CONTINUE WISKUNDE 1, 2020 7e college: Differenti¨ eren
Jan-Hendrik Evertse
Universiteit Leiden
evertse@math.leidenuniv.nl
Deel 1: Definities
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.
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)
5/40
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 ).
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.
7/40
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.
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.
9/40
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.
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).
11/40
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).
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.
13/40
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.
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.
15/40
Deel 2: Berekenen van afgeleiden
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 .
17/40
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.
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.
19/40
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 .
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 .
21/40
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 .
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).
23/40
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).
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
f0(π3) = esin πcos π ·13(π3)−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).
25/40
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
f0(π3) = esin πcos π ·13(π3)−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).
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
f0(π3) = esin πcos π ·13(π3)−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).
27/40
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).
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).
29/40
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).
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
31/40
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 ).
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 ).
33/40
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 ).
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 )).
35/40
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 )).
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.
37/40
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.
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.
39/40
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.