Производната ни позволява да изследваме скоростта на промяна на дадена функция и да определяме нейния характер (къде расте, къде намалява и къде достига своите най-големи и най-малки стойности).
1. Какво е производна?
Геометрично, производната $f'(x)$ на една функция $y = f(x)$ в дадена точка $x_0$ представлява ъгловият коефициент (наклонът) на тангентата към графиката на функцията в тази точка:
$$k = \tan \alpha = f'(x_0)$$
-
Ако $f'(x) > 0$ в даден интервал $\implies$ функцията е строго растяща ($\uparrow$).
-
Ако $f'(x) < 0$ в даден интервал $\implies$ функцията е строго намаляваща ($\downarrow$).
-
Ако $f'(x) = 0$ в дадена точка $\implies$ тангентата е хоризонтална (успоредна на оста $Ox$).
2. Основни формули за производни
| Функция f(x) | Производна f′(x) |
| Константа $c$ | $(c)’ = 0$ |
| Степенна $x^n$ | $(x^n)’ = n \cdot x^{n-1}$ |
| Корен $\sqrt{x}$ | $(\sqrt{x})’ = \frac{1}{2\sqrt{x}}$ |
| Показателна $e^x$ / $a^x$ | $(e^x)’ = e^x \quad \mid \quad (a^x)’ = a^x \cdot \ln a$ |
| Логаритмична $\ln x$ / $\log_a x$ | $(\ln x)’ = \frac{1}{x} \quad \mid \quad (\log_a x)’ = \frac{1}{x \ln a}$ |
Правила за диференциране:
-
Умножение с константа: $(c \cdot f)’ = c \cdot f’$
-
Сума / Разлика: $(f \pm g)’ = f’ \pm g’$
-
Произведение: $(f \cdot g)’ = f’ \cdot g + f \cdot g’$
-
Частно: $\left(\frac{f}{g}\right)’ = \frac{f’ \cdot g – f \cdot g’}{g^2}$
3. Критични (стационарни) точки и локални екстремуми
А. Какво е критична точка?
Точка $x_0$ от дефиниционната област на функцията се нарича критична (или стационарна) точка, ако първата производна в нея е равна на нула или не съществува:
$$f'(x_0) = 0$$
Важно (Теорема на Ферма): Локален екстремум (минимум или максимум) може да се достигне само в критична точка (или в краищата на дефиниционния интервал).
Б. О определяне на локален минимум и максимум (Първи признак)
Изследваме знака на първата производна $f'(x)$ около критичната точка $x_0$:
-
Локален максимум (Лок. Макс):
-
Ако около $x_0$ производната сменя знака си от положителен към отрицателен ($+ \to -$):
-
Функция преминава от растяща към намаляваща $\implies$ в $x_0$ има локален максимум.
-
-
Локален минимум (Лок. Мин):
-
Ако около $x_0$ производната сменя знака си от отрицателен към положителен ($- \to +$):
-
Функция преминава от намаляваща към растяща $\implies$ в $x_0$ има локален минимум.
-
-
Няма екстремум:
-
Ако производната не сменя знака си от двете страни на $x_0$ (напр. $+ \to +$), точката е критична, но в нея няма локален екстремум (напр. при $y = x^3$ в $x=0$).
-
4. Намиране на НМС и НГС в затворен интервал $[a; b]$
Когато се търси Най-малка стойност (НМС) и Най-голяма стойност (НГС) на непрекъсната функция в затворен интервал $[a; b]$ (както беше в Задача 12 от предишната група):
-
Стъпка 1: Намираме производната $f'(x)$.
-
Стъпка 2: Намираме критичните точки от уравнението $f'(x) = 0$.
-
Стъпка 3: Подбираме само тези критични точки, които попадат вътре в интервала $[a; b]$.
-
Стъпка 4: Пресмятаме стойностите на функцията $f(x)$:
-
Във всички избрани критични точки;
-
В двата края на интервала — $f(a)$ и $f(b)$.
-
-
Стъпка 5: Най-голямото от получените числа е НГС, а най-малкото е НМС.
Пример 1: Намиране на локални екстремуми (минимум и максимум)
-
Условие: Намерете критичните точки и локалните екстремуми на функцията:$$f(x) = x^3 – 6x^2 + 9x + 2$$
-
Решение:
-
Намираме първата производна:$$f'(x) = (x^3 – 6x^2 + 9x + 2)’ = 3x^2 – 12x + 9$$
-
Анулираме производната, за да намерим критичните точки:$$3x^2 – 12x + 9 = 0 \implies x^2 – 4x + 3 = 0 \implies (x – 1)(x – 3) = 0$$Критичните точки са $x_1 = 1$ и $x_2 = 3$.
-
Определяме знака на $f'(x)$ в интервалите (квадратна парабола, обърната нагоре):
-
За $x \in (-\infty; 1) \implies f'(x) > 0$ (функцията расте $\uparrow$)
-
За $x \in (1; 3) \implies f'(x) < 0$ (функцията намалява $\downarrow$)
-
За $x \in (3; +\infty) \implies f'(x) > 0$ (функцията расте $\uparrow$)
-
-
Пресмятаме стойностите в екстремумите:
-
При $x = 1$ знакът се сменя от $+$ към $-$ $\implies$ локален максимум:$$f(1) = 1^3 – 6(1)^2 + 9(1) + 2 = 6$$
-
При $x = 3$ знакът се сменя от $-$ към $+$ $\implies$ локален минимум:$$f(3) = 3^3 – 6(3)^2 + 9(3) + 2 = 27 – 54 + 27 + 2 = 2$$
-
-
-
Отговор: Локален максимум $\max f(x) = f(1) = 6$; Локален минимум $\min f(x) = f(3) = 2$.
Пример 2: Тангента към графика на функция
-
Условие: Намерете уравнението на тангентата към графиката на функцията $f(x) = x^2 – 4x + 5$ в точката с абсциса $x_0 = 3$.
-
Решение: Уравнението на тангентата в точка $(x_0, f(x_0))$ е:$$y – f(x_0) = f'(x_0)(x – x_0)$$
-
Намираме ординатата на точката:$$f(3) = 3^2 – 4(3) + 5 = 9 – 12 + 5 = 2$$
-
Намираме производната $f'(x)$ и ъгловия коефициент $k = f'(3)$:$$f'(x) = 2x – 4 \implies f'(3) = 2(3) – 4 = 2$$
-
Заместваме във формулата за тангента:$$y – 2 = 2(x – 3) \implies y – 2 = 2x – 6 \implies y = 2x – 4$$
-
-
Отговор: Уравнението на тангентата е $y = 2x – 4$.
Пример 3: Изследване за интервали на монотонност с дробна функция
-
Условие: Намерете интервалите на растеж и намаляване на функцията $f(x) = \frac{x^2}{x – 2}$.
-
Решение:
-
Дефиниционна область: $D: x \ne 2$.
-
Намираме производната по правилото за частно $\left(\frac{u}{v}\right)’ = \frac{u’v – uv’}{v^2}$:$$f'(x) = \frac{(x^2)'(x – 2) – x^2(x – 2)’}{(x – 2)^2} = \frac{2x(x – 2) – x^2 \cdot 1}{(x – 2)^2} = \frac{2x^2 – 4x – x^2}{(x – 2)^2} = \frac{x^2 – 4x}{(x – 2)^2}$$
-
Намираме критичните точки ($f'(x) = 0$):$$\frac{x(x – 4)}{(x – 2)^2} = 0 \implies x_1 = 0, \quad x_2 = 4 \quad (\text{при } x \ne 2)$$
-
Знаменателят $(x – 2)^2 > 0$ за всяко $x \ne 2$, затова знакът на $f'(x)$ се определя от числителя $x(x – 4)$:
-
$f'(x) > 0$ за $x \in (-\infty; 0) \cup (4; +\infty) \implies$ функцията е строго растяща.
-
$f'(x) < 0$ за $x \in (0; 2) \cup (2; 4) \implies$ функцията е строго намаляваща.
-
-
-
Отговор: Растяща в $(-\infty; 0] \cup [4; +\infty)$; намаляваща в $[0; 2) \cup (2; 4]$.
