الرياضيات · المسرد

ما معنى مشتقة؟

تعريف 14.1 الرياضيات الجامعية — السنة 1 · الفصل 14 — الاشتقاق

تكون f ⁣:IRf \colon I \to \R قابلة للاشتقاق عند x0Ix_0 \in I إذا كان لنسبة الفرق f(x)f(x0)xx0\frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0} نهايةٌ (منتهية) عندما xx0x \to x_0؛ وتُكتب النهاية f(x0)f'(x_0). وبكيفية مكافئة:

f(x0+h)=f(x0)+f(x0)h+hε(h),ε(h)h00,f(x_0 + h) = f(x_0) + f'(x_0)\,h + h\,\varepsilon(h), \qquad \varepsilon(h) \xrightarrow[h \to 0]{} 0 ,

ويقبل المنحنى عندئذ المماس y=f(x0)+f(x0)(xx0)y = f(x_0) + f'(x_0)(x - x_0). والقابلية للاشتقاق عند x0x_0 تستلزم الاتصال عند x0x_0 (اقرأ المعروضة). وتكون ff قابلة للاشتقاق على II إذا كانت كذلك عند كل نقطة؛ وتكون ff من الصنف C1C^1 إذا كانت ff' متصلة فوق ذلك، ومن الصنف CkC^k إذا أمكن اشتقاق ff عدد kk مرة مع f(k)f^{(k)} متصلة.

أمثلة

مثال 14.2

عكس «قابلة للاشتقاق \Rightarrow متصلة» يفشل: فالمقدار \abs{\,\cdot\,} عند 00. والأدهش أن القابلية للاشتقاق لا تستلزم الصنف C1C^1: فالدالة f(x)=x2sin1xf(x) = x^2 \sin\frac 1x (f(0)=0f(0) = 0) قابلة للاشتقاق في كل مكان، مع f(0)=0f'(0) = 0، لكن f(x)=2xsin1xcos1xf'(x) = 2x \sin\frac1x - \cos\frac 1x لا نهاية له عند 00 (التمرين 14.2).

مثال 14.3 (قابلة للاشتقاق عند نقطة واحدة بالضبط)

لتكن f(x)=x2f(x) = x^2 من أجل xQx \in \Q و f(x)=0f(x) = 0 من أجل xQx \notin \Q. عند 00: f(h)0hh0\bigl|\frac{f(h) - 0}{h}\bigr| \leq \abs h \to 0، ومنه فالدالة ff قابلة للاشتقاق عند 00 مع f(0)=0f'(0) = 0. وعند أيّ x00x_0 \neq 0، لا تكون ff متصلة أصلًا: إذ ترسل المتتاليات الناطقة والصمّاء المتقاربة إلى x0x_0 الدالةَ ff إلى x020x_0^2 \neq 0 وإلى 00 على الترتيب (بالكثافة، المبرهنة 10.14). ومنه فالقابلية للاشتقاق مفهوم نقطي حقًا: إذ يمكن أن تصحّ عند نقطة واحدة من R\R ولا تصحّ في أيّ موضع آخر. والعبرة العملية: تقتضي عبارات مثل محك الرتابة أو مبرهنة رول المشتقةَ على فترة — فامتلاك f(x0)f'(x_0) عند نقاط معزولة، مهما كثرت، لا يدعم أيّ نتيجة شاملة أصلًا.

مثال 14.6 (مشتقات المعكوسات، مرتين)

تعيد المبرهنة حساب المشتقات الكلاسيكية دون أيّ عمل على النهايات. فمن أجل ln=exp1\ln = \exp^{-1}: عند y=exy = \eu^x،

(ln)(y)=1exp(x)=1ex=1y,(\ln)'(y) = \frac{1}{\exp'(x)} = \frac{1}{\eu^{x}} = \frac1y ,

وهذا صحيح من أجل كل y>0y > 0 لأن exp=exp\exp' = \exp لا ينعدم أبدًا. ومن أجل arctan=tan1\arctan = \tan^{-1}: عند y=tanxy = \tan x،

(arctan)(y)=11+tan2x=11+y2,(\arctan)'(y) = \frac{1}{1 + \tan^2 x} = \frac{1}{1 + y^2} ,

باستعمال tan=1+tan2>0\tan' = 1 + \tan^2 > 0. والفكرة النافذة: تحوّل الصيغة معرفةً عن دالة إلى معرفة عن معكوسها بثمن تعويض واحد — والتعويض (x=lnyx = \ln y و x=arctanyx = \arctan y) هو بالضبط عبارة أن المتغيرين يعيشان على جانبَي التقابل.

اقرأ في الفصل ←