Раздел II. Дифференциальное исчисление функций одной переменной — § 1. Производная явной функции

Демидович — задача 828

Б. П. Демидович, «Сборник задач и упражнений по математическому анализу». Условие, подробное решение и ответ.

Задача 828

Исходя из определения производной, непосредственно найти производные
следующих функций:

а) x2x^2;

б) x3x^3;

в) 1x\dfrac1x;

г) x\sqrt{x};

д) x3\sqrt[3]{x};

е) tg⁡x\operatorname{tg} x;

ж) ctg⁡x\operatorname{ctg} x;

з) arcsin⁡x\arcsin x;

и) arccos⁡x\arccos x;

к) arctg⁡x\operatorname{arctg} x.
Ответ:а) {(x2)′=2x(x^2)'=2x}

б) {(x3)′=3x2(x^3)'=3x^2}

в) {(1x)′=−1x2\left(\dfrac1x\right)'=-\dfrac1{x^2}, x≠0x\ne0}

г) {(x)′=12x(\sqrt{x})'=\dfrac1{2\sqrt{x}} при x>0x>0; при x=0x=0 конечной производной нет}

д) {(x3)′=13x23(\sqrt[3]{x})'=\dfrac1{3\sqrt[3]{x^2}} при x≠0x\ne0; при x=0x=0 конечной производной нет}

е) {(tg⁡x)′=1cos⁡2x(\operatorname{tg} x)'=\dfrac1{\cos^2x}, cos⁡x≠0\cos x\ne0}

ж) {(ctg⁡x)′=−1sin⁡2x(\operatorname{ctg} x)'=-\dfrac1{\sin^2x}, sin⁡x≠0\sin x\ne0}

з) {(arcsin⁡x)′=11−x2(\arcsin x)'=\dfrac1{\sqrt{1-x^2}} при ∣x∣<1|x|<1; при x=±1x=\pm1 конечной производной нет}

и) {(arccos⁡x)′=−11−x2(\arccos x)'=-\dfrac1{\sqrt{1-x^2}} при ∣x∣<1|x|<1; при x=±1x=\pm1 конечной производной нет}

к) {(arctg⁡x)′=11+x2(\operatorname{arctg} x)'=\dfrac1{1+x^2}, x∈Rx\in\mathbb R}

Решение

Во всех пунктах используем определениеf′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)hf'(x)=\lim_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}hа для тригонометрических функций — основной пределlim⁡u→0sin⁡uu=1\lim_{u\to0}\frac{\sin u}{u}=1

Пункт а)

Для f(x)=x2f(x)=x^2f′(x)=lim⁡h→0(x+h)2−x2h==lim⁡h→0(2x+h)=2x\begin{aligned}
f'(x)
&=\lim_{h\to0}\frac{(x+h)^2-x^2}{h}=\\
&=\lim_{h\to0}(2x+h)=2x
\end{aligned}

Пункт б)

Для f(x)=x3f(x)=x^3f′(x)=lim⁡h→0(x+h)3−x3h==lim⁡h→0(3x2+3xh+h2)=3x2\begin{aligned}
f'(x)
&=\lim_{h\to0}\frac{(x+h)^3-x^3}{h}=\\
&=\lim_{h\to0}(3x^2+3xh+h^2)=3x^2
\end{aligned}

Пункт в)

Для f(x)=1xf(x)=\dfrac1x, где x≠0x\ne0, при достаточно малых hh
также выполнено x+h≠0x+h\ne0. Тогдаf′(x)=lim⁡h→01x+h−1xh==lim⁡h→0−1x(x+h)=−1x2\begin{aligned}
f'(x)
&=\lim_{h\to0}\frac{\dfrac1{x+h}-\dfrac1x}{h}=\\
&=\lim_{h\to0}\frac{-1}{x(x+h)}=-\frac1{x^2}
\end{aligned}

Пункт г)

Для f(x)=xf(x)=\sqrt{x} и x>0x>0 рационализируем числитель:f′(x)=lim⁡h→0x+h−xh==lim⁡h→01x+h+x=12x\begin{aligned}
f'(x)
&=\lim_{h\to0}\frac{\sqrt{x+h}-\sqrt{x}}h=\\
&=\lim_{h\to0}\frac1{\sqrt{x+h}+\sqrt{x}}=\frac1{2\sqrt{x}}
\end{aligned}
В точке x=0x=0 возможен только правый подход, причём0+h−0h=1h⟶+∞при h→0+\frac{\sqrt{0+h}-\sqrt0}{h}=\frac1{\sqrt h}\longrightarrow+\infty
\qquad
\text{при }h\to0+
Поэтому конечной производной в точке x=0x=0 нет.

Пункт д)

Пустьu=x+h3,v=x3u=\sqrt[3]{x+h},
\qquad
v=\sqrt[3]{x}
Тогдаh=u3−v3=(u−v)(u2+uv+v2)h=u^3-v^3=(u-v)(u^2+uv+v^2)и при x≠0x\ne0f′(x)=lim⁡h→0u−vu3−v3==lim⁡h→01u2+uv+v2=13x23\begin{aligned}
f'(x)
&=\lim_{h\to0}\frac{u-v}{u^3-v^3}=\\
&=\lim_{h\to0}\frac1{u^2+uv+v^2}
=\frac1{3\sqrt[3]{x^2}}
\end{aligned}
При x=0x=0h3−0h=1h23⟶+∞при h→0\frac{\sqrt[3]{h}-0}{h}=\frac1{\sqrt[3]{h^2}}\longrightarrow+\infty
\qquad
\text{при }h\to0
поэтому конечной производной нет.

Пункт е)

Для f(x)=tg⁡xf(x)=\operatorname{tg} x, где cos⁡x≠0\cos x\ne0, при достаточно малых hh
также выполнено cos⁡(x+h)≠0\cos(x+h)\ne0. Используем формулу разности тангенсов:f′(x)=lim⁡h→0tg⁡(x+h)−tg⁡xh==lim⁡h→0sin⁡hhcos⁡(x+h)cos⁡x=1cos⁡2x\begin{aligned}
f'(x)
&=\lim_{h\to0}\frac{\operatorname{tg}(x+h)-\operatorname{tg} x}{h}=\\
&=\lim_{h\to0}\frac{\sin h}{h\cos(x+h)\cos x}
=\frac1{\cos^2x}
\end{aligned}

Пункт ж)

Для f(x)=ctg⁡xf(x)=\operatorname{ctg} x, где sin⁡x≠0\sin x\ne0, при достаточно малых hh
также выполнено sin⁡(x+h)≠0\sin(x+h)\ne0. Аналогично получаемf′(x)=lim⁡h→0ctg⁡(x+h)−ctg⁡xh==lim⁡h→0−sin⁡hhsin⁡(x+h)sin⁡x=−1sin⁡2x\begin{aligned}
f'(x)
&=\lim_{h\to0}\frac{\operatorname{ctg}(x+h)-\operatorname{ctg} x}{h}=\\
&=\lim_{h\to0}\frac{-\sin h}{h\sin(x+h)\sin x}
=-\frac1{\sin^2x}
\end{aligned}

Пункт з)

Пустьu=arcsin⁡(x+h),v=arcsin⁡xu=\arcsin(x+h),
\qquad
v=\arcsin x
При ∣x∣<1|x|<1 и h→0h\to0 имеем u→vu\to v, причёмh=sin⁡u−sin⁡v==2cos⁡u+v2sin⁡u−v2\begin{aligned}
h
&=\sin u-\sin v=\\
&=2\cos\frac{u+v}{2}\sin\frac{u-v}{2}
\end{aligned}
Следовательно,u−vh=u−v2sin⁡u−v21cos⁡u+v2⟶⟶1cos⁡v=11−x2\begin{aligned}
\frac{u-v}{h}
&=\frac{u-v}{2\sin\dfrac{u-v}{2}}
\frac1{\cos\dfrac{u+v}{2}}
\longrightarrow\\
&\longrightarrow\frac1{\cos v}
=\frac1{\sqrt{1-x^2}}
\end{aligned}
Здесь v∈(−π2,π2)v\in\left(-\dfrac\pi2,\dfrac\pi2\right), поэтому cos⁡v>0\cos v>0.
Покажем отдельно, откуда берётся бесконечный наклон на концах. При x=1x=1 положим 1+h=cos⁡t1+h=\cos t, где t→0+t\to0+; тогда h=cos⁡t−1<0h=\cos t-1<0 и arcsin⁡(1+h)=π/2−t\arcsin(1+h)=\pi/2-t. Поэтому разностное отношение равно−tcos⁡t−1=t2sin⁡2(t/2)=2t(t/2sin⁡(t/2))2⟶+∞.\frac{-t}{\cos t-1}=\frac{t}{2\sin^2(t/2)}
=\frac2t\left(\frac{t/2}{\sin(t/2)}\right)^2\longrightarrow+\infty.
При x=−1x=-1 берём −1+h=−cos⁡t-1+h=-\cos t. Здесь h=1−cos⁡t>0h=1-\cos t>0 и приращение арксинуса равно tt, так что получается то же отношение t/(1−cos⁡t)t/(1-\cos t). Таким образом, при x=1x=1 имеемlim⁡h→0−arcsin⁡(1+h)−arcsin⁡1h=+∞\lim_{h\to0-}
\frac{\arcsin(1+h)-\arcsin1}{h}=+\infty
а при x=−1x=-1 имеемlim⁡h→0+arcsin⁡(−1+h)−arcsin⁡(−1)h=+∞\lim_{h\to0+}
\frac{\arcsin(-1+h)-\arcsin(-1)}{h}=+\infty
Следовательно, в точках x=±1x=\pm1 конечной производной нет.

Пункт и)

Пустьu=arccos⁡(x+h),v=arccos⁡xu=\arccos(x+h),
\qquad
v=\arccos x
При ∣x∣<1|x|<1h=cos⁡u−cos⁡v==−2sin⁡u+v2sin⁡u−v2\begin{aligned}
h
&=\cos u-\cos v=\\
&=-2\sin\frac{u+v}{2}\sin\frac{u-v}{2}
\end{aligned}
Поэтомуu−vh=−u−v2sin⁡u−v21sin⁡u+v2⟶⟶−1sin⁡v=−11−x2\begin{aligned}
\frac{u-v}{h}
&=-\frac{u-v}{2\sin\dfrac{u-v}{2}}
\frac1{\sin\dfrac{u+v}{2}}
\longrightarrow\\
&\longrightarrow-\frac1{\sin v}
=-\frac1{\sqrt{1-x^2}}
\end{aligned}
Здесь v∈(0,π)v\in(0,\pi), поэтому sin⁡v>0\sin v>0. Тождество arccos⁡x=π/2−arcsin⁡x\arccos x=\pi/2-\arcsin x показывает, что разностное отношение арккосинуса противоположно отношению для арксинуса. Из только что вычисленных односторонних отношений следует, что на концах области определенияlim⁡h→0−arccos⁡(1+h)−arccos⁡1h=−∞\lim_{h\to0-}
\frac{\arccos(1+h)-\arccos1}{h}=-\infty
lim⁡h→0+arccos⁡(−1+h)−arccos⁡(−1)h=−∞\lim_{h\to0+}
\frac{\arccos(-1+h)-\arccos(-1)}{h}=-\infty
Следовательно, в точках x=±1x=\pm1 конечной производной нет.

Пункт к)

Пустьu=arctg⁡(x+h),v=arctg⁡xu=\operatorname{arctg}(x+h),
\qquad
v=\operatorname{arctg} x
Тогдаh=tg⁡u−tg⁡v=sin⁡(u−v)cos⁡ucos⁡vh=\operatorname{tg} u-\operatorname{tg} v=\frac{\sin(u-v)}{\cos u\cos v}Отсюдаu−vh=u−vsin⁡(u−v)cos⁡ucos⁡v⟶⟶cos⁡2v=11+tg⁡2v=11+x2\begin{aligned}
\frac{u-v}{h}
&=\frac{u-v}{\sin(u-v)}\cos u\cos v\longrightarrow\\
&\longrightarrow\cos^2v
=\frac1{1+\operatorname{tg}^2v}=\frac1{1+x^2}
\end{aligned}