. Теперь, когда нам известно поведение функции и ограничения, остается вычислить требуемую в задаче величину.

Задача. На рисунке изображен график производной функции f(x), определенной на отрезке [−3; 7,5]. Найдите промежутки убывания функции f(x). В ответе укажите сумму целых чисел, входящих в эти промежутки.

Нахождение интервалов убывания функции

Как обычно, перечертим график и отметим границы [−3; 7,5], а также нули производной x = −1,5 и x = 5,3. Затем отметим знаки производной. Имеем:

Нахождение интервалов убывания функции - без лишней информации

Поскольку на интервале (− 1,5) производная отрицательна, это и есть интервал убывания функции. Осталось просуммировать все целые числа, которые находятся внутри этого интервала:
−1 + 0 + 1 + 2 + 3 + 4 + 5 = 14.

Задача. На рисунке изображен график производной функции f(x), определенной на отрезке [−10; 4]. Найдите промежутки возрастания функции f(x). В ответе укажите длину наибольшего из них.

Нахождение интервалов возрастания функции

Избавимся от лишней информации. Оставим только границы [−10; 4] и нули производной, которых в этот раз оказалось четыре: x = −8, x = −6, x = −3 и x = 2. Отметим знаки производной и получим следующую картинку:

Нахождение интервалов возрастания функции - без лишней информации

Нас интересуют промежутки возрастания функции, т.е. такие, где f’(x) ≥ 0. На графике таких промежутков два: (−8; −6) и (−3; 2). Вычислим их длины:
l1 = − 6 − (−8) = 2;
l2 = 2 − (−3) = 5.

Поскольку требуется найти длину наибольшего из интервалов, в ответ записываем значение l2 = 5.

Смотрите также:

  1. ЕГЭ 2022, задание 6. Касательная к графику функции
  2. ЕГЭ 2022, задание 6. Касательная к графику функции
  3. Схема Бернулли. Примеры решения задач
  4. Решение задач B6: №362—377
  5. Четырехугольная пирамида: как найти координаты вершин
  6. Нестандартная задача B2: студенты, гонорары и налоги
Источник

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как исправить слово в статье
  • Как найти облачное хранилище в телефоне хуавей
  • Как найти сторону равностороннего треугольника через угол
  • Как найти точку симметричную относительно оси абсцисс
  • Как исправить отношения с начальником