Квант
Школа в «Кванте»

Производная сложной и обратной функций

Львовский С. М.

36

Математика 8, 9,10

Публикуемая статья предназначаемая для девятиклассников и десятиклассников.

Производная сложной и обратной функций

Из школьного учебника вам известны две интерпретации производной функции — геометрическая и механическая*). Вы знаете, что существование производной функции ff в точке xx эквивалентно существование невертикальной касательной в точке (x;f(x))(x; f(x))

графика функции, причем угловой коэффициент этой касательной равен f′(x)f'(x). Кроме того, вы знаете, что производная от координаты по времене есть мгновенная скорость. Сейчас мы познакомим вас еще с одной интерпретацией производной. С ее помощью мы проиллюстрируем формулы для производных сложной и обратной функций.

Производная — это коэффициент растяжения

Нарисуем две числовые прямые — синою и красную. На одной из них — синей — будем откладывать значения аргумента, а на другой — красной — соответствующие значения функций (в том же масштабе).

На рисунках 1 и 2 изображено, что получается для функций f(x)=3x+1f(x)=3x+1 и g(x)=x3g(x)=x^3. Как видно из рисунка 1, функция f(x)=3x+1f(x)=3x+1 переводит отре-

*) См. учебное пособие для 9—10 классов «Алгебра и начала анализа» (М., Просвещение, 1988, pp. 22—24).

37

зок [−1; 0] в отрезок [−2; 1], отрезок [0; 1] — в отрезок [1; 4], отрезок [1; 2] — в отрезок [4; 7], и т. д. Во всех этих случаях длина отрезка увеличивается в 3 раза. Это и не удивительно: ведь отрезок [a; b] наша функция переводит в отрезок [3a+1; 3b+1].

Так что функция f(x)=3x+1f(x)=3x+1 длинны всех отрезков числовой оси изменяет одинаково: умножает на 3. (Аналогическое замечание имеет место для любой длиной новой функции.)

Из рисунка 2 видно, что (не линейная) функция g(x)=x3g(x)=x^3 растяивает отрезки, расположенные в разных местах числовой оси, уже по-разному: например, отрезок [0,8; 0,9] — в 2,2 раза, а отрезок [1,1; 1,2] — в 4 раза. Стало быть, бессмысленно спрашивать, во сколько раз gg растяивает отрезки, расположенные на числовой оси bℓnζb\ell n\zeta данной точки. Например, в близки точки x=1x=1. Начнем с отрезков длиной 0,1: отрезок [0,9; 1] увеливается в 2,7 раза, а отрезок [1; 1,1] — в 3,3 раза. Возьмем отрезки корочие — [0,99; 1] и [1; 1,01]. Имеем: 0,993≈0,97,1,013≈1,030,99^3\approx 0,97,1,01^3\approx 1,03 (мы оставляем два знака после запятой). Стало быть, отрезок [1; 1,01] растяивается в 1,013−131,01−1≈3\frac{1,01^3-1^3}{1,01-1}\approx 3 раза; аналогично отрезок [0,99; 1] растявается в 13−0,9931−0,99≈3\frac{1^3-0,99^3}{1-0,99}\approx 3 раза. Если мы будем брать еще более короткие отрезки, содержащие точку 1, то коэффициент растяжения будет еще ближе к 3. Итак, функция g(x)=x3g(x)=x^3 растяется:

1,013−131,01−1=3\frac{1,01^3-1^3}{1,01-1}=3

Грис. 2.

Грисает отрезки, близкие к точке 1, примерно в 3 раза. Чем близke отрезок к точке x=1x=1, тем близke к 3 коэффициент растяжения в точке x=1x=1.

А теперь заметим, что для любой (дифференцируемой) функции ff коэффициент растяжения маленьких отрезков, близких к точке xx, есть не что иное, как производная ff в точке xx. В самом деле, если точка x1x_1 близка к xx, отрезок [x;x1][x; x_1] переходит в отрезок [f(x);f(x1)][f(x); f(x_1)], и коэффициент его растяжения есть f(x1)−f(x)x1−x\frac{f(x_1)-f(x)}{x_1-x}, а это — то самое выражение, которое используется при определении произвольной функции в точке xx (в заменателе стоит приращение аргумента, в числитель — приращение функции). Когда x1x_1 стремится к xx (отрезок укорочивается), это отношение стремится к f′(x)f'(x).

Проверим наш выбор на функции g(x)=x3g(x)=x^3. Как вы знаете, g′(x)=3x2g'(x)=3x^2, так что g′(1)=3g'(1)=3; это совпадает с коэффициентом растяжения, который мы нашли приближенным путем.

В наших примерах коэффициент растяжения, т. е. производная, был больше единицы; если коэффициент растяжения меньше единицы, но положитель, то отрезки, близкие к данной точке, не растяжаются, а скимиются (их длинны умножаются на число, меньше 1); если f′(x)<0f'(x)<0, то отрезки «переворачиваются»: левый конец отрезка [a; b] переходит в правый конец отрезка [f(b);f(a)][f(b); f(a)]. Это и не удивительно: где производная отрицательна, там функция убивает, так что из a<ba<b следует, что f(b)<f(a)f(b)<f(a).

38

Итак, основной выбор этого пункта: маленькие отрезки, близкие к точке xx, растяиваются функцией ff с коэффициентом, близким к f′(x)f'(x). Чем близке отрезок к точке xx, тем близке коэффициент к f′(x)f'(x). Всюду в дальнейшем мы будем для краткости опускать эти разъяснения и писать фразы вроде «функция f(x)=x3f(x)=x^3 растяивает отрезки, близкие к точке 1, в 3 раза». Надеемся, что вас это не смутит.

Композиция функций (сложная функция)

Возьем функцию f(x)=x3+1f(x)=\sqrt{x^3}+1. Она переводит точку xx в точку x3+1\sqrt{x^3}+1. Этот перевод можно осуществить в два этапа: сначала точку xx перевести в точку t=x3+1t=x^3+1, а затем точку tt перевести в точку t\sqrt{t}. Рассмотрим функции g(x)=x3+1g(x)=x^3+1 и h(t)=th(t)=\sqrt{t}. Тогда получится, что f(x)=h(g(x))f(x)=h(g(x)). Иногда это записью так: f=h∘gf=h\circ g и говорят, что ff — композиция функций hh и gg. Про запись f(x)=h(g(x))f(x)=h(g(x)) говорят также, что ff записана в виде сложной функции.

Если воспользоваться нашим схематическим изображением функций, получится то, что изображено на рисунке 3. (По-прежнему значения xx — на синей оси, значения f(x)f(x) — на красной.)

Как вычислить произвольную сложной функции

Рассмотрим все ту же функцию f(x)=x3+1f(x)=\sqrt{x^3}+1 и найдем ее произвольную в точке x=2x=2. Мы уже знаем, что произвольная в точке x=2x=2 — это коэффициент растяжения близких к точке 2 отрезков при перехождение с синей оси на красную (рис. 3). По дороге с синей оси на красную отрезок попадает, однako, на зеленую ось, где его длина умножается на g′(2)=12g'(2)=12; при перехождение с зеленой на красную ось длина полученного отрезка умножается, в свою очередь, на h′(g(2))=h′(9)=16h'(g(2))=h'(9)=\frac{1}{6}; всего, стало быть,

39

длина отрезка умножится на 12⋅16=212 \cdot \frac{1}{6} = 2, так что f′(2)=2f'(2) = 2.

Повторяя то же рассуждение для любой точки xx, мы получим такое правило:

если f(x)=h(g(x)),то f′(x)=g′(x)⋅h′(g(x)).\text{если } f(x) = h(g(x)), \\ \text{то } f'(x) = g'(x) \cdot h'(g(x)).

Это же, разумеется, верно для любых функций hh и gg.

В нашем случае, когда h(t)=t,g(x)=x3+1,f(x)=x3+1h(t) = \sqrt{t}, g(x) = x^3 + 1, f(x) = \sqrt{x^3 + 1}, получаем

f′(x)=3x2⋅12x3+1.f'(x) = 3x^2 \cdot \frac{1}{2\sqrt{x^3 + 1}}.

Итак, мы получили известную вам из учебника формулу для произвольной сложной функции. Можно записать аналогичную формулу и для случая, когда ff — комплексная не двух, а трех, четырех и т. д. функций.

Обратная функция

На рисунке 4 изображена уже приведенным нам способом функция f(x)=x3+1f(x) = x^3 + 1. Сплошные стрелки на этом рисунке показывают, как точки xx с ней оси переводятся в точки y=x3+1y = x^3 + 1 красной оси. А теперь представим себе, что рисунок 4 задает закон, по которым, наоборот, точки с красной оси переводят на синюю (стрелки, идущее вверх на рисунке)— точки y=x3+1y = x^3 + 1 переводят в точки xx. Можно выразить xx через yy формулой x=y−13x = \sqrt[3]{y - 1}. Получилось описание новой функции. Обозначим ее буквой gg: g(y)=y−13g(y) = \sqrt[3]{y - 1}. Функция g(y)=y−13g(y) = \sqrt[3]{y - 1} называется обратной к функции f(x)=x3+1f(x) = x^3 + 1. Заметим, что в формуле, определяющей функцию gg (как и вообще во всякой формуле, определяющей функцию), неависимую переменную yy можно обозначить любой буквой. Можно например, записать g(t)=t−13g(t) = \sqrt[3]{t - 1} или даже g(x)=x−13g(x) = \sqrt[3]{x - 1}.

Заметим еще, что не у всякой функции существует обратная. Возьмем, например, функцию f(x)=x2f(x) = x^2. Эта функция переводит и точку 2, и точку (-2) в точку 4. Если gg — обратная