ریاضی , علوم پایه , مهندسی 1988 بازدید

پیش‌تر در وبلاگ فرادرس و در مطلبی تحت عنوان مفاهیم مشتق، به معرفی این مفهومِ مهم از ریاضیات پرداختیم. در این قسمت قصد داریم تا در مورد قوانین حاکم بر مشتق‌گیری صحبت کنیم و مثال‌هایی نیز از کاربرد این قوانین ارائه خواهیم داد. این قوانین هم در محاسبه مشتق ضمنی و هم در محاسبه مشتق صریح کاربرد خواهند داشت.

قوانین حاکم در مشتق‌گیری

برای محاسبه راحت‌تر مشتق،‌ قوانینی وجود دارند که می‌توان از آن‌ها استفاده کرد. برای نمونه شیب یک تابع ثابت برابر با صفر است. یا این‌که شیب تابع 2x برابر با 2 و تابع 3x برابر با 3 است. این استدلال را می‌توان به همین شکل ادامه داد و گفت شیب تابع nx برابر با n است. در نمودار‌های زیر می‌توانید شیب مرتبط با هر کدام از این توابع را مشاهده کنید.

در بخش مفاهیم مشتق، جداولی را ارائه دادیم که قادریم  با استفاده از قوانین معرفی شده در آن‌ها، مشتق‌گیری بسیاری از توابع را انجام دهیم. این جداول به صورت زیر هستند.

derivative

جدول بالا نشان دهنده مشتق توابع مختلف است. اگر دقت کنید همواره می‌توان الگویی را برای این مشتقات مشخص کرد. برای نمونه می‌توان از جدول این استدلال را کرد که توابع سینوس و کسینوس در مشتق‌گیری به یکدیگر تبدیل می‌شوند. یا این‌که یک تابع نمایی خودش را تکرار می‌کند. یافتن این الگوها در به خاطر سپردن مشتق یک تابع، بسیار موثر است.

از طرفی می‌توان این سوال را مطرح کرد که آیا با دانستن مشتق تابع sin x و cos x، می‌توان مشتق تابع f(x)=sinx × cosx را یافت؟ پاسخ این سوال مثبت است. با استفاده از قوانینی که در جدول زیر ارائه شده‌اند می‌توان مشتق هر تابعی را محاسبه کرد.

derivative

لطفا موارد ذکر شده در جدول بالا را به دقت مطالعه فرمایید،‌ چرا که در مثال‌های پایین از آن‌ها استفاده خواهیم کرد.

توجه داشته باشید که مشتق تابع (y=f(x را به یکی از شکل‌های زیر نشان می‌دهند.

$$y'(x), \enspace f'(x), \enspace {dy \over dx},\enspace {df \over dx} $$

روش‌های نشان دادن مشتق یک تابع

در مثالی که در ادامه آمده، ادبیات استفاده شده در فرآیند مشتق‌گیری را بیان خواهیم کرد. هم‌چنین روش‌های نشان دادن مشتق یک تابع ارائه خواهد شد.

مثال 1: مشتق تابع (y=sin (x ؟

در جدول بالا بیان شده که مشتق تابع sin x برابر با cos x است. توجه داشته باشید که می‌توان این عملیات را به شکل‌های زیر نشان داد.

derivative

استفاده از قانون توانی در محاسبه مشتق

قانون توانی در محاسبه مشتق بیان می‌کند که مشتق تابع xn برابر با nxn-1 است.

مثال 2: مقدار عبارت $${d \over dx} x^3$$ را محاسبه کنید

این عبارت بیان کننده مشتق تابع x3 نسبت به متغیر x است. با استفاده از قانون توانی، می‌توان مشتق تابع مذکور  را به شکل زیر محاسبه کرد:

بنابراین می‌توان گفت: «مشتق تابع x3 برابر با 3x2 می‌شود.» در ادامه شماتیک نحوه محاسبه این مشتق نمایش داده شده.

مثال 3: مشتق تابع $$f(x)={1 \over x}$$ را بدست آورید

این تابع در حقیقت برابر با f(x)=x-1 است. بنابراین می‌توان با استفاده از قانون توان، حاصل این مشتق را محاسبه کرد. از این رو می‌توان گفت:

derivative

در حقیقت برای محاسبه این مشتق، به ترتیب زیر عمل کرده‌ایم.

محاسبه مشتق تابعی با ضریب ثابت

همان‌طور که احتمالا حدس زده‌اید، به‌منظور محاسبه مشتق تابعی که در عددی ثابت ضرب شده، می‌توان عدد مذکور را از عملگر مشتق بیرون کشید. یعنی فرض کنید تابعی به صورت زیر داشته باشیم.

$$cf(x)$$

که در آن، c ضریبی ثابت و (f(x یک تابع است. با این فرضیات مشتق این تابع برابر با مقدار زیر است.

 $${d \over dx}cf(x)=c{d \over dx}f(x)$$

برای نمونه مشتق (5f(x برابر با 5fx است.

مثال 4: مشتق  $${d \over dx}5x^3$$ را بدست آورید

برای محاسبه این مشتق در ابتدا ضریب ثابت ۵ را بیرون کشیده و پس از آن با استفاده از قانون توان، مشتق x3 را محاسبه می‌کنیم. بنابراین می‌توان گفت:

derivative

قانون جمع و تفریق

دو تابع (f(x و (g(x را تصور کنید. فرض کنید می‌خواهیم مشتق تابع (f(x)+g(x را بیابیم. برای انجام این‌کار از هر کدام از این توابع به تنهایی مشتق گرفته و سپس با یکدیگر جمع می‌کنیم. بنابراین می‌توان گفت:

مشتق { f(x)+g(x) } = مشتق f + مشتق g

 و یا به بیان ریاضیاتی:

$${d \over dx} (f(x)+g(x))= {d \over dx} f(x)+{d \over dx} g(x)= f'(x)+g'(x)$$

مثال 5: مشتق x2+x3 برابر با چه تابعی است؟

همان‌طور که در بالا نیز بیان کردیم، برای محاسبه مشتق جمع دو تابع، از هر کدام از آن‌ها مشتق گرفته و با یکدیگر جمع می‌کنیم. همان‌طور که در عنوان مثال نیز می‌بینید، دو تابعی که با یکدیگر جمع شده‌اند، به شکل توانی هستند؛ بنابراین در ابتدا بایستی با استفاده از قانون توان، مشتق هر کدام از آن‌ها را محاسبه کرد. در نتیجه با استفاده از این قانون و قانون جمع می‌توان حاصل این مشتق را به شکل زیر محاسبه کرد.

derivative

بر همین مبنا می‌توان مشتق توابعی که از یکدیگر کم شده‌اند را نیز بدست آورد. برای درک بهتر به مثال زیر توجه فرمایید.

مثال 6: حاصل عبارت $${d \over dv} {(v^3-v^4)}$$ را بیابید.

توجه داشته باشید که متغیر وابسته یک تابع را به هر اسمی می‌توان صدا زد. برای مثال ما می‌گوییم گربه و در استرالیا به همین موجود Cat گفته می‌شود! در این مثال نیز اتفاق خاصی نیفتاده و فقط به جای اسم x از v استفاده شده.

مشابه با قانون جمع، به منظور محاسبه مشتق تفریق دو تابع، می‌توان از هر کدام از آن‌ها مشتق گرفت و از هم کم کرد. بنابراین مشتق این تابع به صورت زیر محاسبه می‌شود:

derivative

حال می‌توان به شکل زیر این مشتقات را از یکدیگر کم کرد. در نتیجه:

derivative

مثال 7: حاصل عبارت $${d \over dz} {(5z^2+z^3-7z^4)}$$ را بیابید.

برای محاسبه عبارت بالا می‌توان از قوانین بیان شده استفاده کرد. بنابراین با استفاده از قوانین توان، ضریب ثابت، جمع و تفریق داریم:

derivative

در نتیجه مشتق این تابع برابر است با:

derivative

قانون ضرب

به جرأت یکی از پرکاربردترین قوانین، به‌منظور محاسبه مشتق توابع، قانون ضرب است. برای درک مفهوم این قانون، دو تابع (f(x و (g(x را فرض کنید. هدف ما محاسبه  مشتق تابع (f(x)×g(x است. قانون ضرب، بیان می‌کند:

 (f×g) مشتق تابع =  f مشتق تابع × g + g مشتق تابع × f

به بیان ریاضی، گذاره بالا معادل است با:

$${d \over dx} {(f(x)×g(x))}=f'(x)g(x)+f(x)g'(x) \enspace \enspace \enspace *$$

مثال 8: حاصل مشتق تابع (sin(x)cos(x چیست؟

در ابتدا بایستی مشتق هر کدام از دو تابعی که در هم ضرب شده‌اند را به صورت جداگانه محاسبه کرد. بنابراین می‌توان گفت:

derivative

در نتیجه با استفاده از رابطه * می‌توان گفت:

derivative

قانون عکس تابع

تابع (f(x را تصور کنید. فرض کنید می‌خواهیم مشتق تابع $$1 \over {f(x)}$$ را محاسبه کنیم. این مشتق را می‌توان با استفاده از قانون عکسِ تابع و به صورت زیر محاسبه کرد.

derivative

در مطلب مشتق‌ ضمنی نیز روشی ارائه خواهد شد که با استفاده از آن‌ می‌توانید مشتق توابع معکوس را به‌صورتی بسیار ساده‌تر بدست آورید.

مثال 9: مشتق تابع $$1 \over {sin(x)}$$ را بیابید.

این تابع در حقیقت عکس sin x است. در نتیجه در ابتدا بایستی مشتق تابع sin x را داشته باشیم. سپس با استفاده از قانون عکس تابع، مشتق $$1 \over {sin(x)}$$ را یافت. با توجه به اطلاعات جدول، مشتق تابع sin x برابر با cos x است. در نتیجه با استفاده از این قانون داریم:

derivative

قانون مشتق‌گیری زنجیره‌ای

تابع (g(x و (f(x را در نظر بگیرید. تصور کنید می‌خواهیم مشتق ( (f( g(x را محاسبه کنیم. قانون مشتق‌گیری زنجیره‌ای بیان می‌کند که مشتق این تابع برابر است با:

derivative

مشتق تابع ((f(g(x را می‌توان بترتیب مراحل زیر محاسبه کرد:

1. مشتق تابع (g(x را محاسبه کنید.

2. در تابع ( (f (g(x به جای (g(x، متغیر وابسته را قرار دهید و مشتق‌گیری کنید.

3. در تابع بدست آمده در قدم دوم، به جای متغیر وابسته، تابع (g(x را قرار دهید.

4. عبارت حاصل شده در مرحله سوم را در عبارت بدست آمده در قدم اول، ضرب کنید.

به‌منظور درک بهتر مشتق‌گیری زنجیره‌ای، به مثالی که در ادامه آمده توجه فرمایید.

مثال 10: حاصل عبارت $${d \over dx}{sin x^2}$$ چیست؟

اگر دقت کنید این تابع حاصل قرار گرفتن x2 در sin x است. بنابراین اگر تابع f(x)=sin x و g(x)=x2 در نظر بگیریم، می‌توان گفت:

f(g(x))=sin (x2)

مراحل بالا را برای مشتق‌گیریِ تابع ( (f ( g(x، به شکل زیر پیاده سازی می‌کنیم:

1. مشتق‌گیری از تابع (g(x

تابع داخلی برابر با g(x)=x2 است. بنابراین مشتق آن برابر با g'(x)=2x است.

2. به جای تابع (g(x، متغیر وابسته – که در این‌جا x است – قرار دهید و مشتق‌گیری کنید.

با قرار دادن x به جای (g(x، عبارت sin x حاصل شده و با مشتق‌گیری از آن به تابع cos x می‌رسیم.

3. در تابع بدست آمده در قدم دوم، به جای متغیر وابسته، تابع درونی را قرار دهید.

در قدم دوم، تابع cos x بدست آمد. بنابراین با قرار دادن g(x)=x2 به جای x در تابعِ cos x، عبارت (cos (x2 حاصل می‌شود.

4. تابع حاصل شده در مرحله سوم را در عبارت بدست آمده در قدم اول ضرب کنید.

با ضرب تابع بدست آمده در مرحله سوم و تابع بدست‌ آمده در مرحله اول، به تابع (2xcos(x2 می‌رسیم.

بنابراین نهایتاً می‌توان گفت:

$${d \over dx}{sin x^2}=2x (cos x^2)$$

مشتق‌گیری زنجیره‌ای تکنیکی کاربردی به‌منظور حل بسیاری از مسائل مربوط به مشتق است که با تمرین بسیار می‌توانید به این روش مسلط شوید. در ادامه مثالی به نسبت مشکل‌تر را مطرح کرده‌ایم.

مثال 11: مشتق تابع $$1 \over cosx$$ را بیابید.

اگر دقت کنید این تابع متشکل از دو تابع cosx  و $$1 \over x$$ است. در حقیقت اگر f(x)=1/x و g(x)=cos x باشد، تابع ((f(g(x برابر با $$1 \over cosx$$ می‌شود.

derivative

مثال 12: مشتق تابع $$(5x-2)^3$$ برابر با چه مقداری است؟

قبل از مطالعه ادامه حل در مورد این‌که f و g چه هستند، فکر کنید. بله درست حدس زدید تابع f برابر با x3 و تابع g برابر با 5x-2 هستند. در نتیجه مشتق این تابع برابر است با:

derivative

به منظور ارزیابی خود می‌توانید به سوالات زیر پاسخ دهید.

derivative

derivative

derivative

اگر به موضوع مشتق علاقه‌مند هستید و نیاز به آموزش جامع‌تری دارید، می‌توانید به آموزش ریاضیات عمومی 1 مراجعه کنید. هم‌چنین اگر به یادگیری دیگر مباحث مرتبط به ریاضیات علاقه‌مند هستید، احتمالا آموزش‌های زیر برایتان کاربردی خواهند بود:

^^

بر اساس رای 6 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

یک نظر ثبت شده در “روش‌های مشتق‌گیری — به همراه مثال

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *