Docsity
Docsity

Przygotuj się do egzaminów
Przygotuj się do egzaminów

Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity


Otrzymaj punkty, aby pobrać
Otrzymaj punkty, aby pobrać

Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium


Informacje i wskazówki
Informacje i wskazówki

Pochodna funkcji jednej zmiennej, Streszczenia z Informatyka

2. Korzystaj¡c z definicji pochodnych jednostronnych sprawdzi¢ czy istniej¡ pochodne funkcji: a) f(x) = |x| w punkcie x0 = ...

Typologia: Streszczenia

2022/2023

Załadowany 24.02.2023

Grzegorz_Br
Grzegorz_Br 🇵🇱

4.5

(15)

98 dokumenty

1 / 11

Toggle sidebar

Ta strona nie jest widoczna w podglądzie

Nie przegap ważnych części!

bg1
dr Krzysztof yjewski Informatyka, rok I, S-
Io,
in». 7 kwietnia 2020
Pochodna funkcji jednej zmiennej
1. Korzystaj¡c z denicji obliczy¢ pochodne podanych funkcji we wskazanych punktach:
a)
f(x) = x2;x0R
, b)
f(x) = sin x;x0R
, c)
f(x) = 1
1x;x0=3
.
d)
f(x) = 3x4
2x3;x0= 1,
e)
f(x)=2x2+ 5 x0= 2;
f)
f(x) = x4, x0= 0.
2. Korzystaj¡c z denicji pochodnych jednostronnych sprawdzi¢ czy istniej¡ pochodne funkcji:
a)
f(x) = |x|
w punkcie
x0= 0;
b)
f(x) = x|x|
w punkcie
x0= 0.
3. Zbadaj ró»niczkowalno±¢ podanych funkcji w punkcie
x0:
a)
f(x) = 3
x, x0= 0
b)
f(x) = |x4|, x0= 4
c)
f(x) = |x|+ 4x, x0= 0
4. Korzystaj¡c ze wzorów na pochod funkcji elementarnych, oblicz:
1) f(x) = 5x4+ 5x2
32x3+5
x3+ 7 2) f(x) = 1
3x33
2x4+x4x3
4
x+ 2 ln x4 sin x
3) f(x) = (4x22xx)(2x+x) 4) f(x) = (3x44x+ 5) cos x
5) f(x) = 3xx3+x2log5x6) f(x) = ln x·arctg x7 log 5x·ctg x
7) f(x) = x23x+1
2x2+4 8) f(x) = sin x+cos x
sin xcos x
9) f(x) = x2·cos x
2x3+8x+1 10) f(x) = cos 2x
11) f(x) = ex2+4 12) f(x) = x2+ 2x10
13) f(x) = 6arctg x14) f(x) = (5xx5)10
15) f(x) = 5sin x16) f(x) = tg2(3x4)
17) f(x) = ln53x+4
x2+1 18) f(x) = x2cos e3x
21) f(x) = ln arctg e2x23) f(x) = ln q1+sin x
1sin x
24) f(x) = log7
2(e2x+ 1) 25) f(x) = ex·4
x3·sin2x
5. Dla funkcji danych wzoram
f(x) = ln tg x2
,
g(x) = 5
x3
oblicz
f0(x), g0(x)
oraz
f0(pπ
4), g0(0).
6. Korzystj¡c z metody pochodnej logarytmicznej oblicz pochodne pochodne:
a)
f(x) = xln x
b)
f(x) = xx2
c)
f(x) = 10x3x
d)
f(x) = (tg x)cos x
e)
f(x) = x
x33x2+ 2
f)
f(x) = x1
ln x
7. Oblicz pochodn¡ do
6
rz¦du z funkcji:
a)
y=e2x
, b)
y=x64x3+ 15x216x+ 5
, c)
y= cos x
.
8. Napisz wnanie stycznej do wykresu danej funkcji w podanym punkcie:
a)
y=x2+ 5x1,(x0, y0) = (1,5),
b)
y=3x4
2x3,(x0, y0) = (2,2),
c)
y=1 + x3,
gdy
y0= 3,
d)
y= 2x2+ 5;
gdy
x0= 2.
9. Wyka», »e krzywa
y=|log2x|
nie ma stycznej w punkcie
(1,0).
10. Oblicz jaki k¡t tworzy z osi¡ OX styczna do krzywej
y=x23x6
w
x= 1
.
11. Obliczy¢ k¡ty, pod jakimi przecina si¦ wykresy funkcji:
a)
f(x) = x3x2+ 4x+ 1, g(x) = x+ 4;
b)
f(x)=2x, g(x) = 4x.
1
pf3
pf4
pf5
pf8
pf9
pfa

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz Pochodna funkcji jednej zmiennej i więcej Streszczenia w PDF z Informatyka tylko na Docsity!

Pochodna funkcji jednej zmiennej

  1. Korzystaj¡c z denicji obliczy¢ pochodne podanych funkcji we wskazanych punktach: a) f (x) = x^2 ; x 0 ∈ R, b) f (x) = sin x; x 0 ∈ R, c) f (x) = (^1) −^1 x ; x 0 = − 3. d) f (x) = 32 xx−−^43 ; x 0 = 1, e) f (x) = 2

x^2 + 5 x 0 = 2; f) f (x) = x^4 , x 0 = 0.

  1. Korzystaj¡c z denicji pochodnych jednostronnych sprawdzi¢ czy istniej¡ pochodne funkcji: a) f (x) = |x| w punkcie x 0 = 0; b) f (x) = x|x| w punkcie x 0 = 0.
  2. Zbadaj ró»niczkowalno±¢ podanych funkcji w punkcie x 0 : a) f (x) = 3

x, x 0 = 0 b) f (x) = |x − 4 |, x 0 = 4 c) f (x) = |x| + 4x, x 0 = 0

  1. Korzystaj¡c ze wzorów na pochodn¡ funkcji elementarnych, oblicz:
    1. f (x) = − 5 x^4 + 5x

2 (^3) − 2 x−^3 + 5

x^3 + 7 2) f (x) = 13 x^3 − 32 x^4 + x

4 √x 3 √ (^4) x + 2 ln x − 4 sin x

  1. f (x) = (4x^2 − 2 x

x)(2x +

x) 4) f (x) = (3x^4 − 4 x + 5) cos x

  1. f (x) = 3xx^3 + x^2 log 5 x 6) f (x) = ln x · arctg x − 7 log 5 x · ctg x
  2. f (x) = x (^2) − 3 x+ 2 x^2 +4 8)^ f^ (x) =^

sin x+cos x sin x−cos x

  1. f (x) = x

(^2) ·cos x − 2 x^3 +8x+1 10)^ f^ (x) = cos 2x

  1. f (x) = ex (^2) +
  2. f (x) =

x^2 + 2x − 10

  1. f (x) = 6

arctg x 14) f (x) = (5x − x^5 )^10

  1. f (x) = 5sin^ x^ 16) f (x) = tg^2 (3x − 4)
  2. f (x) = ln5 3 xx 2 +4+1 18) f (x) = x^2 cos e^3 x
  3. f (x) = ln arctg e^2 x^ 23) f (x) = ln

1+sin x 1 −sin x

  1. f (x) = log^72 (e^2 x^ + 1) 25) f (x) = e−x^ · 4

x^3 · sin^2 x

  1. Dla funkcji danych wzoram f (x) = ln tg x^2 , g(x) = 5

x^3 oblicz f ′(x), g′(x) oraz f ′(

√π 4 ), g

  1. Korzystj¡c z metody pochodnej logarytmicznej oblicz pochodne pochodne: a) f (x) = xln^ x^ b) f (x) = xx 2 c) f (x) = 10x−^3 x d) f (x) = (tg x)cos^ x^ e) f (x) = x

x^3 − 3 x^2 + 2 f) f (x) = x ln^1 x

  1. Oblicz pochodn¡ a» do 6 rz¦du z funkcji: a) y = e^2 x, b) y = x^6 − 4 x^3 + 15x^2 − 16 x + 5, c) y = cos x.
  2. Napisz równanie stycznej do wykresu danej funkcji w podanym punkcie: a) y = x^2 + 5x − 1 , (x 0 , y 0 ) = (1, 5), b) y = 32 xx−−^43 , (x 0 , y 0 ) = (2, 2), c) y =

1 + x^3 , gdy y 0 = 3, d) y = 2

x^2 + 5; gdy x 0 = 2.

  1. Wyka», »e krzywa y = | log 2 x| nie ma stycznej w punkcie (1, 0).
  2. Oblicz jaki k¡t tworzy z osi¡ OX styczna do krzywej y = x^2 − 3 x − 6 w x = 1.
  3. Obliczy¢ k¡ty, pod jakimi przecinaj¡ si¦ wykresy funkcji: a) f (x) = x^3 − x^2 + 4x + 1, g(x) = x + 4; b) f (x) = 2x, g(x) = 4x.
  1. Oblicz podane granice korzystaj¡c z reguªy de L'Hospitala: a) lim x→ 2

x^2 − 4 x− 2 ,^ b)^ lim x→ 0

sin 5x x ,^ c)^ xlim→ 0

sin 2x sin 3x ,^ d)^ xlim→ 0

x−sin x x^3 , e) lim x→+∞

ln x x ,^ f)^ x→lim+∞

x^3 − 2 x+ 4 x^3 +2 ,^ g)^ x→lim+∞

x^4 ex^2 ,^ h)^ xlim→ 0 + x^ ln^ x, i) lim x→ 2 +

(x − 2)e

1 x− (^2) , j) lim x→ 0 −

( (^) x sin^1 x − (^) x^12 ), k) lim x→ 1 x

1 x− (^1) , l) lim x→+∞ (x^2 − e^2 x) ,

m) lim x→ 0 +^

tg x · ln x, n) lim x→ 0 (e^2 x^ + x)

1 x (^) , o) lim x→+∞

π arctg^ x

)x 2 p) lim x→ π 2 −^

(tg x)tg 2x

  1. Wyznacz ekstrema lokalne i zbadaj monotoniczno±¢ poni»szych funkcji:

a) f (x) = −x^3 + x^2 − x, b) f (x) = 3x^4 − 20 x^3 + 48x^2 − 48 x − 2 , c) f (x) = (x+2)

2 x+3 , d) f (x) = lnx^ x e) f (x) = (^) x^42 +4x f) f (x) = x^2 e−x

  1. Okre±l przedziaªy wypukªo±ci i punkty przegi¦cia wykresu funkcji: a) f (x) = (^) 1+^1 x 2 , b) f (x) = 2x^3 +3x^2 − 4 x+10, c) f (x) = x^2 ln x, d) f (x) = arctg (^) x^1.
  2. Wyznacz najmniejsz¡ i najwi¦ksz¡ warto±¢ funkcji f (x) na wskazanych przedziaªach: a) f (x) = 2x^3 − 3 x^2 + 1, x ∈ [0, 10], b) f (x) = (^) x^1 + 4x^2 , x ∈ [^14 , 1].
  3. Korzystaj¡c z ró»niczki funkcji obliczy¢ przybli»one warto±ci podanych funkcji: a) 3
  1. 999 , b) arctg 1, 005 , c) sin 29^0 , d) e^0 ,^04 , e) √ 31 , 98

  2. Je»eli funkcja f jest dwukrotnie ró»niczkowalna na przedziale (a, b). Ponadto dla x 0 ∈ (a, b) zachodz¡ warunki f ′(x 0 ) = 0 oraz f ′′(x 0 ) = − 4 , wówczas w punkcie x 0 mamy: A) punkt przegi¦cia B) asymptot¦ pionow¡ C) minimum lokalne D) maksimum lokalne

  3. Je»eli funkcja f jest trzykrotnie ró»niczkowalna na przedziale (a, b). Ponadto dla x 0 ∈ (a, b) zachodz¡ warunki f ′(x 0 ) = f ′′(0) = 0 oraz f ′′′(x 0 ) = 2, wówczas w punkcie x 0 mamy: A) punkt przegi¦cia B) asymptot¦ pionow¡ C) minimum lokalne D) maksimum lokalne

  4. Je»eli funkcja f jest czterokrotnie ró»niczkowalna na przedziale (a, b). Ponadto dla x 0 ∈ (a, b) zachodz¡ warunki f ′(x 0 ) = f ′′(x 0 ) = f ′′′(x 0 ) = 0 oraz f (4)(x 0 ) = 3, wówczas w punkcie x 0 mamy: A) punkt przegi¦cia B) asymptot¦ pionow¡ C) minimum lokalne D) maksimum lokalne

  5. Pochodna lewostronna funkcji f (x) = | 2 x − 2 | w punkcie x 0 = 1 jest równa: A) − 2 B) 0 C) 2 D) nie istnieje

  6. Wspóªczynnik kierunkowy stycznej do wykresu funkcji f (x) = x (^2) − 1 2 x^2 +1 w punkcie^ x^0 = 0^ wynosi: A) 0 B) − 1 C) 12 D) 2

  7. Je»eli funkcja jest dwukrotnie ró»niczkowalna na przedziale (a, b), ponadto f ′(x) > 0 oraz f ′′(x) < 0 dla ka»dego x ∈ (a, b), to funkcja jest w tym przedziale A) rosn¡ca i wypukªa B) rosn¡ca i wkl¦sªa C) malej¡ca i wypukªa D) malej¡ca i wkl¦sªa

  8. Je»eli funkcja jest dwukrotnie ró»niczkowalna na przedziale (a, b), ponadto f ′(x) ≤ 0 oraz f ′′(x) < 0 dla ka»dego x ∈ (a, b), to funkcja jest w tym przedziale A) rosn¡ca i wy- pukªa

B) nierosn¡ca i wkl¦sªa C) malej¡ca i wypukªa D) niemalej¡ca i wkl¦sªa

Pochodne funkcji elementarnych: Pochodne funkcji elementarnych:

Lp. Wzór 1 Wzór 2 Uwagi

  1. (c)′^ = 0 c ∈ R
  2. (xα)′^ = αxα−^1 (α)′^ = αα−^1 · ′^ α ∈ R \ { 0 }
  3. ( n

x)′^ = (^) n n√^1 xn− 1

√n

= (^) n n√^1 n− 1 · ′^ n ∈ N \ { 0 , 1 }; x > 0

  1. (sin x)′^ = cos x (sin )′^ = (cos ) · ′
  2. (cos x)′^ = − sin x (cos )′^ = (− sin ) · ′
  3. (tg x)′^ = (^) cos^12 x (tg )′^ = (^) cos^12  · ′^ x 6 = π 2 + kπ, k ∈ N
  4. (ctg x)′^ = − (^) sin^12 x (ctg )′^ = − (^) sin^12  · ′^ x 6 = kπ, k ∈ N
  5. (ax)′^ = ax^ · ln a (a)′^ = a^ · ln a · ′^ a > 0
  6. (ex)′^ = ex^ (e)′^ = e^ · ′
  7. (ln x)′^ = (^) x^1 (ln )′^ = (^) ^1 · ′^ x > 0
  8. (loga x)′^ = (^) x ln^1 a (loga )′^ = (^)  ln^1 a · ′^ a > 0 , a 6 = 0; x > 0
  9. (arcsin x)′^ = √ 11 −x 2 (arcsin )′^ = √ 1 −^1  2 · ′^ |x| < 1
  10. (arccos x)′^ = √ 1 −−^1 x 2 (arccos )′^ = √ 1 −−^1  2 · ′^ |x| < 1
  11. (arctg x)′^ = (^) 1+^1 x 2 (arctg )′^ = (^) 1+^1  2 · ′
  12. (arcctg x)′^ = (^) 1+−^1 x 2 (arcctg )′^ = (^) 1+−^12 · ′

Podstawowe wzory rachunku ró»niczkowego: Je±li funkcje f, g : D → R, D ⊂ R s¡ ró»niczkowalne w punkcie x 0 ∈ D to funkcje f +g, f −g, f ·g, fg (o ile g(x 0 ) 6 = 0) s¡ ró»niczkowalne w x 0 ∈ D oraz zachodz¡ wzory:

  1. (f ± g)′(x 0 ) = f ′(x 0 ) ± g′(x 0 );

  2. (f · g)′(x 0 ) = f ′(x 0 ) · g(x 0 ) + f (x 0 ) · g′(x 0 );

(f g

(x 0 ) = f^

′(x 0 )g(x 0 )−f (x 0 )g′(x 0 ) g^2 (x 0 ) , o ile^ g(x^0 )^6 = 0;

  1. (g ◦ f )′(x 0 ) = g′

f (x 0 )

f ′(x 0 );

  1. f −^1 (f (x 0 )) = (^) f ′(^1 x 0 ) o ile f ′(x 0 ) 6 = 0.

Twierdzenie 2. (reguªa de L'Hospitala) Niech funkcje f i g b¦d¡ okre±lone, ci¡gªe i ró»niczkowalne na O(x 0 ) przy czym g′(x 0 ) 6 = 0. Ponadto niech istniej¡ granice lim x→x 0 f (x) = lim x→x 0 g(x) = { 0 , +∞, −∞} oraz wªa±ciwa lub niewªa±ciwa

granica lim x→x 0

f ′(x) g′(x) ,^ to istnieje granica^ xlim→x 0

f (x) g(x) oraz zachodzi:

lim x→x 0

f (x) g(x)

= lim x→x 0

f ′(x) g′(x)

Uwaga 2. Powy»sze twierdzenie jest prawdziwe tak»e dla granic jednostronnych oraz granic na ±∞.

Rodzaj przeksztaªce« wykorzystywanych w obliczaniu granic za pomoc¡ reguªy L'Hospitala

Rodzaj nieoznaczono±ci Stosowane przeksztaªcenie Otrzymana nieoznaczono±¢

0 · ∞ f · g = f 1 g

lub f · g = g 1 f

0 0 lub^

∞ ∞

∞ − ∞ f − g =

1 g −^ 1 1 f f g

0 0

1 ∞, ∞^0 , 00 f g^ = eg^ ln^ f^0 · ∞

Przykªad 1. Stosuj¡c reguª¦ L'Hospitala oblicz granice:

a)lim x→ 1

x^4 − 1 x− 1 =^

[ 0

0

] H

= lim x→ 1

(x^4 −1)′ (x−1)′^ = lim x→ 1

4 x^3 1 =^

4 1 = 4,

b)lim x→ 0

sin x x =^

[ 0

0

] H

= lim x→ 0

(sin x)′ (x)′^ = lim x→ 0

cos x 1 = 1,

c)lim x→ 0

sin 13x 6 x =^

[ 0

0

] H

= lim x→ 0

(sin 13x)′ (6x)′^ = lim x→ 0

13 cos 13x 6 =^

13 6 ,

d)lim x→ 0

sin x−ex+ 2 x^2 =^

[ 0

0

] H

= lim x→ 0

(sin x−ex+1)′ (2x^2 )′^ = lim x→ 0

cos x−ex 4 x =^

[ 0

0

] H

= lim x→ 0

(cos x−ex)′ (4x)′^ = lim x→ 0

− sin x−ex 4 =^

− 1 4

e)lim x→ 0

e^3 x− 3 x− 1 sin^2 5 x =^

[ 0

0

] H

= lim x→ 0

(e^3 x− 3 x−1)′ (sin^2 5 x)′^ = lim x→ 0

3 e^3 x− 3 2 ·5 sin 5x cos 5x =^

[ 0

0

] H

= lim x→ 0

(3e^3 x−3)′ (5 sin 10x)′^ = lim x→ 0

9 e^3 x 5 ·10 cos 10x =^

9 50

f) lim x→+∞

x ln x x+ln x =^

[+∞

+∞

] H

= lim x→+∞

(x ln x)′ (x+ln x)′^ =^ x→lim+∞

ln x+x· (^1) x 1+ (^1) x x→^ lim+∞

ln x+ 1+ (^1) x^ =^

+∞ 1 = +∞,

g) lim x→ 0 +^

xx^ = [O^0 ]

f g^ = eg^ ln^ f^

= lim x→ 0 +^

ex^ ln^ x

Najpierw obliczmy:

lim x→ 0 +^

x ln x = [0 · +∞]

f · g = g 1 f

= lim x→ 0 +

ln 1 x x

[+∞

+∞

] H

= lim x→ 0 +

(ln x)′ ( (^) x^1 )′^ =^ xlim→ 0 +

x^1 − 1 x^2

= lim x→ 0 +

−x^2 x = lim x→ 0 +

(−x) = 0.

Zatem lim x→ 0 +^

xx^ = e^0 = 1.

h) lim x→π+

sin x −^

1 π−x

= [−∞ + ∞]

f − g = g^1 −^ f^1 f^1 ·g

= lim x→π+

π−x−sin x (π−x) sin x =^

[ 0

0

] H

= lim x→π+

(π−x−sin x)′ ((π−x) sin x)′^ =

lim x→π+

− 1 −cos x − sin x+(π−x) cos x

[ 0

0

] H

= lim x→π+

(− 1 −cos x)′ (− sin x+(π−x) cos x)′^ =^ xlim→π+

sin x −2 cos x−(π−x) sin x =^

0 2+0 = 0.

Równanie stycznej do wykresu funkcji: Je±li funkcja f jest ró»niczkowalna w punkcie x 0 to istnieje niepionowa styczna do wykresu funkcji f w punkcie (x 0 , y 0 ) postaci: y − y 0 = f ′(x 0 )(x − x 0 ).

Wszystkie funkcje s¡ funkcjami ci¡gªymi. Ponadto dla x 6 = 0 f ′(x), g′(x), h′(x) > 0 , w punkcie x = 0 funkcja f jest ró»niczkowalna i f ′(0) = 0, =. Dla funkcji g′(0) = +∞, a funkcja i h nie jest ró»niczkowalne w zerze. Natomiast wszystkie trzy funkcje rosn¡ w caªej swojej dziedzinie. Zatem warunek f ′(x) > 0 jest warunkiem dostatecznym, a nie koniecznym.

Twierdzenie 4. Niech funkcja f (x) b¦dzie okre±lona na przedziale [a, b] oraz ró»niczkowalna w (a, b). Wówczas funkcja f (x) jest:

  • niemalej¡ca na przedziale (a, b) wtedy i tylko wtedy, gdy f ′(x) ≥ 0;
  • nierosn¡ca na przedziale (a, b) wtedy i tylko wtedy, gdy f ′(x) ≤ 0.

Przykªad 3. Wyznacz przedziaªy monotoniczno±ci funkcji: a) f (x) = 13 x^3 − 3 x^2 + 5x + 7. Funkcja ta jest ró»niczkowalna oraz

f ′(x) = x^2 − 6 x + 5 = (x − 5)(x − 1).

St¡d f ′(x) > 0 (funkcja monotonicznie ro±nie) dla x ∈ (−∞, 1] ∪ [5, +∞), oraz f ′(x) < 0 (funkcja monotonicznie maleje) dla x ∈ [1, 5].

b) g(x) = (^) x 2 x− 1. Dziedzina funkcji g to: Dg = R \ {− 1 , 1 }. Funkcja jest ró»niczkowalna w Dg oraz jej pochodna wynosi:

g′(x) =

1 · (x^2 − 1) − x · 2 x (x^2 − 1)^2

−x^2 − 1 (x^2 − 1)^2

St¡d g′(x) < 0 (funkcja g monotonicznie maleje ) dla ka»dego x ∈ Dg.

Maksima i minima lokalne

Denicja 4. Mówimy, »e funkcja f okre±lona na otoczeniu punktu x 0 ma w tym punkcie maksimum lokalne, je»eli f (x) ≤ f (x 0 ) dla wszystkich x z S(x 0 ). Punkt x 0 nazywamy punktem lokalnego maksimum, a f (x 0 )lokalnym maksimum.

Mówimy, »e funkcja f (x) okre±lona na otoczeniu punktu x 0 ma w tym punkcie minimum lokalne, je»eli f (x) ≥ f (x 0 ) dla wszystkich x z S(x 0 ). Punkt x 0 nazywamy punktem lokalnego minimum, a f (x 0 ) lokalnym minimum.

Je»eli w powy»szej denicji zachodz¡ nierówno±ci ±cisªe (ostre) tzn. f (x) < f (x 0 ) lub f (x) > f (x 0 ) dla ka»dego x z S(x 0 ) to mówimy odpowiednio o ostrych (wªa±ciwych) maksimach, ostrych(wªa±ciwych) minimach lokalnych.

Minima i maksima lokalne nazywamy ekstremami lokalnymi.

Twierdzenie 5. (Fermata-warunek konieczny istnienia ekstremów) Je»eli funkcja posiada w punkcie x 0 ekstremum lokalne i jest w nim ró»niczkowalna to f ′(x 0 ) = 0.

Twierdzenie odwrotne nie jest prawdziwe np. f (x) = x^3.

Uwaga 4. Funkcja mo»e mie¢ ekstrema lokalne tylko w punktach, w których jej pochodna si¦ zeruje albo w punktach, w których jej pochodna nie istnieje. Punkty te nazywamy punktami krytycznymi.

Przykªad 4. Funkcja y = |x| nie posiada pochodnej w punkcie x 0 = 0, osi¡ga w nim minimum lokalne.

Interpretacja geometryczna twierdzenia Fermata: je»eli funkcja f ma ekstremum lokalne w punkcie x 0 oraz wykres funkcji f posiada w tym punkcie styczn¡, to jest to prosta pozioma.

W punktach x 1 , x 5 oraz dla x ∈ (x 3 , x 4 ) pochodna istnieje i f ′(x) = 0 w punktach tych mamy ekstrema lokalne. Natomiast w punkcie x 2 pochodna nie istnieje, a mimo to mamy minimum lokalne.

Twierdzenie 6. (pierwszy warunek wystarczaj¡cy ekstremum) Je»eli funkcja f jest ci¡gªa w punkcie x 0 i posiada pochodn¡ f ′(x) na pewnym S(x 0 ), przy czym je±li:

a) f ′(x) < 0 dla x ∈ S−(x 0 ) oraz f ′(x) > 0 dla x ∈ S+(x 0 ), to funkcja ta ma w punkcie x 0 ostre (wªa±ciwe) minimum lokalne;

b) f ′(x) > 0 dla x ∈ S−(x 0 ) oraz f ′(x) < 0 dla x ∈ S+(x 0 ), to funkcja ta ma w punkcie x 0 ostre (wªa±ciwe) maksimum lokalne.

Przykªad 5. Wyznacz ekstrema lokalne funkcji: a) f (x) = 13 x^3 − 3 x^2 + 5x + 7; b) f (x) = x^3.

Wypukªo±¢, wkl¦sªo±¢ wykresu funkcji

Denicja 5. Funkcja f (x) jest wypukªa (inaczej: wypukªa do doªu) na przedziale (a; b), je»eli w ka»dym punkcie przedziaªu (a, b) jej wykres le»y nad styczn¡ do wykresu funkcji.

Denicja 6. Funkcja f (x) jest wkl¦sªa (inaczej: wypukªa do góry) na przedziale (a; b), je»eli w ka»dym punkcie przedziaªu (a, b) jej wykres le»y poni»ej stycznej do wykresu funkcji.

Denicja 7. Niech funkcja f (x) b¦dzie ci¡gªa w punkcie x 0. Mówimy, »e punkt (x 0 , f (x 0 )) jest punktem przegi¦cia wykresu funkcji je»eli w tym punkcie ko«czy si¦ przedziaª wypukªo±ci i zaczyna przedziaª wkl¦sªo±ci lub odwrotnie.

Twierdzenie 8. Je»eli f ′′(x) > 0 dla ka»dego x ∈ (a, b), to funkcja jest ±ci±le wypukªa na (a, b). Je»eli f ′′(x) < 0 dla ka»dego x ∈ (a, b), to funkcja jest ±ci±le wkl¦sªa na (a, b).

Twierdzenie 9. (Warunek konieczny istnienia punktu przegi¦cia) Funkcja f (x) posiadaj¡ca w punkcie x 0 druga pochodn¡ ma w punkcie (x 0 , f (x 0 )) punkt przegi¦cia, to f ′′(x 0 ) = 0.

Twierdzenie 10. (I warunek dostateczny istnienia punktu przegi¦cia) Je»eli funkcja posiada pochodn¡ f ′(x 0 ) (tak»e niewªa±ciw¡) oraz druga pochodna f ′′(x) ma przeciwne znaki w ka»dym punkcie lewego i prawego s¡siedztwa punktu x 0 , to funkcja ma w punkcie x 0 punkt przegi¦cia.

Twierdzenie 11. (II warunek dostateczny istnienia punktu przegi¦cia) Je»eli dla funkcji f (x) s¡ speªnione warunki:

  1. f ′(x 0 ) = f ′′(x 0 ) =... = f (n−1)(x 0 ) = 0,

  2. f (n)(x 0 ) 6 = 0, gdzie n ≥ 3 jest liczb¡ nieparzyst¡,

to funkcja f (x) ma w punkcie x 0 punkt przegi¦cia.

Przykªad 7. Zbadaj wkl¦sªo±¢, wypukªo±¢ funkcji f (x) = (x^2 +1)ex^ oraz wyznacz punkty przegi¦cia jej wykresu.

Rozwi¡zanie: Liczymy pierwsz¡ i drug¡ pochodn¡:

f ′(x) = 2xex^ + (x^2 + 1)ex^ ⇒ f ′(x) = (x^2 + 2x + 1)ex;

f ′′(x) = (2x + 2)ex^ + (x^2 + 2x + 1)ex^ ⇒ f ′′(x) = (x^2 + 4x + 3)ex. Poniewa» ex^ > 0 dla ka»dego x ∈ R, wi¦c f ′′(x) ma taki sam charakter jak funkcja parabola y = x^2 + 4x + 3, która ma miejsca zerowe x 1 = − 1 , x 2 = − 3 przyjmuje warto±ci dodatnie dla x ∈ (−∞, −3) ∪ (− 1 , +∞) oraz warto±ci ujemne dla x ∈ (− 3 , −1).

Wobec tego funkcja f (x) = (x^2 + 1)ex:

a) jest wypukªa na zbiorze x ∈ (−∞, −3) ∪ (− 1 , +∞);

b) jest wkl¦sªa na przedziale x ∈ (− 3 , −1);

c) posiada dwa punkty przegi¦cia (−3; 10e−^3 ) oraz (−1; 2e−^1 ).