• No results found

CONTINUE WISKUNDE 1, 2020 7e college: Differenti¨eren Jan-Hendrik Evertse

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "CONTINUE WISKUNDE 1, 2020 7e college: Differenti¨eren Jan-Hendrik Evertse"

Copied!
40
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

CONTINUE WISKUNDE 1, 2020 7e college: Differenti¨ eren

Jan-Hendrik Evertse

Universiteit Leiden

evertse@math.leidenuniv.nl

(2)

Deel 1: Definities

(3)

3/40

Vergelijking van een lijn

Gegeven is de lijn door de punten (a, b) en (c, d ).

Neem een willekeurig punt (x , y ) op de lijn.

Dan is

y − b

x − a =d − b

c − a = tan α.

Dit geeft y − b = d −bc−a· (x − a) ofwel

y = b +d −bc−a· (x − a) (de vergelijking van de lijn).

We noemen d −b

c−a de richtingsco¨effici¨ent van de lijn.

Deze is gelijk aan de tangens van de hellingshoek α.

(4)

De afgeleide

Laat f een functie zijn. Neem een punt (a, f (a)) op de grafiek van f , en een ander punt (a + h, f (a + h)) in de buurt van (a, f (a)). Het getal h mag ook negatief zijn.

Dan heeft de lijn door (a, f (a)) en (a + h, f (a + h)) vergelijking y = f (a) +f (a+h)−f (a)

h · (x − a).

Wanneer we h naar 0 laten naderen (van rechts of van links) dan nadert

f (a+h)−f (a)

(5)

5/40

De afgeleide

Laat f een functie zijn. Neem aan dat f gedefinieerd is in x = a en in een interval rondom x = a.

We zeggen dat f differentieerbaar is in x = a als lim

h→0

f (a + h) − f (a) h bestaat.

We noemen deze limiet de afgeleide van f in a, notatie f0(a) of df dx(a) of dy

dx(a) als y = f (x ).

(6)

Raaklijn, lineaire benadering

Laat f een functie zijn die differentieerbaar is in x = a.

Dan heeft de grafiek van f een raaklijn in het punt (a, f (a)). De vergelijking daarvan is

y = f (a) + f0(a)(x − a).

Dus de afgeleide f0(a) is de richtingsco¨effici¨ent van de raaklijn.

f (a) + f0(a)(x − a) is een redelijke benadering van f (x ) wanneer x dichtbij a ligt (de lineaire benadering).

Wanneer x verder van a vandaan ligt is dit geen goede benadering meer.

(7)

7/40

Raaklijn, lineaire benadering

Laat f een functie zijn die differentieerbaar is in x = a.

Dan heeft de grafiek van f een raaklijn in het punt (a, f (a)). De vergelijking daarvan is

y = f (a) + f0(a)(x − a).

Dus de afgeleide f0(a) is de richtingsco¨effici¨ent van de raaklijn.

f (a) + f0(a)(x − a) is een redelijke benadering van f (x ) wanneer x dichtbij a ligt (de lineaire benadering).

Wanneer x verder van a vandaan ligt is dit geen goede benadering meer.

(8)

Relatie tussen continu¨ıteit en differentieerbaarheid

Ruwgezegd is een functie f continu in x = a als de grafiek van f in het punt (a, f (a)) geen gat heeft, en differentieerbaar in x = a als de grafiek van f in (a, f (a)) geen gat en geen knik heeft

(dit is natuurlijk geen goede wiskundige formulering maar het geeft het idee).

Dus differentieerbaarheid is sterker dan continu¨ıteit.

De functie in het plaatje is wel continu (geen gat) maar niet differentieerbaar (wel een knik) in x = a.

(9)

9/40

Differentieerbaarheid in randpunten

Als a een linker randpunt is van het domein van f dan zeggen we dat f differentieerbaar is in x = a als lim

h↓0

f (a + h) − f (a)

h bestaat;

als a een rechter randpunt is van het domein van f dan zeggen we dat f differentieerbaar is in x = a als lim

h↑0

f (a + h) − f (a)

h bestaat.

De functie in het plaatje is gedefinieerd op [a, b]. Deze functie is differentieerbaar in de randpunten x = a en x = b en in alle punten daartussen.

(10)

Verticale raaklijnen

Als lim

h↓0

f (a + h) − f (a)

h = ±∞ en/of lim

h↑0

f (a + h) − f (a)

h = ±∞ dan

heeft de grafiek van f een verticale raaklijn in (a, f (a)).

Voorbeeld. Laat f (x ) =√3

x . Dan geldt

lim

h↓0

f (h) − f (0)

h = lim

h↓0

h1/3 h = lim

h↓0h−2/3= ∞, lim

h↑0

f (h) − f (0) h

u=−h= lim

u↓0

(−u)1/3

−u = lim

u↓0

u1/3 u = ∞. Dus de grafiek van f heeft een verticale raaklijn in (0, 0).

(11)

11/40

Verticale raaklijnen

Als lim

h↓0

f (a + h) − f (a)

h = ±∞ en/of lim

h↑0

f (a + h) − f (a)

h = ±∞ dan

heeft de grafiek van f een verticale raaklijn in (a, f (a)).

Voorbeeld. Laat f (x ) =√3

x . Dan geldt

lim

h↓0

f (h) − f (0)

h = lim

h↓0

h1/3 h = lim

h↓0h−2/3= ∞, lim

h↑0

f (h) − f (0) h

u=−h= lim

u↓0

(−u)1/3

−u = lim

u↓0

u1/3 u = ∞.

Dus de grafiek van f heeft een verticale raaklijn in (0, 0).

(12)

De afgeleide functie

We zeggen dat een functie f : D → R differentieerbaar is als f

differentieerbaar is in elk punt van D, dat wil zeggen f0(x ) bestaat voor elke x ∈ D. Dit definieert de afgeleide functie van f .

Voorbeeld. Bepaal de afgeleide van f (x ) =√

x , direct uit de definitie van afgeleide.

We gebruiken de worteltruc. Voor x > 0 geldt f0(x ) = lim

h→0

√x + h −√ x

h = lim

h→0

(√

x + h −√ x )(√

x + h +√ x ) h(√

x + h +√ x )

= lim

h→0

x + h − x h(√

x + h +√

x ) = lim

h→0

h h(√

x + h +√ x )

= lim

h→0

√ 1

x + h +√ x = 1

2√ x.

(13)

13/40

De afgeleide functie

We zeggen dat een functie f : D → R differentieerbaar is als f

differentieerbaar is in elk punt van D, dat wil zeggen f0(x ) bestaat voor elke x ∈ D. Dit definieert de afgeleide functie van f .

Voorbeeld. Bepaal de afgeleide van f (x ) =√

x , direct uit de definitie van afgeleide.

We gebruiken de worteltruc. Voor x > 0 geldt f0(x ) = lim

h→0

√x + h −√ x

h = lim

h→0

(√

x + h −√ x )(√

x + h +√ x ) h(√

x + h +√ x )

= lim

h→0

x + h − x h(√

x + h +√

x ) = lim

h→0

h h(√

x + h +√ x )

= lim

h→0

√ 1

x + h +√ x = 1

2√ x.

(14)

De afgeleide functie

We zeggen dat een functie f : D → R differentieerbaar is als f

differentieerbaar is in elk punt van D, dat wil zeggen f0(x ) bestaat voor elke x ∈ D. Dit definieert de afgeleide functie van f .

Voorbeeld. Bepaal de afgeleide van f (x ) =√

x , direct uit de definitie van afgeleide.

We gebruiken de worteltruc. Voor x > 0 geldt f0(x ) = lim

h→0

√x + h −√ x

h = lim

h→0

(√

x + h −√ x )(√

x + h +√ x ) h(√

x + h +√ x )

= lim

h→0

x + h − x h(√

x + h +√

x ) = lim

h→0

h h(√

x + h +√ x )

= lim

h→0

√ 1

x + h +√ x = 1

2√ x.

(15)

15/40

Deel 2: Berekenen van afgeleiden

(16)

Rekenregels voor som, verschil, product, quoti¨ ent

We geven zonder bewijs enkele regels.

Zijn f , g : D → R differentieerbare functies. Dan zijn cf (constante maal f ), f + g , f − g , fg differentieerbaar op D en f /g is differentieerbaar voor alle x ∈ D met g (x ) 6= 0. Verder geldt voor hun afgeleiden

(cf )0 = cf0, (f + g )0 = f0+ g0, (f − g )0= f0− g0, (fg )0= f0g + fg0, (f /g )0 =gf0− fg0

g2 .

(17)

17/40

De kettingregel

De samengestelde functie g (f (x )) (of g ◦ f ) krijg je door in de uitdrukking voor g (x ), overal x te vervangen door f (x ). Als f en g differentieerbaar zijn dan is g ◦ f dat ook.

Zijn, f , g differentieerbare functies, waarbij het bereik van f bevat is in het domein van g . Dan geldt:

(g (f (x ))0= g0(f (x ))f0(x ),

dat wil zeggen we moeten in de uitdrukking voor g0(x ) overal x vervangen door f (x ) en daarna met f (x ) vermenigvuldigen.

Schrijf y = f (x ), z = g (y ). Dan is z = g (f (x )). We kunnen de afgeleiden van deze functies noteren als

f0(x ) = dy

dx, g0(y ) = dz

dy, g (f (x ))0 = dz dx. Dan kunnen we de kettingregel schrijven als dz

dx = dz dy · dy

dx.

(18)

Een basislijstje van afgeleiden

We geven zonder bewijs een lijstje afgeleiden van enkele belangrijke functies (een bewijs heeft nogal wat voeten in aarde).

f (x ) = c (constante functie) ⇒ f0(x ) = 0 (xα)0= αxα−1

sin0x = cos x cos0x = − sin x (ex)0= ex ln0x = x1.

We kunnen van allerlei functies de afgeleiden berekenen met behulp van dit lijstje en de rekenregels van de vorige dia’s.

(19)

19/40

Voorbeeld

Wat is de afgeleide van tan x ?

Volgens de quoti¨entregel is tan0x = sin x

cos x

0

= cos x · sin0x − sin x · cos0x cos2x

= cos x · cos x − sin x (− sin x )

cos2x =cos2x + sin2x cos2x

= 1

cos2x.

Een andere uitdrukking voor tan0x is cos2x

cos2x + sin2x

cos2x = 1 + tan2x .

(20)

Voorbeeld

Wat is de afgeleide van tan x ? Volgens de quoti¨entregel is

tan0x = sin x cos x

0

= cos x · sin0x − sin x · cos0x cos2x

= cos x · cos x − sin x (− sin x )

cos2x =cos2x + sin2x cos2x

= 1

cos2x.

Een andere uitdrukking voor tan0x is cos2x

cos2x + sin2x

cos2x = 1 + tan2x .

(21)

21/40

Voorbeeld

Wat is de afgeleide van tan x ? Volgens de quoti¨entregel is

tan0x = sin x cos x

0

= cos x · sin0x − sin x · cos0x cos2x

= cos x · cos x − sin x (− sin x )

cos2x =cos2x + sin2x cos2x

= 1

cos2x.

Een andere uitdrukking voor tan0x is cos2x

cos2x + sin2x

cos2x = 1 + tan2x .

(22)

Een toepassing van de kettingregel

Gegeven is een differentieerbare functie f . Druk de afgeleide van g (x ) = f (x2+ x + 1) uit in de afgeleide van f .

g0(x ) = f0(x2+ x + 1) · (x2+ x + 1)0 = f0(x2+ x + 1) · (2x + 1).

(23)

23/40

Een toepassing van de kettingregel

Gegeven is een differentieerbare functie f . Druk de afgeleide van g (x ) = f (x2+ x + 1) uit in de afgeleide van f .

g0(x ) = f0(x2+ x + 1) · (x2+ x + 1)0 = f0(x2+ x + 1) · (2x + 1).

(24)

Herhaaldelijke toepassing van de kettingregel

1) Bepaal de afgeleide van f (x ) = esin(3

x ).

2) Bepaal de raaklijn aan de grafiek van f in het punt (π3, f (π3)).

f0(x ) = esin(3

x )(sin(√3

x ))0= esin(3

x )sin0(√3 x )(√3

x )0

= esin(3

x )cos(√3

x )(x1/3)0

= esin(3

x )cos(√3

x ) ·13x−2/3.

De vergelijking van de raaklijn aan de grafiek van f in (a, f (a)) is y = f (a) + f0(a)(x − a).

In ons geval is a = π3, f (π3) = esin π= e0= 1 en

f03) = esin πcos π ·133)−2/3= e0(−1) · 13π−2= −13π−2. Dus de vergelijking van de raaklijn is y = 1 −13π−2(x − π3) (dit hoef je niet verder uit te werken).

(25)

25/40

Herhaaldelijke toepassing van de kettingregel

1) Bepaal de afgeleide van f (x ) = esin(3

x ).

2) Bepaal de raaklijn aan de grafiek van f in het punt (π3, f (π3)).

f0(x ) = esin(3

x )(sin(√3

x ))0= esin(3

x )sin0(√3 x )(√3

x )0

= esin(3

x )cos(√3

x )(x1/3)0

= esin(3

x )cos(√3

x ) ·13x−2/3.

De vergelijking van de raaklijn aan de grafiek van f in (a, f (a)) is y = f (a) + f0(a)(x − a).

In ons geval is a = π3, f (π3) = esin π= e0= 1 en

f03) = esin πcos π ·133)−2/3= e0(−1) · 13π−2= −13π−2. Dus de vergelijking van de raaklijn is y = 1 −13π−2(x − π3) (dit hoef je niet verder uit te werken).

(26)

Herhaaldelijke toepassing van de kettingregel

1) Bepaal de afgeleide van f (x ) = esin(3

x ).

2) Bepaal de raaklijn aan de grafiek van f in het punt (π3, f (π3)).

f0(x ) = esin(3

x )(sin(√3

x ))0= esin(3

x )sin0(√3 x )(√3

x )0

= esin(3

x )cos(√3

x )(x1/3)0

= esin(3

x )cos(√3

x ) ·13x−2/3.

De vergelijking van de raaklijn aan de grafiek van f in (a, f (a)) is y = f (a) + f0(a)(x − a).

In ons geval is a = π3, f (π3) = esin π= e0= 1 en

f03) = esin πcos π ·133)−2/3= e0(−1) · 13π−2= −13π−2. Dus de vergelijking van de raaklijn is y = 1 −13π−2(x − π3) (dit hoef je niet verder uit te werken).

(27)

27/40

Een ingewikkelder voorbeeld

Bepaal de afgeleide van f (x ) = lnx2+ 1 x4+ 1

 .

Wegens de kettingregel is f0(x ) = ln0x2+ 1

x4+ 1

·x2+ 1 x4+ 1

0

=x2+ 1 x4+ 1

−1

·x2+ 1 x4+ 1

0

= x4+ 1

x2+ 1 ·x2+ 1 x4+ 1

0

. Volgens de quoti¨entregel is

x2+ 1 x4+ 1

0

= (x4+ 1)(x2+ 1)0− (x2+ 1)(x4+ 1)0 (x4+ 1)2

= 2x5+ 2x − 4x5− 4x3

(x4+ 1)2 = −2x5− 4x3+ 2x (x4+ 1)2 . Dus

f0(x ) = x4+ 1

x2+ 1· −2x5− 4x3+ 2x

(x4+ 1)2 =−2x5− 4x3+ 2x (x2+ 1)(x4+ 1).

(28)

Een ingewikkelder voorbeeld

Bepaal de afgeleide van f (x ) = lnx2+ 1 x4+ 1

 . Wegens de kettingregel is

f0(x ) = ln0x2+ 1 x4+ 1

·x2+ 1 x4+ 1

0

=x2+ 1 x4+ 1

−1

·x2+ 1 x4+ 1

0

= x4+ 1

x2+ 1 ·x2+ 1 x4+ 1

0

.

Volgens de quoti¨entregel is

x2+ 1 x4+ 1

0

= (x4+ 1)(x2+ 1)0− (x2+ 1)(x4+ 1)0 (x4+ 1)2

= 2x5+ 2x − 4x5− 4x3

(x4+ 1)2 = −2x5− 4x3+ 2x (x4+ 1)2 . Dus

f0(x ) = x4+ 1

x2+ 1· −2x5− 4x3+ 2x

(x4+ 1)2 =−2x5− 4x3+ 2x (x2+ 1)(x4+ 1).

(29)

29/40

Een ingewikkelder voorbeeld

Bepaal de afgeleide van f (x ) = lnx2+ 1 x4+ 1

 . Wegens de kettingregel is

f0(x ) = ln0x2+ 1 x4+ 1

·x2+ 1 x4+ 1

0

=x2+ 1 x4+ 1

−1

·x2+ 1 x4+ 1

0

= x4+ 1

x2+ 1 ·x2+ 1 x4+ 1

0

. Volgens de quoti¨entregel is

x2+ 1 x4+ 1

0

= (x4+ 1)(x2+ 1)0− (x2+ 1)(x4+ 1)0 (x4+ 1)2

= 2x5+ 2x − 4x5− 4x3

(x4+ 1)2 = −2x5− 4x3+ 2x (x4+ 1)2 .

Dus

f0(x ) = x4+ 1

x2+ 1· −2x5− 4x3+ 2x

(x4+ 1)2 =−2x5− 4x3+ 2x (x2+ 1)(x4+ 1).

(30)

Een ingewikkelder voorbeeld

Bepaal de afgeleide van f (x ) = lnx2+ 1 x4+ 1

 . Wegens de kettingregel is

f0(x ) = ln0x2+ 1 x4+ 1

·x2+ 1 x4+ 1

0

=x2+ 1 x4+ 1

−1

·x2+ 1 x4+ 1

0

= x4+ 1

x2+ 1 ·x2+ 1 x4+ 1

0

. Volgens de quoti¨entregel is

x2+ 1 x4+ 1

0

= (x4+ 1)(x2+ 1)0− (x2+ 1)(x4+ 1)0 (x4+ 1)2

= 2x5+ 2x − 4x5− 4x3

(x4+ 1)2 = −2x5− 4x3+ 2x (x4+ 1)2 . Dus

(31)

31/40

Differentiatie van functies van de vorm f (x )

g (x )

We schrijven f (x )g (x )= (eln f (x ))g (x )= eg (x ) ln f (x ) en differenti¨eren dit met behulp van de kettingregel.

Voorbeeld. Bepaal de afgeleide van f (x ) = xx. We schrijven f (x ) = ex ln x. Dit geeft

f0(x ) = (ex ln x)0= ex ln x· (x ln x)0 = ex ln x· (x ln0x + x0ln x )

= ex ln x· (x ·1

x + 1 · ln x )

= xx(1 + ln x ).

(32)

Differentiatie van functies van de vorm f (x )

g (x )

We schrijven f (x )g (x )= (eln f (x ))g (x )= eg (x ) ln f (x ) en differenti¨eren dit met behulp van de kettingregel.

Voorbeeld. Bepaal de afgeleide van f (x ) = xx.

We schrijven f (x ) = ex ln x. Dit geeft

f0(x ) = (ex ln x)0= ex ln x· (x ln x)0 = ex ln x· (x ln0x + x0ln x )

= ex ln x· (x ·1

x + 1 · ln x )

= xx(1 + ln x ).

(33)

33/40

Differentiatie van functies van de vorm f (x )

g (x )

We schrijven f (x )g (x )= (eln f (x ))g (x )= eg (x ) ln f (x ) en differenti¨eren dit met behulp van de kettingregel.

Voorbeeld. Bepaal de afgeleide van f (x ) = xx. We schrijven f (x ) = ex ln x. Dit geeft

f0(x ) = (ex ln x)0= ex ln x· (x ln x)0 = ex ln x· (x ln0x + x0ln x )

= ex ln x· (x ·1

x + 1 · ln x )

= xx(1 + ln x ).

(34)

Differenti¨ eren van inverse functies

Laat f een differentieerbare functie zijn met domain D en bereik B. Dan is f−1ook differentieerbaar met domein B en bereik D, en er geldt

(f−1)0(x ) = 1 f0(f−1(x )).

Bewijs. Schrijf y = f−1(x ). Dan is x = f (y ), dus x = f (f−1(x )). Passen we hierop de kettingregel toe dan vinden we

x0= f0(f−1(x )) · (f−1)0(x ), dus 1 = f0(f−1(x )) · (f−1)0(x ) dus (f−1)0(x ) = 1

f0(f−1(x )).

(35)

35/40

Differenti¨ eren van inverse functies

Laat f een differentieerbare functie zijn met domain D en bereik B. Dan is f−1ook differentieerbaar met domein B en bereik D, en er geldt

(f−1)0(x ) = 1 f0(f−1(x )).

Bewijs. Schrijf y = f−1(x ). Dan is x = f (y ), dus x = f (f−1(x )).

Passen we hierop de kettingregel toe dan vinden we

x0 = f0(f−1(x )) · (f−1)0(x ), dus 1 = f0(f−1(x )) · (f−1)0(x ) dus (f−1)0(x ) = 1

f0(f−1(x )).

(36)

Afgeleide van arcsin x

We bekijken sin x op [−12π,12π].

Op dit domein is sin x stijgend, dus inverteerbaar. Het bereik van sin x is [−1, 1].

De inverse van sin x op [−12π,12π] noemen we arcsin x . Dus sin(arcsin x ) = x .

De functie arcsin x heeft domein [−1, 1] en bereik [−12π,12π]. Er geldt

arcsin0x = 1

√1 − x2.

(37)

37/40

Afgeleide van arcsin x

arcsin0x = 1

√1 − x2.

Bewijs. Uit de formule voor de afgeleide van de inverse volgt arcsin0x = 1

sin0(arcsin x ) = 1 cos(arcsin x ).

We kunnen dit vereenvoudigen. Schrijf y = arcsin x . Dan is sin y = x ,

12π ≤ y ≤ 12π.

Er geldt cos y ≥ 0, cos2y + sin2y = 1, cos2y = 1 − sin2y , dus cos y =p

1 − sin2y .

Dit geeft tenslotte cos(arcsin x ) =p

1 − sin2y =√ 1 − x2. Hieruit volgt arcsin0x = 1

√1 − x2.

(38)

Afgeleide van arctan x

We bekijken tan x op (−12π,12π).

Op dit domein is tan x stijgend, dus inverteerbaar. Het bereik van tan x is (−∞, ∞) = R.

De inverse van tan x op (−12π,12π) noemen we arctan x . Dus tan(arctan x ) = x .

De functie arctan x heeft domein R en bereik (−12π,12π). Er geldt

arctan0x = 1 1 + x2.

Bewijs. We weten dat tan0x = 1 + tan2x .

Door dit in de formule voor de afgeleide van de inverse in te vullen volgt arctan0x = 1

tan0(arctan x ) = 1

1 + tan2(arctan x ) = 1 1 + x2.

(39)

39/40

Afgeleide van arctan x

We bekijken tan x op (−12π,12π).

Op dit domein is tan x stijgend, dus inverteerbaar. Het bereik van tan x is (−∞, ∞) = R.

De inverse van tan x op (−12π,12π) noemen we arctan x . Dus tan(arctan x ) = x .

De functie arctan x heeft domein R en bereik (−12π,12π). Er geldt

arctan0x = 1 1 + x2.

Bewijs. We weten dat tan0x = 1 + tan2x .

Door dit in de formule voor de afgeleide van de inverse in te vullen volgt arctan0x = 1

tan0(arctan x ) = 1

1 + tan2(arctan x ) = 1 1 + x2.

(40)

Einde van het college

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

Het maximum van g kan geschreven worden in de vorm a b met b een zo klein mogelijk geheel getal.. Geef je antwoord in twee decimalen

4p 16 Bereken met behulp van differentiëren de exacte waarde van de helling van de grafiek van f in het punt met x

Hoe groter de waarde van n is, hoe meer de grafiek van k, aangevuld met de lijnstukken OA en OC, lijkt op een vierkant OABC.. In figuur 6 zijn voor enkele waarden van n de

6p 18 † Bereken met behulp van differentiëren de richtingscoëfficiënt van de lijn l.. Geef het exacte

Hoe groter de waarde van n is, hoe meer de grafiek van k, aangevuld met de lijnstukken OA en OC, lijkt op een vierkant OABC.. In figuur 6 zijn voor enkele waarden van n de

Tussen twee punten P en S die even ver van O op de x -as liggen, wordt denkbeeldig een touwtje gespannen dat over deze parabool heen gaat.. PQ en RS zijn raaklijnstukken

− De speler die aan de beurt is, werpt met één dobbelsteen als hij één fiche heeft en met twee dobbelstenen als hij twee of meer fiches heeft.. − Voor elke A die een speler

[r]