| Korrutise reegel | |
|---|---|
| Jagatise reegel |
Õppetund
Teooria — Korrutise ja jagatise tuletis
Kui u ja v on kohal x diferentseeruvad, on nende korrutise tuletis u′v + uv′ ning jagatise tuletis (u′v − uv′)/v² kõikjal, kus v ≠ 0. Mõlemad reeglid saab kätte ühestainsast joonisest: ristkülikust laiusega u ja kõrgusega v, mis x-i kasvades suureneb.
Mida iga sümbol tähendab
u- ristküliku laius, muutuja x diferentseeruv funktsioon
v- selle kõrgus, teine samasugune funktsioon
h- x-i samm; Δu = u(x + h) − u(x) ja samamoodi Δv
Kust valem tuleb
- Ristkülik kasvab. Suurendame x-i sammu h võrra. Laiuseks saab u + Δu ja kõrguseks v + Δv ning uue ja vana pindala vahe jaguneb kolmeks osaks: riba paremas servas, riba ülaservas ja nurgatükk. Joonisel on need sinine, merevaigukollane ja karmiinpunane osa.
- Jagame h-ga ja laseme h-l kahaneda. Jagatis Δu/h läheneb väärtusele u′ ja Δv/h väärtusele v′, seega annavad kaks riba kokku u′v + uv′. Nurgatükk annab (Δu/h)·Δv ehk kiiruse ja muutuse korrutise. Muutus Δv läheneb 0-le, sest kohal x diferentseeruv funktsioon on seal ka pidev. Nii vajub nurgatüki joon teisel paneelil nulli, sellal kui ribad stabiliseeruvad, ja pealtnäha ahvatlev vastus u′v′ ongi see ainus osa, mis kaob.
- Jagatis korrutise kaudu. Olgu jagatis q = u/v, millest u = q·v. Tuleta see korrutis äsja leitud reegliga ning avalda q′. Miinusmärk on võrrandi teisele poole viidud ülemine riba qv′. See arutluskäik eeldab muidugi, et suurusel q üldse leidub tuletis, mida avaldada. See on olemas alati, kui v ≠ 0: Δq = (v·Δu − u·Δv)/(v(v + Δv)). Jagades selle läbi h-ga ning lastes h-l kahaneda, saame sama reegli, sest v + Δv läheneb v-le.
- Eeldab
- Joonis eeldab, et mõlemad küljed on positiivsed. Reeglid seda ei nõua: need kehtivad mis tahes kohal x diferentseeruvate funktsioonide u ja v korral, eeldusel et jagatises v(x) ≠ 0.
Ülesanded täielikult lahendatud
-
Kaks polünoomi ja puutuja kohal x = 2 4 sammu
Diferentseeri f(x) = (x² + 1)(3x − 2), kontrolli tulemust esmalt sulge avades ning leia puutuja kohal x = 2.
-
Määra kaks tegurit ja leia kummagi tuletis. Siin piisab täielikult astmereeglist:
-
Pane kokku u′v + uv′ ning koonda sarnased liikmed:
-
Ava esmalt sulud ja diferentseeri liikmeti. Saame tagasi sama polünoomi – see on reegli usaldusväärne kontroll:
-
Kohal x = 2 on kõvera väärtus 20 ja tõus 31, seega läbib puutuja punkti (2, 20) tõusuga 31:
Vastus
f′(x) = 9x² − 4x + 3 ning puutuja kohal x = 2 on y = 31x − 42. Lehel kuvatakse reegli tulemuseks kohal x = 2 arv 31: 16 parempoolsest ribast, u′v = 4 × 4, ja 15 ülemisest ribast, uv′ = 5 × 3.
-
-
Astme ja siinuse korrutis 3 sammu
Diferentseeri f(x) = x² sin x ning leia selle tõus kohal x = π/2.
Näita lahendust
-
Tegurid ja nende tuletised:
-
Pane avaldis kokku. Muutuja x saab tuua ühise tegurina sulgude ette – sellisele kujule tasubki see jätta:
-
Kohal π/2 on siinus 1 ja koosinus 0, mistõttu teine liige kaob ning alles jääb vaid u′v:
Vastus
f′(x) = 2x sin x + x² cos x ning f′(π/2) = π ≈ 3,1416. Ülemise riba uv′ näit on seal lehel 0. Kõrgus sin x on haripunktis kasvu peatanud ja kogu muutuse kiirus tuleneb laiusest.
-
-
Kus x·eˣ on tasane 4 sammu
Leia koht, kus funktsiooni f(x) = x eˣ graafikul on horisontaalne puutuja, ning tee kindlaks, kas tegemist on maksimumi või miinimumiga.
Näita lahendust
-
Tegurid ja nende tuletised. Funktsioon eˣ on iseenda tuletis:
-
Pane tuletis kokku ja too eˣ ühise tegurina välja. Eksamitöös oodatakse just tegurdatud kuju, sest korrutis võrdub nulliga vaid siis, kui mõni tema teguritest on null:
-
Kuna eˣ ei ole kunagi null, saab tõus kaduda vaid seal, kus sulu sisu on null:
-
Kontrolli märke kummalgi pool. Kohal −2 on tõus negatiivne ja kohal 0 positiivne, seega kõver esmalt langeb ja seejärel tõuseb:
Vastus
Miinimum punktis (−1, −1/e) ≈ (−1, −0,3679). Kohal x = −1 näitab leht reegli tulemuseks 0 kahest ribast, mis teineteist täpselt taandavad: 0,3679 ja −0,3679. Ristkülikut ei saa sinna joonistada, sest üks külg, u = −1, on negatiivne; reeglit ennast see ei sega.
-
-
Astme ja logaritmi korrutis 3 sammu
Diferentseeri f(x) = x³ ln x, kui x > 0, ja leia, kus see lakkab kahanemast.
Näita lahendust
-
Tegurid ja nende tuletised:
-
Paneme kokku. Teine liige lihtsustub: x³ · 1/x = x², misjärel on x² mõlemale ühine:
-
Kui x > 0, on x² positiivne, seega saab null olla üksnes sulg:
Vastus
f′(x) = x²(3 ln x + 1), mis on null kohal x = e^(−1/3) ≈ 0,7165. Sellest vasakul on sulg negatiivne ja f kahaneb; paremal f kasvab. Kohal x = 1 kuvab leht u′v = 0, sest ln 1 = 0, ning kogu muutumiskiirus 1 tuleb teisest ribast. Nihuta x väärtuselt 0,71 väärtusele 0,72 ja vaata, kuidas tulemus märki vahetab: väärtuselt −0,0138 väärtusele 0,0075.
-
-
Ruutjuure ja polünoomi korrutis 4 sammu
Diferentseeri f(x) = √x (x² − 4) ja esita vastus üheainsa murruna.
Näita lahendust
-
Kirjuta √x esmalt astmena; seejärel kehtib astme tuletamise reegel nagu ikka:
-
Paneme kokku:
-
Viime mõlemad liikmed ühise nimetaja 2√x alla. Kuna √x · √x = x, on teine liige 4x²/(2√x):
-
Kontroll kohal x = 4, kus √x = 2:
Vastus
f′(x) = (5x² − 4)/(2√x). Kohal x = 4 kuvab leht tulemuseks 19: 3 parempoolsest ja 16 ülemisest ribast.
-
-
eˣ sin x kaks korda tuletatuna 3 sammu
Leia f′(x) ja f″(x), kui f(x) = eˣ sin x.
Näita lahendust
-
Tegurid ja nende tuletised:
-
Paneme kokku ja toome eˣ sulgude ette:
-
Ka f′ on omakorda korrutis, eˣ korda (sin x + cos x), seega rakendame reeglit teist korda. Siinused koonduvad:
Vastus
f′(x) = eˣ(sin x + cos x) ning f″(x) = 2eˣ cos x. Kohal x = 0 kuvab leht f′ = 1, mis tuleb tervenisti ülemisest ribast: e⁰ cos 0. Teine tuletis jääb lehe tavapärasest ulatusest küll sammu võrra välja, kuid võid panna lehe seda arvutama: sisesta u = e^x ja v = sin(x) + cos(x) ning kohal 0 kuvab valem tulemuseks f″(0) = 2.
-
-
tan x jagatisena 3 sammu
Kirjuta tan x kujul sin x / cos x ning leia selle tuletis jagatise reegliga. Mis on tõus kohal x = π/4?
Näita lahendust
-
Lugeja, nimetaja ja nende tuletised:
-
Paneme kokku. Murru lugeja on cos²x + sin²x ehk 1:
-
Kohal π/4 on koosinus √2/2, seega selle ruut on pool:
Vastus
(tan x)′ = 1/cos²x = sec²x ning tõus kohal π/4 on 2. Lehel on u′v näit 0,5 ja uv′ näit −0,5. Reegli järgi lahutatakse teine liige, mistõttu lugejaks tuleb 1, mitte 0. Kuna cos²x ei ole kunagi suurem kui 1, pole tõus kuskil väiksem kui 1: tan x tõuseb oma määramispiirkonnas alati vähemalt sama järsult kui y = x.
-
-
Kus x/(x² + 1) pöördub 3 sammu
Leia funktsiooni f(x) = x/(x² + 1) statsionaarsed punktid ning otsusta, kumb neist on maksimum ja kumb miinimum.
Näita lahendust
-
Lugeja, nimetaja ja nende tuletised:
-
Paneme kokku ja lihtsustame lugejat:
-
Nimetaja (x² + 1)² on positiivne iga x korral, seega on tuletise f′ märk sama mis avaldisel 1 − x²: null kohal ±1, nende vahel positiivne ja väljaspool negatiivne.
Vastus
Maksimum f(1) = 1/2 ja miinimum f(−1) = −1/2. Kohal x = 1 on lehel nii u′v kui ka uv′ väärtuseks 2, mistõttu nende vahe ning ühtlasi tõus on 0.
-
-
Jaga esmalt läbi 3 sammu
Diferentseeri funktsiooni f(x) = (x³ − 2)/x² kahel viisil, jagatise reegliga ja esmalt läbi jagades, ning leia tõus kohal x = 1.
Näita lahendust
-
Jagatise reegliga, kus u = x³ − 2 ja v = x²:
-
Esmalt läbi jagades saab jagatise asemel kaks astet, millest kumbagi saab tuletada eraldi:
-
Mõlemad annavad sama tuletise ning kohal x = 1:
Vastus
f′(x) = 1 + 4/x³ ja f′(1) = 5. Kui nimetajas on vaid üks x-i aste, tasub lugeja iga liige sellega läbi jagada, sest siis pole jagatise reeglit vajagi. Leht rakendab alati reeglit: kohal x = 1 on seal u′v = 3 ja uv′ = −2, seega murru lugejaks tuleb 3 − (−2) = 5 ning nimetajaks v² = 1.
-
-
Risttahukas, mille kõik kolm serva muutuvad 4 sammu
Lisame ristkülikule sügavuse w = 3 − x, nii et risttahuka servadeks saavad x + 1, 2x + 1 ja 3 − x. Leia selle ruumala muutumiskiirus kohal x = 1 ning seejärel täpne ΔV/h sammu h korral. Vajuta nupule Näidisülesanne: kohal x = 1 annab rakendus (uv)′ = 7 ning sammul h = ½ on ΔA/h = 8.
Näita lahendust
-
Vaatleme risttahukat ristküliku uv ja sügavuse w korrutisena ning rakendame korrutise reeglit kaks korda. Sisemise korrutise on leht juba arvutanud:
-
Kontrollime tulemust protsentides. Servade suhteline muutus on 1 osa 2-st, 2 osa 3-st ja −1 osa 2-st ning korrutamisel kasvumäärad liituvad:
-
Nüüd arvutame täpse sammu. Lineaarsete servade tõttu on Δu = h, Δv = 2h ja Δw = −h ning lahtikorrutamisel jääb järele kolm kihti, kolm servatükki ja üks nurgakuup:
-
Jagame tulemuse h-ga läbi. Kihtidest saame tuletise; servadele ja kuubile jäävad h astmed, mis piirprotsessis hääbuvad:
Vastus
Täpselt V′(1) = 8 ja ΔV/h = 8 − 3h − 2h². Kolm kihti u′vw, uv′w ja uvw′ (väärtustega 6, 8 ja −6) jäävad piirväärtuses püsima; kolme servatükiga, kokku −3, tuleb kaasa h ning nurgakuubiga u′v′w′ = −2 tuleb kaasa h². Üheühikuline samm muudab ruumala 3 võrra, 12-lt 15-le, mis on kaugel 8-st: sammul h = 1 on servatükid ja kuup sama mõjukad kui mis tahes muu osa.
-
Lisaülesanded, ainult vastustega
-
Diferentseeri (2x + 1)(x² − 3).
Näita vastust
6x² + 2x − 6
-
Diferentseeri x³eˣ ning esita vastus tegurdatud kujul.
Näita vastust
x²eˣ(x + 3)
-
Diferentseeri (x + 1)/(x − 1).
Näita vastust
−2/(x − 1)², negatiivne kogu määramispiirkonnas
-
Leia, kus ln x / x on statsionaarne, ning funktsiooni väärtus selles punktis.
Näita vastust
f′(x) = (1 − ln x)/x², null kohal x = e, kus f = 1/e ≈ 0,3679
-
Diferentseeri sin x / x.
Näita vastust
(x cos x − sin x)/x²
-
Leia joone y = x/(x + 1) puutuja kohal x = 1.
Näita vastust
y′ = 1/(x + 1)², seega on tõus 1/4 ja puutuja võrrand y = x/4 + 1/4
Õpitee
Diferentseerimine: kuidas muutumiskiirused seostuvad
Allikad (2)
- Leibniz's guess that d(xy) is dx·dy, its apparent agreement with one example, and its refutation with x times x (“becomes 2βx, which is quite a different thing from” the product of the increments), in a manuscript dated 11 November 1675; and the later derivation d(xy) = (x + dx)(y + dy) − xy = x dy + y dx + dx dy with dx dy omitted as infinitely small: J. M. Child, The Early Mathematical Manuscripts of Leibniz, translated from the Latin texts published by Carl Immanuel Gerhardt, with critical and historical notes. Chicago and London: Open Court, 1920. Pp. 100–102 (manuscript dated 11 November 1675) and p. 143 (Elementa calculi novi, undated).
- The product rule (Theorem 3.5) and quotient rule (Theorem 3.6) as the page states them; the warning that the derivative of a product is not the product of the derivatives, with x² as the example (2x, not 1·1); the proof of the product rule from the limit definition, which uses the continuity of the second factor (the lesson's `assumes`): G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 1, OpenStax (2016), section 3.3, “Differentiation Rules”.