Sudėtinė funkcija: iš išorės į vidų

Įsivaizduok gamybos liniją: x pirma paverčiamas į u, o u – į y. Bendras kitimo greitis yra abiejų etapų kitimo greičių sandauga. Todėl negalima pamiršti vidinės funkcijos išvestinės.

Pirmiausia atpažink, kokia tvarka atliekami veiksmai

Funkcijoje $y=(3x+1)^2$ iš pradžių iš $x$ apskaičiuojame $u=3x+1$, tada gautą $u$ keliame kvadratu: $y=u^2$. Vidus keičiasi $3$ vienetais vienam $x$ vienetui. Išorės kitimo greitis pagal $u$ yra $2u$. Bendras greitis gaunamas sudauginus: $2u\cdot3=6(3x+1)$. Išorinėje išvestinėje paliekame visą vidinę išraišką; jos nepaverčiame vien $x$.

Vienas patikrinimas, kuris pagauna pamirštą daugiklį

Ties $x=1$ funkcijos $(3x+1)^2$ išvestinė yra $24$. Galime patikrinti išskleidę: $(3x+1)^2=9x^2+6x+1$, todėl išvestinė $18x+6$, ties $1$ taip pat $24$. Jei parašytume vien $2(3x+1)$, gautume $8$ ir prarastume faktą, kad vidus keičiasi tris kartus greičiau. Sudėtinei funkcijai pirmas klausimas: „Kas yra paskutinis veiksmas?“ Sandaugai, pvz., $x^2\sin x$, paskutinis veiksmas yra daugyba, todėl pradedame kita taisykle.

Grandinės taisyklė

$$[f(g(x))]'=f'(g(x))\,g'(x).$$ Išorę diferencijuoji laikydamas vidų vienu objektu, tada daugini iš vidaus išvestinės. $(u^\alpha)'=\alpha u^{\alpha-1}u'$, $(\sin u)'=\cos u\,u'$, $(e^u)'=e^u u'$, $\displaystyle (\ln|u|)'=\frac{u'}{u}$, kai $u\ne0$.

Sudėtinių funkcijų išvestinių lentelė

Visoje lentelėje $u=u(x)$ yra diferencijuojama vidinė funkcija, o $u'=u'(x)$ – jos išvestinė. Pirma diferencijuok išorinę funkciją, palikdamas jos vidų, tada padaugink iš $u'$. Sąlygos nurodo, kur taikoma pateikta formulė.

Grandinės taisyklė: išorės išvestinė × vidaus išvestinė
FunkcijaIšvestinė pagal xSąlygosPavyzdys
$u^n$$n u^{n-1}u'$$n\in\mathbb N$, $n\ge1$$((3x+1)^2)'=6(3x+1)$
$u^\alpha$$\alpha u^{\alpha-1}u'$$u>0$, $\alpha\in\mathbb R$ – pastovus$((x+1)^{3/2})'=\frac32\sqrt{x+1}$
$\sqrt u$$\dfrac{u'}{2\sqrt u}$$u>0$$(\sqrt{2x+1})'=\dfrac1{\sqrt{2x+1}}$
$\dfrac1u$$-\dfrac{u'}{u^2}$$u\ne0$$\left(\dfrac1{x^2+1}\right)'=-\dfrac{2x}{(x^2+1)^2}$
$e^u$$e^u u'$Visur, kur u diferencijuojama$(e^{3x})'=3e^{3x}$
$a^u$$a^u\ln(a)\,u'$$a>0$ – pastovus$(2^{x^2})'=2x\,2^{x^2}\ln2$
$\ln u$$\dfrac{u'}u$$u>0$$(\ln(5x))'=\dfrac5{5x}=\dfrac1x$
$\ln|u|$$\dfrac{u'}u$$u\ne0$$(\ln|x^2-1|)'=\dfrac{2x}{x^2-1}$
$\log_a u$$\dfrac{u'}{u\ln a}$$u>0$, $a>0$, $a\ne1$$(\log_2(3x+1))'=\dfrac3{(3x+1)\ln2}$
$\sin u$$\cos u\,u'$Kampai radianais$(\sin(x^2))'=2x\cos(x^2)$
$\cos u$$-\sin u\,u'$Kampai radianais$(\cos(4x))'=-4\sin(4x)$
$\tan u$$\dfrac{u'}{\cos^2u}$$\cos u\ne0$, kampai radianais$(\tan(2x))'=\dfrac2{\cos^2(2x)}$
$\cot u$$-\dfrac{u'}{\sin^2u}$$\sin u\ne0$, kampai radianais$(\cot(3x))'=-\dfrac3{\sin^2(3x)}$
$\arcsin u$$\dfrac{u'}{\sqrt{1-u^2}}$$|u|<1$$(\arcsin(2x))'=\dfrac2{\sqrt{1-4x^2}}$
$\arccos u$$-\dfrac{u'}{\sqrt{1-u^2}}$$|u|<1$$(\arccos(x^2))'=-\dfrac{2x}{\sqrt{1-x^4}}$
$\arctan u$$\dfrac{u'}{1+u^2}$Visur, kur u diferencijuojama$(\arctan(3x))'=\dfrac3{1+9x^2}$

Trys sluoksniai

$y=\sin((3x+1)^2)$. Sluoksniai: $x\to3x+1\to(3x+1)^2\to\sin((3x+1)^2)$. Einant atgal: sinusas duoda kosinusą; kvadratas duoda $2(3x+1)$; tiesinė funkcija duoda 3. Todėl $y'=6(3x+1)\cos((3x+1)^2)$.

Sudėtinė ar sandauga?

$\sin(x^2)$ yra sudėtinė funkcija: x kvadratas yra sinuso viduje. $x^2\sin x$ yra sandauga: du atskiri daugikliai. $x^2\sin(x^3)$ reikalauja abiejų taisyklių: pirma sandaugos, o antram daugikliui – grandinės.

Išspręskime kartu

Rask $y=\ln(1+e^{2x})$ išvestinę.

  1. Pažymime $u=1+e^{2x}$. Išorinė funkcija yra $y=\ln u$, todėl $\displaystyle y^{\prime}=\frac{u^{\prime}}{u}$.
  2. Vidaus išvestinė $u^{\prime}=0+(e^{2x})^{\prime}$. Vieneto išvestinė nulis.
  3. Eksponentės grandinė: $(e^{2x})^{\prime}=e^{2x}(2x)^{\prime}=e^{2x}\cdot2=2e^{2x}$.
  4. Įstatome $u$ ir $u^{\prime}$: $\displaystyle y^{\prime}=\frac{2e^{2x}}{1+e^{2x}}$.
  5. Argumentas $1+e^{2x}>0$ visiems realiesiems $x$, todėl papildomų srities apribojimų nėra.

Atsakymas. $\displaystyle y'=\frac{2e^{2x}}{1+e^{2x}}$.

Logaritmo viduje yra dar funkcija

Rask $f(x)=\ln(1+3x^2)$ išvestinę.

Užuomina

$\ln u$ išvestinė yra $\displaystyle \frac{u'}{u}$, o ne vien $\displaystyle \frac{1}{u}$.

Pirmas žingsnis

Pažymėk $u=1+3x^2$, todėl $u'=6x$.

Sprendimo eiga
  1. Pažymėk $u=1+3x^2$, todėl $u'=6x$.
  2. Išorinė funkcija yra natūralusis logaritmas; vidinė – $1+3x^2$.
  3. Taikome grandinės taisyklę: $\displaystyle f'=[\frac{1}{1+3x^2}]\cdot6x$.
  4. Gauname $\displaystyle f'=\frac{6x}{1+3x^2}$. Kadangi logaritmo argumentas visada teigiamas, formulė galioja visiems realiesiems $x$.
  5. Patikra: $f'(0)=0$ ir $\displaystyle f'(1)=\frac{6}{4}=1{,}5$.

$\displaystyle f'(x)=\frac{6x}{1+3x^2}$.

Trys įdėti sluoksniai

Rask $f(x)=\sin^2(5x)$ išvestinę.

Užuomina

Tai $[\sin(5x)]^2$: kvadratas, sinusas, tiesinė funkcija.

Pirmas žingsnis

Išorinis kvadratas duoda $2\sin(5x)$, tada dar reikia vidinės dalies išvestinės.

Sprendimo eiga
  1. Išorinis kvadratas duoda $2\sin(5x)$, tada dar reikia vidinės dalies išvestinės.
  2. Užrašas $\sin^2(5x)$ reiškia $[\sin(5x)]^2$, o ne $\sin(25x^2)$.
  3. Kvadrato išvestinė duoda $2\sin(5x)$, sinuso išvestinė – $\cos(5x)$, argumento $5x$ išvestinė – $5$.
  4. Sudauginame: $f'=10\sin(5x)\cos(5x)$.
  5. Galima sutrumpinti trigonometrine tapatybe: $f'=5\sin(10x)$.
  6. Patikra taške $\displaystyle x=\frac{\pi}{20}$: $\displaystyle f'=10(\frac{\sqrt{2}}{2})^2=5$; antra forma duoda tą patį.

$f'(x)=10\sin(5x)\cos(5x)=5\sin(10x)$.

Daugiau užduočių pagal skyrius ↗