تعريف 14.1الرياضيات الجامعية — السنة 1 · الفصل 14 — الاشتقاق
تكون f:I→Rقابلة للاشتقاق عند x0∈I إذا كان لنسبة الفرق x−x0f(x)−f(x0) نهايةٌ (منتهية) عندما x→x0؛ وتُكتب النهاية f′(x0). وبكيفية مكافئة:
f(x0+h)=f(x0)+f′(x0)h+hε(h),ε(h)h→00,
ويقبل المنحنى عندئذ المماس y=f(x0)+f′(x0)(x−x0). والقابلية للاشتقاق عند x0 تستلزم الاتصال عند x0 (اقرأ المعروضة). وتكون f قابلة للاشتقاق على I إذا كانت كذلك عند كل نقطة؛ وتكون f من الصنف C1 إذا كانت f′متصلة فوق ذلك، ومن الصنف Ck إذا أمكن اشتقاق f عدد k مرة مع f(k)متصلة.
أمثلة
مثال 14.2
عكس «قابلة للاشتقاق⇒متصلة» يفشل: فالمقدار ∣⋅∣ عند 0. والأدهش أن القابلية للاشتقاق لا تستلزم الصنف C1: فالدالة f(x)=x2sinx1 (f(0)=0) قابلة للاشتقاق في كل مكان، مع f′(0)=0، لكن f′(x)=2xsinx1−cosx1 لا نهاية له عند 0 (التمرين 14.2).
مثال 14.3(قابلة للاشتقاق عند نقطة واحدة بالضبط)
لتكن f(x)=x2 من أجل x∈Q و f(x)=0 من أجل x∈/Q. عند 0: hf(h)−0≤∣h∣→0، ومنه فالدالة fقابلة للاشتقاق عند 0 مع f′(0)=0. وعند أيّ x0=0، لا تكون fمتصلة أصلًا: إذ ترسل المتتاليات الناطقة والصمّاء المتقاربة إلى x0 الدالةَ f إلى x02=0 وإلى 0 على الترتيب (بالكثافة، المبرهنة 10.14). ومنه فالقابلية للاشتقاق مفهوم نقطي حقًا: إذ يمكن أن تصحّ عند نقطة واحدة من R ولا تصحّ في أيّ موضع آخر. والعبرة العملية: تقتضي عبارات مثل محك الرتابة أو مبرهنة رول المشتقةَ على فترة — فامتلاك f′(x0) 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=exp−1: عند y=ex،
(ln)′(y)=exp′(x)1=ex1=y1,
وهذا صحيح من أجل كل y>0 لأن exp′=exp لا ينعدم أبدًا. ومن أجل arctan=tan−1: عند y=tanx،
(arctan)′(y)=1+tan2x1=1+y21,
باستعمال tan′=1+tan2>0. والفكرة النافذة: تحوّل الصيغة معرفةً عن دالة إلى معرفة عن معكوسها بثمن تعويض واحد — والتعويض (x=lny و x=arctany) هو بالضبط عبارة أن المتغيرين يعيشان على جانبَي التقابل.