Производна на обяснение на сложна функция. Комплексни производни

На този урокще се научим да намираме производна на сложна функция. Урокът е логично продължение на урока Как да намерим производната?, в който разгледахме най-простите производни, а също така се запознахме с правилата за диференциране и някои технически техники за намиране на производни. Така че, ако не сте много добри с производните на функции или някои точки в тази статия не са напълно ясни, тогава първо прочетете горния урок. Моля, задайте сериозно настроение - материалът не е прост, но все пак ще се опитам да го представя просто и ясно.

На практика трябва да се справяте с производната на сложна функция много често, дори бих казал, почти винаги, когато ви дават задачи да намирате производни.

Разглеждаме таблицата на правилото (№ 5) за разграничаване на сложна функция:

Нека да го разберем. Първо, нека обърнем внимание на влизането. Тук имаме две функции - и , като функцията, образно казано, е вложена във функцията . Функция от този тип (когато една функция е вложена в друга) се нарича сложна функция.

Ще извикам функцията външна функция, и функцията – вътрешна (или вложена) функция.

! Тези определения не са теоретични и не трябва да присъстват в окончателния дизайн на задачите. Използвам неофициални изрази „външна функция“, „вътрешна“ функция само за да ви улесня при разбирането на материала.

За да изясните ситуацията, помислете за:

Пример 1

Намерете производната на функция

Под синуса имаме не само буквата „X“, а цял израз, така че намирането на производната веднага от таблицата няма да работи. Също така забелязваме, че тук е невъзможно да се приложат първите четири правила, изглежда има разлика, но факт е, че синусът не може да бъде „разкъсан на парчета“:

IN в този примерВече интуитивно става ясно от моите обяснения, че функцията е сложна функция, а полиномът е вътрешна функция (вграждане) и външна функция.

Първа стъпкатова, което трябва да направите, когато намирате производната на сложна функция, е да разберете коя функция е вътрешна и коя външна.

Кога прости примериИзглежда ясно, че под синуса е вграден полином. Но какво ще стане, ако всичко не е очевидно? Как точно да определим коя функция е външна и коя вътрешна? За да направите това, предлагам да използвате следната техника, която може да се направи наум или на чернова.

Нека си представим, че трябва да изчислим стойността на израза при на калкулатор (вместо единица може да има произволно число).

Какво ще изчислим първо? Преди всичкоще трябва да извършите следното действие: , следователно полиномът ще бъде вътрешна функция:

Второще трябва да се намери, така че синус – ще бъде външна функция:

След като ние ПРОДАДЕНОС вътрешни и външни функции е време да приложим правилото за разграничаване на сложни функции.

Да започнем да решаваме. От класа Как да намерим производната?ние помним, че дизайнът на решение за всяка производна винаги започва така - затваряме израза в скоби и поставяме черта горе вдясно:

Първонамираме производната на външната функция (синус), погледнете таблицата с производни на елементарни функции и забележете, че . Всички таблични формули са приложими и ако „x“ се замени със сложен израз, В в такъв случай:

Моля, имайте предвид, че вътрешната функция не се е променило, не го пипаме.

Е, това е съвсем очевидно

Крайният резултат от прилагането на формулата изглежда така:

Константният фактор обикновено се поставя в началото на израза:

Ако има някакво недоразумение, запишете решението на хартия и прочетете отново обясненията.

Пример 2

Намерете производната на функция

Пример 3

Намерете производната на функция

Както винаги, ние записваме:

Нека разберем къде имаме външна функция и къде имаме вътрешна. За да направим това, ние се опитваме (мислено или в чернова) да изчислим стойността на израза при . Какво трябва да направите първо? Първо, трябва да изчислите на какво е равна основата: следователно полиномът е вътрешната функция:

И едва тогава се извършва степенуването, следователно степенната функция е външна функция:

Според формулата първо трябва да намерите производната на външната функция, в този случай степента. Търсим необходимата формула в таблицата: . Пак повтаряме: всяка таблична формула е валидна не само за „X“, но и за сложен израз. По този начин резултатът от прилагането на правилото за диференциране на сложна функция е следният:

Отново подчертавам, че когато вземем производната на външната функция, нашата вътрешна функция не се променя:

Сега всичко, което остава, е да се намери много проста производна на вътрешната функция и да се промени малко резултата:

Пример 4

Намерете производната на функция

Това е пример, който можете да решите сами (отговорете в края на урока).

За да консолидирам вашето разбиране за производната на сложна функция, ще дам пример без коментари, опитайте се да го разберете сами, помислете къде е външната и къде вътрешната функция, защо задачите се решават по този начин?

Пример 5

а) Намерете производната на функцията

б) Намерете производната на функцията

Пример 6

Намерете производната на функция

Тук имаме корен и за да разграничим корена, той трябва да бъде представен като степен. Така първо привеждаме функцията във формата, подходяща за диференциране:

Анализирайки функцията, стигаме до извода, че сумата от трите члена е вътрешна функция, а повдигането на степен е външна функция. Прилагаме правилото за диференциране на сложни функции:

Отново представяме степента като радикал (корен), а за производната на вътрешната функция прилагаме просто правило за диференциране на сумата:

Готов. Можете също да намалите израза до общ знаменател в скоби и да запишете всичко като една дроб. Красиво е, разбира се, но когато получите тромави дълги производни, е по-добре да не правите това (лесно е да се объркате, да направите ненужна грешка и ще бъде неудобно за учителя да проверява).

Пример 7

Намерете производната на функция

Това е пример, който можете да решите сами (отговорете в края на урока).

Интересно е да се отбележи, че понякога вместо правилото за диференциране на сложна функция можете да използвате правилото за диференциране на частно , но такова решение ще изглежда като смешно извращение. Ето типичен пример:

Пример 8

Намерете производната на функция

Тук можете да използвате правилото за диференциране на частното , но е много по-изгодно да се намери производната чрез правилото за диференциране на сложна функция:

Подготвяме функцията за диференциране - преместваме минуса от знака за производна и повдигаме косинуса в числителя:

Косинусът е вътрешна функция, степенуването е външна функция.
Нека използваме нашето правило:

Намираме производната на вътрешната функция и нулираме косинуса обратно надолу:

Готов. В разглеждания пример е важно да не се объркате в знаците. Между другото, опитайте се да го решите с помощта на правилото , отговорите трябва да съвпадат.

Пример 9

Намерете производната на функция

Това е пример, който можете да решите сами (отговорете в края на урока).

Досега разглеждахме случаи, в които имахме само едно влагане в сложна функция. В практическите задачи често можете да намерите производни, където, подобно на кукли, една в друга, 3 или дори 4-5 функции са вложени наведнъж.

Пример 10

Намерете производната на функция

Нека разберем прикачените файлове на тази функция. Нека се опитаме да изчислим израза, като използваме експерименталната стойност. Как ще разчитаме на калкулатор?

Първо трябва да намерите , което означава, че арксинусът е най-дълбокото вграждане:

След това този арксинус от едно трябва да бъде повдигнат на квадрат:

И накрая, повдигаме седем на степен:

Тоест в този пример имаме три различни функции и две вграждания, докато най-вътрешната функция е арксинусът, а най-външната функция е експоненциалната функция.

Да започнем да решаваме

Според правилото първо трябва да вземете производната на външната функция. Разглеждаме таблицата с производни и намираме производната на експоненциалната функция: Единствената разлика е, че вместо “x” имаме сложен израз, което не отрича валидността на тази формула. И така, резултатът от прилагането на правилото за диференциране на сложна функция е следният:

Под щриха отново имаме сложна функция! Но вече е по-просто. Лесно е да се провери, че вътрешната функция е арксинусът, а външната функция е степента. Съгласно правилото за диференциране на сложна функция, първо трябва да вземете производната на степента.

На който разгледахме най-простите производни, а също така се запознахме с правилата за диференциране и някои технически техники за намиране на производни. Така че, ако не сте много добри с производните на функции или някои точки в тази статия не са напълно ясни, тогава първо прочетете горния урок. Моля, задайте сериозно настроение - материалът не е прост, но все пак ще се опитам да го представя просто и ясно.

Разглеждаме таблицата на правилото (№ 5) за разграничаване на сложна функция:

Ще извикам функцията външна функция, и функцията – вътрешна (или вложена) функция.

За да изясните ситуацията, помислете за:

Пример 1

Намерете производната на функция

В този пример вече интуитивно става ясно от моите обяснения, че функцията е сложна функция, а полиномът е вътрешна функция (вграждане) и външна функция.

В случай на прости примери изглежда ясно, че под синуса е вграден полином. Но какво ще стане, ако всичко не е очевидно? Как точно да определим коя функция е външна и коя вътрешна? За да направите това, предлагам да използвате следната техника, която може да се направи наум или на чернова.

Какво ще изчислим първо? Преди всичкоще трябва да извършите следното действие: , следователно полиномът ще бъде вътрешна функция:

Второще трябва да се намери, така че синус – ще бъде външна функция:

След като ние ПРОДАДЕНОс вътрешни и външни функции е време да приложите правилото за диференциране на сложни функции .

Да започнем да решаваме. От урока Как да намерим производната?ние помним, че дизайнът на решение за всяка производна винаги започва така - затваряме израза в скоби и поставяме черта горе вдясно:

Моля, имайте предвид, че вътрешната функция не се е променило, не го пипаме.

Е, това е съвсем очевидно

Резултатът от прилагането на формулата в окончателния си вид изглежда така:

Константният фактор обикновено се поставя в началото на израза:

Ако има някакво недоразумение, запишете решението на хартия и прочетете отново обясненията.

Пример 2

Намерете производната на функция

Пример 3

Намерете производната на функция

Както винаги, ние записваме:

Нека разберем къде имаме външна функция и къде имаме вътрешна. За да направим това, ние се опитваме (мислено или в чернова) да изчислим стойността на израза при . Какво трябва да направите първо? Първо, трябва да изчислите на какво е равна основата: следователно полиномът е вътрешната функция:

И едва тогава се извършва степенуването, следователно степенната функция е външна функция:

Според формулата , първо трябва да намерите производната на външната функция, в този случай степента. Търсим необходимата формула в таблицата: . Пак повтаряме: всяка таблична формула е валидна не само за „X“, но и за сложен израз. По този начин резултатът от прилагането на правилото за диференциране на сложна функция следващия:

Пример 4

Намерете производната на функция

Това е пример, който можете да решите сами (отговорете в края на урока).

Пример 5

а) Намерете производната на функцията

б) Намерете производната на функцията

Пример 6

Намерете производната на функция

Пример 7

Намерете производната на функция

Това е пример, който можете да решите сами (отговорете в края на урока).

Интересно е да се отбележи, че понякога вместо правилото за диференциране на сложна функция можете да използвате правилото за диференциране на частно , но такова решение ще изглежда като необичайно извращение. Ето типичен пример:

Пример 8

Намерете производната на функция

Косинусът е вътрешна функция, степенуването е външна функция.
Нека използваме нашето правило :

Намираме производната на вътрешната функция и нулираме косинуса обратно надолу:

Пример 9

Намерете производната на функция

Това е пример, който можете да решите сами (отговорете в края на урока).

Пример 10

Намерете производната на функция

Първо трябва да намерите , което означава, че арксинусът е най-дълбокото вграждане:

След това този арксинус от едно трябва да бъде повдигнат на квадрат:

И накрая, повдигаме седем на степен:

Да започнем да решаваме

Според правилото Първо трябва да вземете производната на външната функция. Разглеждаме таблицата с производни и намираме производната на експоненциалната функция: Единствената разлика е, че вместо “x” имаме сложен израз, което не отрича валидността на тази формула. И така, резултатът от прилагането на правилото за диференциране на сложна функция следващия.

Откакто сте дошли тук, вероятно вече сте виждали тази формула в учебника

и направи лице като това:

Приятелю, не се притеснявай! Всъщност всичко е просто скандално. Определено ще разберете всичко. Само една молба - прочетете статията бавно, опитайте се да разберете всяка стъпка. Написах възможно най-просто и ясно, но все пак трябва да разберете идеята. И не забравяйте да решите задачите от статията.

Какво е сложна функция?

Представете си, че се местите в друг апартамент и затова опаковате нещата в големи кашони. Да предположим, че трябва да съберете някои дребни предмети, например училищни материали за писане. Ако просто ги хвърлите в огромна кутия, те ще се изгубят между другите неща. За да избегнете това, първо ги слагате например в торба, която след това слагате в голяма кутия, след което я затваряте. Този „сложен“ процес е представен на диаграмата по-долу:

Изглежда, какво общо има математиката с това? Да, въпреки факта, че една сложна функция се формира по ТОЧНО СЪЩИЯ начин! Само ние „опаковаме“ не тетрадки и химикалки, а $x$, докато „опаковките“ и „кутиите“ са различни.

Например, нека вземем x и го „опаковаме“ във функция:

В резултат на това получаваме, разбира се, $\cos⁡x$. Това е нашата „чанта с вещи“. Сега нека го поставим в „кутия“ - опаковайте го, например, в кубична функция.

Какво ще стане накрая? Да, точно така, ще има „чанта с неща в кутия“, тоест „косинус от Х в куб“.

Полученият дизайн е сложна функция. Тя се различава от простата по това НЯКОЛКО „въздействия“ (пакети) се прилагат към един X подреди се оказва "функция от функция" - "опаковка в опаковката".

В училищния курс има много малко видове от тези „пакети“, само четири:

Нека сега „опаковаме“ X първо в експоненциална функция с основа 7, а след това в тригонометрична функция. Получаваме:

$x → 7^x → tg⁡(7^x)$

Сега нека „опаковаме“ X два пъти в тригонометрични функции, първо в , а след това в:

$x → sin⁡x → cotg⁡ (sin⁡x)$

Просто, нали?

Сега напишете сами функциите, където x:
- първо се “опакова” в косинус, а след това в експоненциална функция с основа $3$;
- първо на пета степен, а след това на допирателната;
- първо към логаритъм по основа $4$ , след това на степен $-2$.

Намерете отговорите на тази задача в края на статията.

Можем ли да „опаковаме“ X не два, а три пъти? Няма проблем! И четири, и пет, и двадесет и пет пъти. Ето, например, функция, в която x е „опаковано“ $4$ пъти:

$y=5^(\log_2⁡(\sin⁡(x^4)))$

Но такива формули няма да се намерят в училищната практика (учениците са по-щастливи - техните може да са по-сложни☺).

„Разопаковане“ на сложна функция

Погледнете предишната функция отново. Можете ли да разберете последователността на „опаковане“? В какво X е напъхано първо, в какво след това и така до самия край. Тоест коя функция е вложена в коя? Вземете лист хартия и напишете какво мислите. Можете да направите това с верига със стрелки, както писахме по-горе или по друг начин.

Сега верният отговор е: първо, x беше „опаковано“ в $4$-та степен, след това резултатът беше опакован в синус, той от своя страна беше поставен в логаритъм при основа $2$ , и накрая цялата тази конструкция беше напъхана в петици.

Тоест, трябва да развиете последователността В ОБРАТЕН РЕД. И ето съвет как да го направите по-лесно: веднага погледнете X - трябва да танцувате от него. Нека да разгледаме няколко примера.

Например, ето следната функция: $y=tg⁡(\log_2⁡x)$. Гледаме Х - какво се случва първо с него? Взето от него. И тогава? Взема се тангенсът на резултата. Последователността ще бъде същата:

$x → \log_2⁡x → tg⁡(\log_2⁡x)$

Друг пример: $y=\cos⁡((x^3))$. Нека анализираме - първо подложихме X на куб и след това взехме косинуса на резултата. Това означава, че последователността ще бъде: $x → x^3 → \cos⁡((x^3))$. Обърнете внимание, функцията изглежда подобна на първата (където има снимки). Но това е съвсем различна функция: тук в куба е x (т.е. $\cos⁡((x·x·x)))$, а там в куба е косинусът $x$ ( тоест $\cos⁡ x·\cos⁡x·\cos⁡x$). Тази разлика възниква от различни последователности на "опаковане".

Последният пример (с важна информацияв него): $y=\sin⁡((2x+5))$. Ясно е, че тук първо са извършили аритметични операции с x, след което са взели синус от резултата: $x → 2x+5 → \sin⁡((2x+5))$. И този важен момент: въпреки факта, че аритметичните операции не са функции сами по себе си, тук те също действат като начин за „опаковане“. Нека се задълбочим малко в тази тънкост.

Както казах по-горе, в простите функции x се „опакова“ веднъж, а в сложните функции - два или повече. Освен това всяка комбинация от прости функции (т.е. тяхната сума, разлика, умножение или деление) също е проста функция. Например $x^7$ е проста функция, както и $ctg x$. Това означава, че всички техни комбинации са прости функции:

$x^7+ ctg x$ - просто,
$x^7· cot x$ – просто,
$\frac(x^7)(ctg x)$ – просто и т.н.

Ако обаче към такава комбинация се приложи още една функция, тя ще стане сложна функция, тъй като ще има два „пакета“. Вижте диаграмата:

Добре, давай сега. Напишете последователността от функции за „обвиване“:
$y=cos(⁡(sin⁡x))$
$y=5^(x^7)$
$y=arctg⁡(11^x)$
$y=log_2⁡(1+x)$
Отговорите отново са в края на статията.

Вътрешни и външни функции

Защо трябва да разбираме влагането на функции? Какво ни дава това? Факт е, че без такъв анализ няма да можем надеждно да намерим производни на обсъдените по-горе функции.

И за да продължим напред, ще ни трябват още две понятия: вътрешни и външни функции. Това е много просто нещо, освен това всъщност вече ги анализирахме по-горе: ако си припомним нашата аналогия в самото начало, тогава вътрешната функция е „пакет“, а външната функция е „кутия“. Тези. това, в което X е „опаковано“ първо, е вътрешна функция, а това, в което е „опакована“ вътрешната функция, вече е външно. Е, ясно е защо - тя е външна, това означава външна.

В този пример: $y=tg⁡(log_2⁡x)$, функцията $\log_2⁡x$ е вътрешна и
- външен.

И в това: $y=\cos⁡((x^3+2x+1))$, $x^3+2x+1$ е вътрешно и
- външен.

Завършете последната практика за анализиране на сложни функции и нека най-накрая да преминем към това, за което всички започнахме - ще намерим производни на сложни функции:

Попълнете празните места в таблицата:

Производна на сложна функция

Браво на нас, най-после стигнахме до „шефа” на тази тема - всъщност производната на сложна функция и по-точно до онази ужасна формула от началото на статията.☺

$(f(g(x)"=f"(g(x))\cdot g"(x)$

Тази формула гласи така:

Производната на сложна функция е равна на произведението на производната на външната функция по отношение на постоянна вътрешна функция и производната на вътрешната функция.

И веднага погледнете диаграмата за разбор „дума по дума“, за да разберете какво е какво:

Надявам се, че термините „дериват“ и „продукт“ не създават затруднения. „Комплексна функция“ - вече сме я подредили. Уловката е в „производното на външна функция по отношение на постоянна вътрешна функция“. Какво е?

Отговор: Това е обичайната производна на външна функция, при която се променя само външната функция, а вътрешната остава същата. Все още не е ясно? Добре, нека използваме пример.

Нека имаме функция $y=\sin⁡(x^3)$. Ясно е, че вътрешната функция тук е $x^3$, а външната
. Нека сега намерим производната на екстериора по отношение на постоянния интериор.

И теоремата за производната на сложна функция, чиято формулировка е следната:

Нека 1) функцията $u=\varphi (x)$ има в някакъв момент $x_0$ производната $u_(x)"=\varphi"(x_0)$, 2) функцията $y=f(u)$ имат в съответната точка $u_0=\varphi (x_0)$ производната $y_(u)"=f"(u)$. Тогава комплексната функция $y=f\left(\varphi (x) \right)$ в споменатата точка също ще има производна, равна на произведението на производните на функциите $f(u)$ и $\varphi ( x)$:

$$ \left(f(\varphi (x))\right)"=f_(u)"\left(\varphi (x_0) \right)\cdot \varphi"(x_0) $$

или в по-кратка нотация: $y_(x)"=y_(u)"\cdot u_(x)"$.

В примерите в този раздел всички функции имат формата $y=f(x)$ (т.е. разглеждаме само функции на една променлива $x$). Съответно във всички примери производната $y"$ се взема по отношение на променливата $x$. За да се подчертае, че производната се взема по отношение на променливата $x$, $y"_x$ често се пише вместо $y "$.

Примери № 1, № 2 и № 3 схема подробен процеснамиране на производната на сложни функции. Пример № 4 е предназначен за по-пълно разбиране на производната таблица и има смисъл да се запознаете с нея.

Препоръчително е след изучаване на материала в примери № 1-3 да преминете към независимо решениепримери № 5, № 6 и № 7. Примери #5, #6 и #7 съдържат кратко решение, така че читателят да може да провери правилността на своя резултат.

Пример №1

Намерете производната на функцията $y=e^(\cos x)$.

Трябва да намерим производната на сложна функция $y"$. Тъй като $y=e^(\cos x)$, тогава $y"=\left(e^(\cos x)\right)"$. За да намираме производната $ \left(e^(\cos x)\right)"$ използваме формула № 6 от таблицата с производни. За да използваме формула № 6, трябва да вземем предвид, че в нашия случай $u=\cos x$. Следващото решение се състои в просто заместване на израза $\cos x$ вместо $u$ във формула № 6:

$$ y"=\left(e^(\cos x) \right)"=e^(\cos x)\cdot (\cos x)" \tag (1.1)$$

Сега трябва да намерим стойността на израза $(\cos x)"$. Обръщаме се отново към таблицата с производни, избирайки формула № 10 от нея. Замествайки $u=x$ във формула № 10, имаме : $(\cos x)"=-\ sin x\cdot x"$ Сега нека продължим равенството (1.1), допълвайки го с намерения резултат:

$$ y"=\left(e^(\cos x) \right)"=e^(\cos x)\cdot (\cos x)"= e^(\cos x)\cdot (-\sin x \cdot x") \tag (1.2) $$

Тъй като $x"=1$, продължаваме равенството (1.2):

$$ y"=\left(e^(\cos x) \right)"=e^(\cos x)\cdot (\cos x)"= e^(\cos x)\cdot (-\sin x \cdot x")=e^(\cos x)\cdot (-\sin x\cdot 1)=-\sin x\cdot e^(\cos x) \tag (1.3) $$

И така, от равенство (1.3) имаме: $y"=-\sin x\cdot e^(\cos x)$. Естествено, обясненията и междинните равенства обикновено се пропускат, записвайки намирането на производната в един ред, както в равенството ( 1.3) И така, производната на комплексната функция е намерена, остава само да запишем отговора.

Отговор: $y"=-\sin x\cdot e^(\cos x)$.

Пример №2

Намерете производната на функцията $y=9\cdot \arctg^(12)(4\cdot \ln x)$.

Трябва да изчислим производната $y"=\left(9\cdot \arctg^(12)(4\cdot \ln x) \right)"$. Като начало отбелязваме, че константата (т.е. числото 9) може да бъде извадена от знака за производна:

$$ y"=\left(9\cdot \arctg^(12)(4\cdot \ln x) \right)"=9\cdot\left(\arctg^(12)(4\cdot \ln x) \right)" \tag (2.1) $$

Сега нека се обърнем към израза $\left(\arctg^(12)(4\cdot \ln x) \right)"$. За да улесня избирането на желаната формула от таблицата с производни, ще представя израза под въпрос в тази форма: $\left( \left(\arctg(4\cdot \ln x) \right)^(12)\right)"$. Сега е ясно, че е необходимо да се използва формула № 2, т.е. $\left(u^\alpha \right)"=\alpha\cdot u^(\alpha-1)\cdot u"$. Нека заместим $u=\arctg(4\cdot \ln x)$ и $\alpha=12$ в тази формула:

Допълвайки равенството (2.1) с получения резултат, имаме:

$$ y"=\left(9\cdot \arctg^(12)(4\cdot \ln x) \right)"=9\cdot\left(\arctg^(12)(4\cdot \ln x) \right)"= 108\cdot\left(\arctg(4\cdot \ln x) \right)^(11)\cdot (\arctg(4\cdot \ln x))" \tag (2.2) $$

В тази ситуация често се допуска грешка, когато решаващият на първата стъпка избере формулата $(\arctg \; u)"=\frac(1)(1+u^2)\cdot u"$ вместо формулата $\left(u^\ alpha \right)"=\alpha\cdot u^(\alpha-1)\cdot u"$. Въпросът е, че производната на външната функция трябва да е на първо място. За да разберете коя функция ще бъде външна за израза $\arctg^(12)(4\cdot 5^x)$, представете си, че изчислявате стойността на израза $\arctg^(12)(4\cdot 5^ x)$ при някаква стойност $x$. Първо ще изчислите стойността на $5^x$, след това ще умножите резултата по 4, получавайки $4\cdot 5^x$. Сега вземаме аркутангенса от този резултат, получавайки $\arctg(4\cdot 5^x)$. След това повдигаме полученото число на дванадесета степен, получавайки $\arctg^(12)(4\cdot 5^x)$. Последно действие, - т.е. повдигането на степен 12 ще бъде външна функция. И именно от това трябва да започнем да намираме производната, което беше направено в равенство (2.2).

Сега трябва да намерим $(\arctg(4\cdot \ln x))"$. Използваме формула № 19 от таблицата с производни, като заместваме $u=4\cdot \ln x$ в нея:

$$ (\arctg(4\cdot \ln x))"=\frac(1)(1+(4\cdot \ln x)^2)\cdot (4\cdot \ln x)" $$

Нека опростим малко получения израз, като вземем предвид $(4\cdot \ln x)^2=4^2\cdot (\ln x)^2=16\cdot \ln^2 x$.

$$ (\arctg(4\cdot \ln x))"=\frac(1)(1+(4\cdot \ln x)^2)\cdot (4\cdot \ln x)"=\frac( 1)(1+16\cdot \ln^2 x)\cdot (4\cdot \ln x)" $$

Равенството (2.2) сега ще стане:

Остава да намерим $(4\cdot \ln x)"$. Нека извадим константата (т.е. 4) от знака за производна: $(4\cdot \ln x)"=4\cdot (\ln x)" $. За да намерим $(\ln x)"$, използваме формула № 8, като заместваме $u=x$ в нея: $(\ln x)"=\frac(1)(x)\cdot x "$. Тъй като $x"=1$, тогава $(\ln x)"=\frac(1)(x)\cdot x"=\frac(1)(x)\cdot 1=\frac(1)(x ) $ Замествайки получения резултат във формула (2.3), получаваме:

$$ y"=\left(9\cdot \arctg^(12)(4\cdot \ln x) \right)"=9\cdot\left(\arctg^(12)(4\cdot \ln x) \right)"=\\ =108\cdot\left(\arctg(4\cdot \ln x) \right)^(11)\cdot (\arctg(4\cdot \ln x))"=108\cdot \left(\arctg(4\cdot \ln x) \right)^(11)\cdot \frac(1)(1+16\cdot \ln^2 x)\cdot (4\cdot \ln x)" =\\ =108\cdot \left(\arctg(4\cdot \ln x) \right)^(11)\cdot \frac(1)(1+16\cdot \ln^2 x)\cdot 4\ cdot \frac(1)(x)=432\cdot \frac(\arctg^(11)(4\cdot \ln x))(x\cdot (1+16\cdot \ln^2 x)).

Нека ви напомня, че производната на сложна функция най-често се намира в един ред, както е написано в последното равенство. Следователно, когато се изготвят стандартни изчисления или тестовеИзобщо не е необходимо решението да се описва толкова подробно.

Отговор: $y"=432\cdot \frac(\arctg^(11)(4\cdot \ln x))(x\cdot (1+16\cdot \ln^2 x))$.

Пример №3

Намерете $y"$ на функцията $y=\sqrt(\sin^3(5\cdot9^x))$.

Първо, нека леко трансформираме функцията $y$, изразявайки радикала (корен) като степен: $y=\sqrt(\sin^3(5\cdot9^x))=\left(\sin(5\cdot 9 ^x) \right)^(\frac(3)(7))$. Сега нека започнем да намираме производната. Тъй като $y=\left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(\frac(3)(7))$, тогава:

$$ y"=\left(\left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(\frac(3)(7))\right)" \tag (3.1) $$

Нека използваме формула № 2 от таблицата с производни, като заместим в нея $u=\sin(5\cdot 9^x)$ и $\alpha=\frac(3)(7)$:

$$ \left(\left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(\frac(3)(7))\right)"= \frac(3)(7)\cdot \left( \sin(5\cdot 9^x)\right)^(\frac(3)(7)-1) (\sin(5\cdot 9^x))"=\frac(3)(7)\cdot \left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(-\frac(4)(7)) (\sin(5\cdot 9^x))" $$

Нека продължим равенството (3.1), използвайки получения резултат:

$$ y"=\left(\left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(\frac(3)(7))\right)"=\frac(3)(7)\cdot \left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(-\frac(4)(7)) (\sin(5\cdot 9^x))" \tag (3.2) $$

Сега трябва да намерим $(\sin(5\cdot 9^x))"$. За целта използваме формула № 9 от таблицата с производни, като заместваме $u=5\cdot 9^x$ в нея:

$$ (\sin(5\cdot 9^x))"=\cos(5\cdot 9^x)\cdot(5\cdot 9^x)" $$

Като допълним равенството (3.2) с получения резултат, имаме:

Остава да намерим $(5\cdot 9^x)"$. Първо, нека вземем константата (числото $5$) извън знака за производна, т.е. $(5\cdot 9^x)"=5\cdot (9 ^x) "$. За да намерите производната $(9^x)"$, приложете формула № 5 от таблицата с производни, като заместите $a=9$ и $u=x$ в нея: $(9^x) )"=9^x\cdot \ ln9\cdot x"$. Тъй като $x"=1$, тогава $(9^x)"=9^x\cdot \ln9\cdot x"=9^x\cdot \ln9$. Сега можем да продължим равенството (3.3):

$$ y"=\left(\left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(\frac(3)(7))\right)"=\frac(3)(7)\cdot \left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(-\frac(4)(7)) (\sin(5\cdot 9^x))"=\\ =\frac(3) (7)\cdot \left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(-\frac(4)(7)) \cos(5\cdot 9^x)\cdot(5\cdot 9 ^x)"= \frac(3)(7)\cdot \left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(-\frac(4)(7)) \cos(5\cdot 9 ^x)\cdot 5\cdot 9^x\cdot \ln9=\\ =\frac(15\cdot \ln 9)(7)\cdot \left(\sin(5\cdot 9^x)\right) ^(-\frac(4)(7))\cdot \cos(5\cdot 9^x)\cdot 9^x. $$

Можем отново да се върнем от степени към радикали (т.е. корени), записвайки $\left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(-\frac(4)(7))$ във формата $\ frac(1)(\left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(\frac(4)(7)))=\frac(1)(\sqrt(\sin^4(5\ cdot 9^x)))$. Тогава производната ще бъде записана в следната форма:

$$ y"=\frac(15\cdot \ln 9)(7)\cdot \left(\sin(5\cdot 9^x)\right)^(-\frac(4)(7))\cdot \cos(5\cdot 9^x)\cdot 9^x= \frac(15\cdot \ln 9)(7)\cdot \frac(\cos (5\cdot 9^x)\cdot 9^x) (\sqrt(\sin^4(5\cdot 9^x))).

Отговор: $y"=\frac(15\cdot \ln 9)(7)\cdot \frac(\cos (5\cdot 9^x)\cdot 9^x)(\sqrt(\sin^4(5\ cdot 9^x)))$.

Пример №4

Покажете, че формули № 3 и № 4 от таблицата с производни са частен случай на формула № 2 от тази таблица.

Формула № 2 от таблицата с производни съдържа производната на функцията $u^\alpha$. Замествайки $\alpha=-1$ във формула №2, получаваме:

$$(u^(-1))"=-1\cdot u^(-1-1)\cdot u"=-u^(-2)\cdot u"\tag (4.1)$$

Тъй като $u^(-1)=\frac(1)(u)$ и $u^(-2)=\frac(1)(u^2)$, тогава равенството (4.1) може да бъде пренаписано както следва: $ \left(\frac(1)(u) \right)"=-\frac(1)(u^2)\cdot u"$. Това е формула № 3 от таблицата на производните.

Нека се обърнем отново към формула № 2 от таблицата на производните. Нека заместим $\alpha=\frac(1)(2)$ в него:

$$\left(u^(\frac(1)(2))\right)"=\frac(1)(2)\cdot u^(\frac(1)(2)-1)\cdot u" =\frac(1)(2)u^(-\frac(1)(2))\cdot u"\tag (4.2) $$

Тъй като $u^(\frac(1)(2))=\sqrt(u)$ и $u^(-\frac(1)(2))=\frac(1)(u^(\frac( 1 )(2)))=\frac(1)(\sqrt(u))$, тогава равенството (4.2) може да бъде пренаписано както следва:

$$ (\sqrt(u))"=\frac(1)(2)\cdot \frac(1)(\sqrt(u))\cdot u"=\frac(1)(2\sqrt(u) )\cdot u" $$

Полученото равенство $(\sqrt(u))"=\frac(1)(2\sqrt(u))\cdot u"$ е формула № 4 от таблицата с производни. Както можете да видите, формули № 3 и № 4 от таблицата с производни се получават от формула № 2 чрез заместване на съответната $\alpha$ стойност.

Функции сложен типне винаги отговарят на дефиницията на сложна функция. Ако има функция от вида y = sin x - (2 - 3) · a r c t g x x 5 7 x 10 - 17 x 3 + x - 11, тогава тя не може да се счита за сложна, за разлика от y = sin 2 x.

Тази статия ще покаже концепцията за сложна функция и нейната идентификация. Нека работим с формули за намиране на производната с примери за решения в заключението. Използването на таблицата за производни и правилата за диференциране значително намалява времето за намиране на производната.

Основни определения

Определение 1

Сложна функция е тази, чийто аргумент също е функция.

Означава се така: f (g (x)). Имаме, че функцията g (x) се счита за аргумент f (g (x)).

Определение 2

Ако има функция f и е котангенсна функция, тогава g(x) = ln x е функцията натурален логаритъм. Откриваме, че комплексната функция f (g (x)) ще бъде записана като arctg(lnx). Или функция f, която е функция, повдигната на 4-та степен, където g (x) = x 2 + 2 x - 3 се счита за цяла рационална функция, получаваме, че f (g (x)) = (x 2 + 2 x - 3) 4 .

Очевидно g(x) може да бъде комплексно. От примера y = sin 2 x + 1 x 3 - 5 става ясно, че стойността на g има корен кубичен от дробта. Този израз може да се означи като y = f (f 1 (f 2 (x))). Откъдето имаме, че f е синусова функция и f 1 е функция, разположена под корен квадратен, f 2 (x) = 2 x + 1 x 3 - 5 - дробна рационална функция.

Определение 3

Степента на гнездене се определя от всеки естествено числои се записва като y = f (f 1 (f 2 (f 3 (... (f n (x)))))) .

Определение 4

Концепцията за композиция на функции се отнася до броя на вложените функции според условията на проблема. За да решите, използвайте формулата за намиране на производната на сложна функция от формата

(f (g (x))) " = f " (g (x)) g " (x)

Примери

Пример 1

Намерете производната на сложна функция от вида y = (2 x + 1) 2.

Решение

Условието показва, че f е квадратна функция и g(x) = 2 x + 1 се счита за линейна функция.

Нека приложим формулата за производна за сложна функция и напишем:

f " (g (x)) = ((g (x)) 2) " = 2 (g (x)) 2 - 1 = 2 g (x) = 2 (2 x + 1) ; g " (x) = (2 x + 1) " = (2 x) " + 1 " = 2 x " + 0 = 2 1 x 1 - 1 = 2 ⇒ (f (g (x))) " = f " (g (x)) g " (x) = 2 (2 x + 1) 2 = 8 x + 4

Необходимо е да се намери производната с опростена оригинална форма на функцията. Получаваме:

y = (2 x + 1) 2 = 4 x 2 + 4 x + 1

Оттук нататък имаме това

y " = (4 x 2 + 4 x + 1) " = (4 x 2) " + (4 x) " + 1 " = 4 (x 2) " + 4 (x) " + 0 = = 4 · 2 · x 2 - 1 + 4 · 1 · x 1 - 1 = 8 x + 4

Резултатите бяха същите.

При решаването на задачи от този тип е важно да се разбере къде ще се намира функцията на формата f и g (x).

Пример 2

Трябва да намерите производните на сложни функции във формата y = sin 2 x и y = sin x 2.

Решение

Първата нотация на функцията казва, че f е функцията за повдигане на квадрат, а g(x) е функцията синус. Тогава разбираме това

y " = (sin 2 x) " = 2 sin 2 - 1 x (sin x) " = 2 sin x cos x

Вторият запис показва, че f е синусова функция, а g(x) = x 2 означава степенна функция. От това следва, че записваме произведението на сложна функция като

y " = (sin x 2) " = cos (x 2) (x 2) " = cos (x 2) 2 x 2 - 1 = 2 x cos (x 2)

Формулата за производната y = f (f 1 (f 2 (f 3 (. . . (f n (x))))) ще бъде записана като y " = f " (f 1 (f 2 (f 3 (. . ))) )) · . . . fn "(x)

Пример 3

Намерете производната на функцията y = sin (ln 3 a r c t g (2 x)).

Решение

Този пример показва трудността при писане и определяне на местоположението на функциите. Тогава y = f (f 1 (f 2 (f 3 (f 4 (x))))) означава, където f , f 1 , f 2 , f 3 , f 4 (x) е синусовата функция, функцията за повишаване до 3 степен, функция с логаритъм и основа e, арктангенс и линейна функция.

От формулата за дефиниране на сложна функция имаме това

y " = f " (f 1 (f 2 (f 3 (f 4 (x)))) f 1 " (f 2 (f 3 (f 4 (x)))) f 2 " (f 3 (f 4) (x)) f 3 " (f 4 (x)) f 4 " (x)

Получаваме това, което трябва да намерим

f " (f 1 (f 2 (f 3 (f 4 (x))))) като производна на синуса според таблицата с производни, след това f " (f 1 (f 2 (f 3 (f 4 ( x)))) ) = cos (ln 3 a r c t g (2 x)) .
f 1 " (f 2 (f 3 (f 4 (x)))) като производна на степенна функция, тогава f 1 " (f 2 (f 3 (f 4 (x)))) = 3 ln 3 - 1 a r c t g (2 x) = 3 ln 2 a r c t g (2 x) .
f 2 " (f 3 (f 4 (x))) като логаритмична производна, тогава f 2 " (f 3 (f 4 (x))) = 1 a r c t g (2 x) .
f 3 " (f 4 (x)) като производна на арктангенса, тогава f 3 " (f 4 (x)) = 1 1 + (2 x) 2 = 1 1 + 4 x 2.
Когато намирате производната f 4 (x) = 2 x, премахнете 2 от знака на производната, като използвате формулата за производна на степенна функция с показател, равен на 1, след което f 4 " (x) = (2 x) " = 2 x " = 2 · 1 · x 1 - 1 = 2 .

Комбинираме междинните резултати и получаваме това

y " = f " (f 1 (f 2 (f 3 (f 4 (x)))) f 1 " (f 2 (f 3 (f 4 (x)))) f 2 " (f 3 (f 4) (x)) f 3 " (f 4 (x)) f 4 " (x) = = cos (ln 3 a r c t g (2 x)) 3 ln 2 a r c t g (2 x) 1 a r c t g (2 x) 1 1 + 4 x 2 2 = = 6 cos (ln 3 a r c t g (2 x)) ln 2 a r c t g (2 x) a r c t g (2 x) (1 + 4 x 2)

Анализът на такива функции напомня на кукли за гнездене. Правилата за диференциране не винаги могат да се прилагат изрично с помощта на производна таблица. Често трябва да използвате формула за намиране на производни на сложни функции.

Има някои разлики между сложния външен вид и сложните функции. С ясна способност да разграничите това, намирането на производни ще бъде особено лесно.

Пример 4

Необходимо е да се обмисли даването на такъв пример. Ако има функция от формата y = t g 2 x + 3 t g x + 1, тогава тя може да се разглежда като сложна функция от формата g (x) = t g x, f (g) = g 2 + 3 g + 1 . Очевидно е необходимо да се използва формулата за сложна производна:

f " (g (x)) = (g 2 (x) + 3 g (x) + 1) " = (g 2 (x)) " + (3 g (x)) " + 1 " = = 2 · g 2 - 1 (x) + 3 g " (x) + 0 = 2 g (x) + 3 1 g 1 - 1 (x) = = 2 g (x) + 3 = 2 t g x + 3 ; g " (x) = (t g x) " = 1 cos 2 x ⇒ y " = (f (g (x))) " = f " (g (x)) g " (x) = (2 t g x + 3 ) · 1 cos 2 x = 2 t g x + 3 cos 2 x

Функция под формата y = t g x 2 + 3 t g x + 1 не се счита за сложна, тъй като има сумата от t g x 2, 3 t g x и 1. Въпреки това, t g x 2 се счита за сложна функция, тогава получаваме степенна функция от вида g (x) = x 2 и f, която е допирателна функция. За да направите това, диференцирайте по количество. Разбираме това

y " = (t g x 2 + 3 t g x + 1) " = (t g x 2) " + (3 t g x) " + 1 " = = (t g x 2) " + 3 (t g x) " + 0 = (t g x 2) " + 3 cos 2 x

Нека да преминем към намиране на производната на сложна функция (t g x 2) ":

f " (g (x)) = (t g (g (x))) " = 1 cos 2 g (x) = 1 cos 2 (x 2) g " (x) = (x 2) " = 2 x 2 - 1 = 2 x ⇒ (t g x 2) " = f " (g (x)) g " (x) = 2 x cos 2 (x 2)

Получаваме, че y " = (t g x 2 + 3 t g x + 1) " = (t g x 2) " + 3 cos 2 x = 2 x cos 2 (x 2) + 3 cos 2 x

Функциите от сложен тип могат да бъдат включени в сложни функции, а самите сложни функции могат да бъдат компоненти на функции от сложен тип.

Пример 5

Например, разгледайте сложна функция от вида y = log 3 x 2 + 3 cos 3 (2 x + 1) + 7 e x 2 + 3 3 + ln 2 x (x 2 + 1)

Тази функция може да бъде представена като y = f (g (x)), където стойността на f е функция на логаритъм с основа 3, а g (x) се счита за сумата от две функции във формата h (x) = x 2 + 3 cos 3 (2 x + 1) + 7 e x 2 + 3 3 и k (x) = ln 2 x · (x 2 + 1) . Очевидно y = f (h (x) + k (x)).

Да разгледаме функцията h(x). Това е отношението l (x) = x 2 + 3 cos 3 (2 x + 1) + 7 към m (x) = e x 2 + 3 3

Имаме, че l (x) = x 2 + 3 cos 2 (2 x + 1) + 7 = n (x) + p (x) е сумата от две функции n (x) = x 2 + 7 и p ( x) = 3 cos 3 (2 x + 1) , където p (x) = 3 p 1 (p 2 (p 3 (x))) е комплексна функция с числов коефициент 3, а p 1 е кубична функция, p 2 чрез косинусова функция, p 3 (x) = 2 x + 1 чрез линейна функция.

Открихме, че m (x) = e x 2 + 3 3 = q (x) + r (x) е сумата от две функции q (x) = e x 2 и r (x) = 3 3, където q (x) = q 1 (q 2 (x)) е сложна функция, q 1 е експоненциална функция, q 2 (x) = x 2 е степенна функция.

Това показва, че h (x) = l (x) m (x) = n (x) + p (x) q (x) + r (x) = n (x) + 3 p 1 (p 2 ( p 3 (x))) q 1 (q 2 (x)) + r (x)

Когато се премине към израз на формата k (x) = ln 2 x · (x 2 + 1) = s (x) · t (x), е ясно, че функцията е представена под формата на комплекс s ( x) = ln 2 x = s 1 ( s 2 (x)) с цяло рационално число t (x) = x 2 + 1, където s 1 е квадратна функция, а s 2 (x) = ln x е логаритмична с база e.

От това следва, че изразът ще приеме формата k (x) = s (x) · t (x) = s 1 (s 2 (x)) · t (x).

Тогава разбираме това

y = log 3 x 2 + 3 cos 3 (2 x + 1) + 7 e x 2 + 3 3 + ln 2 x (x 2 + 1) = = f n (x) + 3 p 1 (p 2 (p 3 ( x))) q 1 (q 2 (x)) = r (x) + s 1 (s 2 (x)) t (x)

Въз основа на структурите на функцията стана ясно как и какви формули трябва да се използват за опростяване на израза при диференцирането му. За да се запознаете с такива проблеми и за концепцията за тяхното решение, е необходимо да се обърнете към точката на диференциране на функция, тоест намиране на нейната производна.

Ако забележите грешка в текста, моля, маркирайте я и натиснете Ctrl+Enter