Pochodne funkcji wymiernych - matura-rozszerzona - Baza Wiedzy

Wprowadznie do pochodnych

Badając funkcje matematycy uznali, że przydatne byłoby jakieś narzędzie umożliwiające sprawdzenie, jak szybko się ona zmienia. Wprowadzili więc "pochodną" - pewną wielkość przypisywaną każdemu punktowi funkcji i określającą szybkość jej zmiany.

Ścisle podchodząc do sprawy: pochodna to granica:

$$lim↙{△ x → 0} {f(x_0 + △ x) - f(△ x)}/{△ x}$$
którą zwykle zapisujemy symbolicznie jako:

$$lim↙{△ x → 0} {△ y}/{△ x} = {dy}/{dx} = f'(x)$$

Podchodząc do tego geometrycznie:

1

Jak widać, robimy coraz bliższe sieczne - jeśli przejdziemy przez granicę, zbiegają one po prostu do stycznej do wykresu. W ujęciu geometrycznym pochodną funkcji jest właśnie styczna do jej wykresu.
 

Pochodne funkcji wymiernych

Oczywiście obliczanie pochodnej każdej funkcji z definicji byłoby dość kłopotliwe. Tak jak przy okazji granic, tak tutaj też istnieją wzory określające pochodną sumy, różnicy, iloczynu i ilorazu, z których zwykle korzysta się przy obliczaniu pochodnych.

Pochodna sumy i różnicy jest po prostu sumą i różnicą pochodnych - nie ma w tym nic skomplikowanego. Trudniej zaczyna się robić, gdy mamy do czynienia z iloczynem albo ilorazem funkcji.

Suma: $$(f(x) + g(x))' = f'(x) + g'(x)$$

Różnica: $$(f(x) - g(x))' = f'(x) - g'(x)$$

Iloczyn: $$(f(x)×g(x))' = f'(x)×g(x) + g'(x)×f(x)$$

Iloraz: $$({f(x)}/{g(x)})' = {f'(x)×g(x) + g'(x)×f(x)}/{(g(x))^2}$$


Warto także znać wzór na pochodną funkcji złożonej: $$(f(g(x)))' = f'(g(x))g'(x)$$.

Oczywiście funkcja stała ma pochodną równą 0 - w ogóle nie rośnie.

Ponadto trzeba zapamiętać pochodną funkcji potęgowej:
$$(x^n)' = nx^{n-1}$$

Tylko to i powyższe cztery wzory pozwalają nam obliczyć pochodną dowolnej funkcji wymiernej.

Przykład: Obliczyć pochodną

$$f(x) = x^4 + 3x - 1$$

1) Jest to suma funkcji potęgowych, więc możemy skorzystać z tego, że pochodna sumy jest równa sumie pochodnych:
$$(x^4 + 3x - 1)' = (x^4)' + (3x)' - (1)'$$

2) Teraz pozostaje tylko obliczyć każdy ze składników korzystając ze wzoru na pochodną funkcji potęgowej:
$$f'(x) = 4x^3 + 12 - 0$$

Weźmy inną funkcję, tym razem bardziej skomplikowaną:
$$f(x) = {(x-1)(x-2)}/{x^2 - 1}$$

1) Na początek rozłóżmy mianownik na iloczyn ze wzoru skróconego mnożenia i skróćmy ułamek:
$$f(x) = {(x-1)(x-2)}/{(x-1)(x+1)}$$
$$f(x) = {x-2}/{x+1}$$

2) Dostaliśmy prostą funkcję wymierną: korzystając ze wzoru na pochodną ilorazu dostajemy:
$$f'(x) = {(x-2)'(x+1) + (x-2)(x+1)'}/{(x+1)^2}$$

3) Pochodną funkcji liniowej jest oczywiście 1, więc w wyniku dostajemy:
$$f'(x) = {x+1+x-2}/{(x+1)^2}$$
$$f'(x) = {2x-1}/{(x+1)^2}$$


Trzeci przykład - obliczanie pochodnej funkcji złożonej.

Weźmy funkcję $$f(x) = √{x^2 + x} = (x^2 + x)^{ {1}/{2} }$$.

Oznaczmy sobie $$g(x) = √{x} = x^{ {1}/{2} }$$ oraz $$h(x) = x^2 + x$$. Wtedy funkcja $$f(x)$$ jest po prostu złożeniem dwóch funkcji $$g(h(x))$$.

Jej pochodna jest w takim razie równa $$f'(x) = {1}/{2}(x^2+x)^{ {1}/{2}-1}×(x^2 + x)' = {1}/{2}(x^2+x)^{ -{1}/{2} }×(2x + 1)$$

Spis treści

Rozwiązane zadania
Cena brutto komputera jest równa cenie netto plus 23% podatku

 

Obliczamy cenę brutto komputera: 

 

 

Obliczamy, jaki procent ceny {premium}brutto stanowi podatek VAT: 

   

 

 

 

 

n - cena netto tego komputera

 

 

 

 

 

 

 

Obliczamy, ile procent ceny brutto stanowi cena netto

 

 

 

 

n - cena netto

b - cena brutto

 

 

 

 

 

 

 

 

Obliczamy cenę brutto komputera, gdyby jego cena netto została podniesiona o 100 zł (czyli gdyby cena netto wynosiła 2100+100=2200 zł)

Zostało to już obliczone w podpunkcie a) - cena brutto tego komputera wynosiłaby wtedy 2706 zł. 

Rzucamy raz sześcienną kostką

 

Jeśli wyrzucimy 1, to na kolejncyh pozycjach (nie licząc pierwszej) możemy uzyskać 2 wyniki - orzeł lub reszka. 

Jeśli wyrzucimy 2, to na kolejncyh pozycjach (nie licząc pierwszej) możemy uzyskać 4 wyniki - na każdym z dwóch miejsc możemy postawić orła lub reszkę (2∙2=4).

Jeśli wyrzucimy 3, to na kolejncyh pozycjach (nie licząc pierwszej) możemy uzyskać 8 wyników - na każdym z trzech miejsc możemy postawić orła lub reszkę (2∙2∙2=8).

Jeśli wyrzucimy 4, to na kolejncyh pozycjach (nie licząc pierwszej) możemy uzyskać 16 wyników - na każdym z czterech miejsc możemy postawić orła lub reszkę (2∙2∙2∙2=16).

Jeśli wyrzucimy 5, to na kolejncyh pozycjach (nie licząc pierwszej) możemy uzyskać 32 wyników - na każdym z pięciu miejsc możemy postawić orła lub reszkę (2∙2∙2∙2∙2=32).

Jeśli wyrzucimy 6, to na kolejncyh pozycjach (nie licząc pierwszej) możemy uzyskać 64 wyników - na każdym z sześciu miejsc możemy postawić orła lub reszkę (2∙2∙2∙2∙2∙2=64).

 

Liczba wszystkich możliwości jest więc równa:

 

 

 

 

Wyniki doświadczenia rozpoczynające się od liczby nieparzystej to:

Jeśli wyrzucimy 1, to na kolejncyh pozycjach (nie licząc pierwszej) możemy uzyskać 2 wyniki - orzeł lub reszka. 

Jeśli wyrzucimy 3, to na kolejncyh pozycjach (nie licząc pierwszej) możemy uzyskać 8 wyników - na każdym z trzech miejsc możemy postawić orła lub reszkę (2∙2∙2=8).

Jeśli wyrzucimy 5, to na kolejncyh pozycjach (nie licząc pierwszej) możemy uzyskać 32 wyników - na każdym z pięciu miejsc możemy postawić orła lub reszkę (2∙2∙2∙2∙2=32).

Ilość wyników nieparzystych:

 

 

Pozostałe wyniki rozpoczynają się więc od liczby parzystej, czyli ich ilość jest równa:

 

 

Wyników zaczynających się od liczby parzystej jest więc rzeczywiście 2 razy więcej niż tych zaczynających się od liczby nieparzystej:

 

 

Dla jakich wartości parametru k...

 

Zauważmy, że wraz ze wzrostem n-ów mianownik będzie rosnąc. Jeżeli w liczniku będzie liczba dodatnia to wartość wyrażenia będzie maleć. Zatem:

 

 

 

 

Zauważmy, że:

 

będzie maleć gdy k będzie dodatnie, gdyż wraz ze wzrostem n-ów wartość wyrażenia będzie maleć. A więc:

 

Sprawdź, czy wektory ...

Wektory u i v mają ten sam kierunek i zwrot gdy istnieje dodatnia liczba a taka, że u=av.

 

 

 

 

 

Wektory u i v mają wspólny kierunek, lecz przeciwny zwrot. {premium}

 

 

 

 

 

 

Wektory u i v mają wspólny kierunek i zwrot.

 

 

 

 

 

 

 

 

Takie a nie istnieje.

Wektory mają różne zwroty i kierunki.

 

       

  

 
 

 

  

 

 

Istnieje takie a, czyli wektory u i v mają zgodne zwroty i kierunki.  

Liczba r jest pierwiastkiem wielomianu W(x)...

 

Obliczamy:

 

Z twierdzenia Bezouta wiemy, że liczba  jest pierwiastkiem wielomianu  wtedy i tylko wtedy,

gdy  

Sprawdźmy, dla jakiego  tak jest.

 

 

 

 

Wówczas wielomian  ma postać:

 

Wiemy, że liczba  jest pierwiastkiem wielomianu  

Oznacza to, że wielomian  jest podzielny przez dwumian  

Wykonajmy dzielenie  algorytmem Hornera:

         
         
         

 

W wyniku dzielenia wielomianu  przez dwumian  

otrzymaliśmy iloraz  

Wielomian  możemy zapisać następująco:

 

{premium}

 

Szukamy teraz pierwiastków trójmianu  Jest to trójmian kwadratowy, więc obliczamy:

 

 

Odp. Pozostałe pierwiastki wielomianu  to:  


 

Obliczamy:

 

 

Z twierdzenia Bezouta wiemy, że liczba  jest pierwiastkiem wielomianu  wtedy i tylko wtedy,

gdy  

Sprawdźmy, dla jakiego  tak jest.

 

 

 

 

Wówczas wielomian  ma postać:

 

Wiemy, że liczba  jest pierwiastkiem wielomianu  

Oznacza to, że wielomian  jest podzielny przez dwumian  

Wykonajmy dzielenie  algorytmem Hornera:

          
         
         

 

W wyniku dzielenia wielomianu  przez dwumian  

otrzymaliśmy iloraz  

Wielomian  możemy zapisać następująco:

 

Niech  

 

Szukamy teraz pierwiastków trójmianu  Jest to trójmian kwadratowy, więc obliczamy:

 

 

Odp. Pozostałe pierwiastki wielomianu  to:  


 

Obliczamy:

 

Z twierdzenia Bezouta wiemy, że liczba  jest pierwiastkiem wielomianu  wtedy i tylko wtedy,

gdy  

Sprawdźmy, dla jakiego  tak jest.

 

 

 

 

 

Wówczas wielomian  ma postać:

 

Wiemy, że liczba  jest pierwiastkiem wielomianu  

Oznacza to, że wielomian  jest podzielny przez dwumian  

Wykonajmy dzielenie  algorytmem Hornera:

         
          
         

 

W wyniku dzielenia wielomianu  przez dwumian  

otrzymaliśmy iloraz  

Wielomian  możemy zapisać następująco:

 

 

Szukamy teraz pierwiastków trójmianu  Jest to trójmian kwadratowy, więc obliczamy:

 

 

Odp. Pozostałe pierwiastki wielomianu  to:  


 

Obliczamy:

 

Z twierdzenia Bezouta wiemy, że liczba  jest pierwiastkiem wielomianu  wtedy i tylko wtedy,

gdy  

Sprawdźmy, dla jakiego  tak jest.

 

 

 

 

 

Wówczas wielomian  ma postać:

 

Wiemy, że liczba  jest pierwiastkiem wielomianu  

Oznacza to, że wielomian  jest podzielny przez dwumian  

Wykonajmy dzielenie  algorytmem Hornera:

         
         
         

 

W wyniku dzielenia wielomianu  przez dwumian  

otrzymaliśmy iloraz  

Wielomian  możemy zapisać następująco:

 

Niech  

 

Szukamy teraz pierwiastków trójmianu  Jest to trójmian kwadratowy, więc obliczamy:

 

 

Odp. Pozostałe pierwiastki wielomianu  to:  

Wyznacz punkty

 

  

 

 

  

 

Pole obszaru ograniczonego osiami układu i wykresem funkcji to {premium}pole trójkąta prostokątnego o przyprostokątnych 9 i 3:

 

 

 

 

 

 

 

 

Pole obszaru ograniczonego osiami układu i wykresem funkcji to pole trójkąta prostokątnego o przyprostokątnych 14 i 8:

 

 

 

 

 

 

 

Pole obszaru ograniczonego osiami układu i wykresem funkcji to pole trójkąta prostokątnego o przyprostokątnych 2,5 i 7,5:

 

 

 

 

Nie trzeba pamiętać podanych powyżej wzorów. Wystarczy rozumieć, co oznacza punkt przecięcia z daną osią.

Zauważmy, że jeśli punkt przecina oś OX, to jego druga współrzędna jest równa 0. Możemy więc podstawić y=0 i wyliczyć x.

Zróbmy to dla kolejnych przykładów.

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

   

   

 

 

 

 

 

 

 

Zauważmy, że jeśli punkt przecina oś OY, to jego pierwsza współrzędna jest równa 0. Możemy więc podstawić x=0 i wyliczyć y.

Zróbmy to dla kolejnych przykładów.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dla jakich wartości parametru a

Liczba 5 ma być dwukrotnym pierwiastkiem wielomianu w. Z powyższej postaci widać, że liczba 5 jest już jednokrotnym pierwiastkiem wielomianu w. Aby była dwukrotnym pierwiastkiem wielomianu w, musi być jednokrotnym pierwiastkiem wielomianu u: 

 

Musimy jeszcze sprawdzić, czy dla a=6 liczba 5 jest rzeczywiście tylko jednokrotnym pierwiastkiem wielomianu u: 

 

Liczba 5 jest jednokrotnym pierwiastkiem wielomianu w, jest więc dwukrotnym pierwiastkiem wielomianu w. Możemy zapisać odpowiedź:

 

 

 

 

 

Liczba 3 ma być dwukrotnym pierwiastkiem wielomianu w. Z powyższej postaci widać, że liczba 3 jest już jednokrotnym pierwiastkiem wielomianu w. Aby była dwukrotnym pierwiastkiem wielomianu w, musi być jednokrotnym pierwiastkiem wielomianu u: 

 

Otrzymaliśmy dwie wartości a. Musimy sprawdzić, czy dla tych wartości liczba 3 jest rzeczywiście jednokrotnym pierwiastkiem wielomianu u:

W tym przypadku liczba a jest jednokrotnym pierwiastkiem wielomianu u.

 

W tym przypadku liczba a jest jednokrotnym pierwiastkiem wielomianu u.

 

W obu przypadkach liczba 3 jest jednokrotnym pierwiastkiem wielomianu w, jest więc dwukrotnym pierwiastkiem wielomianu w. Możemy zapisać odpowiedź:

 

 

 

 

Jeśli liczba -½ ma być dwukrotnym pierwiastkiem wielomianu w, to wielomian w musi być iloczynem wyrażenia (x+½)² oraz pewnego innego wyrażenia. To drugie wyrażenie musi być stopnia drugiego (ponieważ wielomian w jest stopnia 4, a wielomian (x+½)²  jest stopnia 2, a 4-2=2). Możemy więc zapisać:

Wykonajmy działania i uporządkujmy powyższy wielomian ze względu na x:

 

Z drugiej strony z treści zadania wiemy, że wielomian w jest postaci:

 

Dwa wielomiany są równe, jeśli mają jednakowe współczynniki stojące przy tych samych potęgach, więc możemy zapisać:

Jedyną liczbą, która spełnia oba podkreślone warunki, jest a=2.

Parametry są więc liczbami:

Wtedy wielomian w(x) jest postaci:

Z równości oznaczonej gwiazdką możemy jednak zapisać ten wielomian w postaci iloczynowej i sprawdzić, że dla obliczonych wartości parametrów liczba -½ jest rzeczywiście tylko dwukrotnym pierwiastkiem wielomianu w:

Dla czynnika kwadratowego otrzymaliśmy inne niż -½ pierwiastki, więc możemy zapisać rozwiązanie:

 

 

 

 

Jeśli liczba -1 ma być trzykrotnym pierwiastkiem wielomianu w, to wielomian w musi być iloczynem wyrażenia (x+1)³ oraz pewnego innego wyrażenia. To drugie wyrażenie musi być stopnia pierwszego (ponieważ wielomian w jest stopnia 4, a wielomian (x+1)³  jest stopnia 3, a 4-3=1). Możemy więc zapisać:

Wykonajmy działania (korzystając przy tym ze wzoru skróconego mnożenia na sześcian sumy) i uporządkujmy powyższy wielomian ze względu na x:

 

Z drugiej strony z treści zadania wiemy, że wielomian w jest postaci:

Dwa wielomiany są równe, jeśli mają jednakowe współczynniki stojące przy tych samych potęgach, więc możemy zapisać:

Jedyną liczbą, która spełnia oba podkreślone warunki, jest a=2.

Parametry są więc liczbami:

Wtedy wielomian w(x) jest postaci:

Z równości oznaczonej gwiazdką możemy jednak zapisać ten wielomian w postaci iloczynowej i sprawdzić, że dla obliczonych wartości parametrów liczba -1 jest rzeczywiście tylko trzykrotnym pierwiastkiem wielomianu w:

Czwarty pierwistek wielomianu w to 2, więc liczba -1 jest trzykrotnym pierwiastkiem tego wielomianu. Możemy więc zapisać odpowiedź:

 

 

 

Uzasadnij równość, jeżeli...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Równość zachodzi.

 

 

 

 

 

 

 

Równość zachodzi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Równość zachodzi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Równość zachodzi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Równość zachodzi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Równość zachodzi.

Wykaż, że nie istnieje ...

 

 {premium}

 

 

 

   

 

    

Na jednej prostej zaznaczono

Najpierw obliczymy, ile jest trójkątów, których wierzchołki leżą w zaznaczonych punktach. 

Możemy wybrać 2 wierzchołki z górnej prostej i 1 wierzchołek z dolnej prostej lub wybrać 1 wierzchołek z górnej prostej oraz 2 wierzchołki z dolnej prostej. 

  

        

 

 

 

Teraz obliczymy, ile jest czworokątów, których wierzchołki leżą w zaznaczonych punktach. 

Musimy wybrać 2 wierzchołki z górnej prostej i 2 wierzcholki z dolnej prostej.