Нормаль функции. Уравнение касательной и уравнение нормали к графику функции

Приложения производной.

5.1.Геометрический смыл производной:

Рассмотрим график функции y = f (x ).

Из рисунка 1 видно, что для любых двух точек A и B графика функции: , где α - угол наклона секущей AB .

Таким образом, разностное отношение равно угловому коэффициенту секущей. Если зафиксировать точку A и двигать по направлению к ней точку B , то неограниченно уменьшается и приближается к 0, а секущая АВ приближается к касательной АС .

Следовательно, предел разностного отношения равен угловому коэффициенту касательной в точке A, т.е. . Отсюда следует:Производная функции в точке x 0 равна угловому коэффициенту касательной к графику функции y = f(x) в этой точке, т.е. .

1. Касательной к графику функции в точке (х 0; f(х 0) называется предельное положение секущей (АС).

Уравнение касательной : y – f (x 0) =

2. Прямая, перпендикулярная касательной (АС) в точке (х 0; f(х 0), называется нормалью к графику функции .

Уравнение нормали: y – f (x 0) =

Задача: Составить уравнения касательной и нормали, проведённых к графику функции y=10x-xв точке с абсциссой равной х 0 =2.

Решение:

1. Находим ординату точки касания: f(х 0)= f(2)=10∙2–2 2 =16,

2. Находим угловой коэффициент касательной: f " (х)= (10x-x) " =10-2х, = f " (2)=10–2∙2=6

3. Составляем уравнение касательной: y–16 = 6∙ (х-2), y–16 = 6х–12, y–6х–4 = 0 – уравнение касательной,

4. Составляем уравнение нормали: y –16 = , 6y –96 = –х+2, 6y+х–98=0 – уравнение нормали.

5.2. Физический смысл производной:

Определение. Скорость движения тела равна первой производной от пути по времени:

5.3. Механический смысл производной:

Определение . Ускорение движения тела равно первой производной от скорости по времени или второй производной пути по времени:

Задача: Определить скорость и ускорение точки, движущейся по закону в момент t=4c.

Решение:

1. Находим закон скорости: v= S"=

2. Находим скорость в момент t = 4c: v (t)= v (4)=2∙4 2 +8∙4=64 ед/сек

3. Находим закон ускорения: а=v′ =

4. Находим ускорение в момент t = 4c: а (t)= а(4)=4∙4+8=24 ед/сек 2

РАЗДЕЛ 1.3. Дифференциал функции и его применение в приближенных вычислениях. Понятие дифференциала функции

Дифференциалом функции у=ƒ(х) в точке х называется главная часть ее приращения, равная произведению производной функции на приращение аргумента, и обозначается dу (или dƒ(х)): dy=ƒ"(х) ∙∆х (1).

Дифференциал dу называют также дифференциалом первого порядка. Найдем дифференциал независимой переменной х, т. е. дифференциал функции у=х.

Так как у"=х"=1, то, согласно формуле (1), имеем dy=dx=∆x, т. е. дифференциал независимой переменной равен приращению этой переменной: dх=∆х.

Поэтому формулу (1) можно записать так: dy=ƒ"(х) ∙ dх (2)иными словами, дифференциал функции равен произведению производной этой функции на дифференциал независимой переменной.

Из формулы (2) следует равенство dy/dx=ƒ"(х).

Пример1: Найти дифференциал функции ƒ(х)=3x 2 -sin(l+2x).

Решение: По формуле dy=ƒ"(х) dx находимdy=(3х 2 -sin(l+2x))"dx=(6х-2cos(l+2х))dx.

Пример2: Найти дифференциал второго порядка функции: y = x 3 –7x.

Решение:

РАЗДЕЛ 1.4. Первообразная. Неопределенный интеграл. Способы вычисления неопределенного интеграла.

Определение1. Функция F(x) называется первообразной для функции f(x) на некотором промежутке, дифференциал которой равен выражению f(x)dx. Пример : f(x) = 3х 2 3х 2 dx F(x) = х 3 .

Однако дифференциалу функции соответствует не единственная первообразная, а множество их. Рассмотрим на примере: F 1 (x) = х 3 , F 2 (x) = х 3 + 4, F 3 (x) = х 3 - 2, в общем виде F(x) + С, где С - произвольная константа. Значит для функции f(x)= 3х 2 существуют множество первообразных, отличающихся друг от друга постоянным слагаемым.

Определение2. Множество всех первообразных функций f(x) на некотором промежутке называется неопределённым интегралом от функций f(x) на этом промежутке и обозначается символом ∫f(x)dx .

Этот символ читается так: “интеграл от f(x) по dx”, таким образом по определению:

∫ (x)dx = F(x)+C.

Символ ∫ называется знаком интеграла, f(x) – подынтегральной функцией, f(x)dx – подынтегральным выражением, х – переменной интегрирования, F(x) - какая-либо первообразная,

С - постоянная.

Основные свойства неопределенного интеграла:

1. Дифференциал неопределенного интеграла равен подынтегральному выражению, т.е.

d∫ f(x)dx = f(x)dx.

2. Неопределенный интеграл от дифференциала функции равен этой функции, сложенной с произвольной постоянной: ∫ d F(x) = F(x) + С

3. Постоянный множитель можно выносить за знак интеграла: ∫ kf(x)dx = k∫ f(x)dx , k-const.

4. Неопределенный интеграл от алгебраической суммы функций равен сумме интегралов от каждой из них: ∫ (f 1 (x)+f 2 (x)-f 3 (x))dx = ∫ f 1 (x)dx + ∫ f 2 (x)dx – ∫f 3 (x)dx .

Определение: нормалью к кривой у= ¦(х) в точке М 0 называется прямая, проходящая через точку М 0 и перпендикулярна касательной в точке М 0 к этой кривой.

Напишем уравнение касательной и нормали, зная уравнение кривой и координаты точки М 0 . Касательная имеет угловой коэффициент к= t g = ¦ , (х 0). Из аналитической геометрии известно, что прямая имеет уравнение у- у 0 = к(х – х 0).

Поэтому уравнение касательной: у - у 0 = ¦ , (х 0)(х – х 0); (1)

Угловой коэффициент нормали К н = (так как они перпендикулярны), но тогда уравнение нормали:

у- у 0 =(-1/ ¦ , (х 0)(х – х 0); (2)

Если в точке не существует производная, то в этой точке не существует и касательная.

Например, функция ¦(х)=|х| в точке х=0 не имеет производной.

lim D х ®0 (D у/ D х)= lim D х ®0 (| D х|/ D х)=

Односторонние пределы существуют, но lim D х ®0 (D у/ D х) не существует

Касательная тоже.

Такая точка называется угловой точкой графика.

§4. Связь между непрерывностью и дифференцируемостью функции.

Справедлива следующая теорема о дифференцируемой функции.

Теорема: если функция у= ¦(х) имеет конечную производную в точке х 0, то функция непрерывна в этой точке.

Доказательство:

Т.к. в точке х 0 существует производная ¦ , (х 0), т.е. существует предел

lim D х ®0 (D у/ D х)= ¦ , (х 0), то D у/ D х= ¦ , (х 0)+ , где

Б.м.в., зависящая от D х. При D х®0, ®0, т.к. = (D у/ D х) - ¦ , (х 0) ®0 при D х®0

Отсюда имеем: D у= ¦ , (х 0) D х + D х.

Но тогда

Бесконечно малому приращению аргумента соответствует бесконечно малое приращение функции, поэтому ¦(х) непрерывна в точке х 0 .

Важно понять, что обратная теорема не верна!

Не всякая непрерывная функция является дифференцируемой.

Так, ¦(х) =|х| является непрерывной в точке х 0 =0, график – сплошная линия, но ¦ , (0) не существует.

§5. Производные постоянной, синуса, косинуса и степенной функции.

1. у= ¦(х) =с; у, = (с) , = 0; (1)

Доказательство:

а) в любой точке х ¦(х) = с

б) дадим х приращение D х, х + D х, значение функции ¦ (х + D х)= с;

в) ¦ (х + D х)- ¦(х)= с- с= 0;

г) D у/ D х= 0/ D х = 0

д) lim D х ®0 (D у/ D х)= lim D х ®0 0 = 0

2. у= sin х; у, = (sin х) , = cos х; (2)

Доказательство:

а) в любой точке х ¦(х) = sin х;

б) дадим х приращение D х, х + D х, значение функции

Как найти уравнение нормали к графику функции в заданной точке?

На данном уроке мы узнаем, как найти уравнение нормали к графику функции в точке и разберём многочисленные примеры, которые касаются этой задачи. Для качественного усвоения материала нужно понимать геометрический смысл производной и уметь их находить хотя бы на уровне следующих статей:

Как найти производную? Производная сложной функции и .

Перечисленные уроки позволят «чайникам» быстро сориентироваться в теме и поднять свои навыки дифференцирования практически с полного нуля. По существу, сейчас последует развёрнутое продолжение параграфа об уравнении касательной 3-й статьи из вышеприведенного списка. Почему продолжение? Уравнение нормали тесно связано с уравнением касательной. Помимо прочего я рассмотрю задачи о том, как построить уравнения этих линий в ситуациях, когда функция задана неявно либо параметрически .

Но сначала освежим воспоминания: если функция дифференцируема в точке (т.е. если существует конечная производная ), то уравнение касательной к графику функции в точке можно найти по следующей формуле:

Это самый распространенный случай, с которым мы уже столкнулись на уроке Простейшие задачи с производными . Однако дело этим не ограничивается: если в точке существует бесконечная производная: , то касательная будет параллельна оси и её уравнение примет вид . Дежурный пример: функция с производной , которая обращается в бесконечность вблизи критической точки . Соответствующая касательная выразится уравнением: (ось ординат).

Если же производной не существует (например, производной от в точке ) , то, разумеется, не существует и общей касательной .

Как различать последние два случая, я расскажу чуть позже, а пока что вернёмся в основное русло сегодняшнего урока:

Что такое нормаль ? Нормалью к графику функции в точке называется прямая , проходящая через данную точку перпендикулярно касательной к графику функции в этой точке (понятно, что касательная должна существовать) . Если совсем коротко, нормаль – это перпендикулярная к касательной прямая, проходящая через точку касания.

Как найти уравнение нормали ? Из курса аналитической геометрии напрашивается очень простой алгоритм: находим уравнение касательной и представляем его вобщем виде . Далее «снимаем» нормальный вектор и составляем уравнение нормали по точке и направляющему вектору .

Этот способ применять можно, но в математическом анализе принято пользоваться готовой формулой, основанной на взаимосвязи угловых коэффициентов перпендикулярных прямых . Если существует конечная и отличная от нуля производная , то уравнение нормали к графику функции в точке выражается следующим уравнением:

Особые случаи, когда равна нулю либо бесконечности мы обязательно рассмотрим, но сначала «обычные» примеры:

Пример 1

Составить уравнения касательной и нормали к графику кривой в точке, абсцисса которой равна .

В практических заданиях часто требуется найти и касательную тоже. Впрочем, это очень только нА руку – лучше будет «набита рука» =)

Решение : Первая часть задания хорошо знакома, уравнение касательной составим по формуле:

В данном случае:

Найдём производную :
Здесь на первом шаге вынесли константу за знак производной , на втором – использовали правило дифференцирования сложной функции .

Теперь вычислим производную в точке :

Получено конечное число и это радует. Подставим и в формулу :

Перебросим наверх левой части, раскроем скобки и представим уравнение касательной в общем виде : Вторая часть задания ничуть не сложнее. Уравнение нормали составим по формуле: Избавляемся от трёхэтажности дроби и доводим уравнение до ума: – искомое уравнение.

Ответ :

Здесь можно выполнить частичную проверку. Во-первых, координаты точки должны удовлетворять каждому уравнению:

– верное равенство.

– верное равенство.

И, во-вторых, векторы нормали должны быть ортогональны. Это элементарно проверяется с помощью скалярного произведения : , что и требовалось проверить.

Как вариант, вместо нормальных векторов можно использовать направляющие векторы прямых .

! Данная проверка оказывается бесполезной, если неверно найдена производная и/или производная в точке . Это «слабое звено» задания – будьте предельно внимательны!

Чертежа по условию не требовалось, но полноты картины ради:
Забавно, но фактически получилась и полная проверка, поскольку чертёж выполнен достаточно точно =) Кстати, функция задаёт верхнюю дугу эллипса .

Следующая задача для самостоятельного решения:

Пример 2

Составить уравнения касательной и нормали к графику функции в точке .

Примерный образец чистового оформления задания в конце урока.

Теперь разберём два особых случая:

1) Если производная в точке равна нулю: , то уравнение касательной упростится: То есть, касательная будет параллельна оси .

Соответственно, нормаль будет проходить через точку параллельно оси , а значит её уравнение примет вид .

2) Если производная в точке существует, но бесконечна: , то, как отмечалось в самом начале статьи, касательная станет вертикальной: . И поскольку нормаль проходит через точку параллельно оси , то её уравнение выразится «зеркальным» образом:

Всё просто:

Пример 3

Составить уравнения касательной и нормали к параболе в точке . Сделать чертёж.

Требование выполнить чертёж я не добавлял – так было сформулировано задание в оригинале. Хотя это редкость.

Решение : составим уравнение касательной . В данном случае

Казалось бы, расчёты пустяковые, а в знаках запутаться более чем реально:

Таким образом:

Поскольку касательная параллельна оси (Случай №1) , то нормаль, проходящая через ту же точку , будет параллельна оси ординат:

Чертёж – это, конечно же, дополнительные хлопоты, но зато добротная проверка аналитического решения:

Ответ : ,

В школьном курсе математики распространено упрощённое определение касательной, которое формулируется примерно так: «Касательная к графику функции – это прямая, имеющая с данным графиком единственную общую точку» . Как видите, в общем случае это утверждение некорректно. Согласно геометрическому смыслу производной , касательной является именно зелёная, а не синяя прямая.

Следующий пример посвящён тому же Случаю №1, когда :

Пример 4

Написать уравнение касательной и нормали к кривой в точке .

Краткое решение и ответ в конце урока

Случай №2, в котором на практике встречается редко, поэтому начинающие могут особо не волноваться и с лёгким сердцем пропустить пятый пример. Информация, выделенная курсивом, предназначена для читателей с высоким уровнем подготовки, которые хорошо разобрались с определениями производной и касательной , а также имеют опыт нахождения производной по определению :

Пример 5

Найти уравнения касательной и нормали к графику функции в точке

Решение : в критической точке знаменатель производной обращается в ноль, и поэтому здесь нужно вычислить односторонние производные с помощью определения производной (см. конец статьи Производная по определению ):
Обе производные бесконечны, следовательно, в точке существует общая вертикальная касательная: Ну, и очевидно, что нормалью является ось абсцисс. Формально по формуле: Для лучшего понимания задачи приведу чертёж: Ответ :

Я рад, что вы не ушли бороздить просторы Интернета, потому что всё самое интересное только начинается! Чтобы осилить материал следующего параграфа, нужно уметь находить производную от неявно заданной функции :

Как найти уравнение касательной и уравнение нормали, если функция задана неявно?

Формулы касательной и нормали остаются прежними, но меняется техника решения:

Пример 6

Найти уравнения касательной и нормали к кривой в точке .

Решение : судя по уравнению, это какая-то линия 3-го порядка , какая именно – нас сейчас совершенно не интересует.

В уравнении присутствует зловред , и поэтому перспектива выразить функция в явном виде выглядит весьма туманной.

Но этого и не требуется! Есть куда более остроумное решение. Уравнение касательной составим по той же формуле .

Из условия известны значения , кстати, не помешает убедиться, что они действительно удовлетворяют предложенному уравнению: Получено верное равенство, значит, с точкой всё в порядке.

Осталось вычислить . Сначала по стандартной схеме найдём производную от функции, заданной неявно :

Перепишем результат с более подходящим для нашей задачи обозначением:

На 2-м шаге в найденное выражение производной подставим :

Вот так-то!

Осталось аккуратно разобраться с уравнением:

Составим уравнение нормали:

Ответ :

Готово! А поначалу представлялось всё непросто. Хотя производная здесь, конечно, – место уязвимое. Миниатюра для самостоятельного решения:

Пример 7

Найти уравнение нормали к линии в точке

Хватит уже вымучивать касательную =)

В данном случае легко выяснить, что это окружность центром в точке радиуса и даже выразить нужную функцию . Но зачем?! Ведь найти производную от неявно заданной функции на порядок легче! Она тут чуть ли не самая примитивная.

Краткое решение и ответ в конце урока.

Как найти уравнение касательной и уравнение нормали, если функция задана параметрически?

Ещё проще. Но для этого нужно потренироваться в нахождении производной от параметрически заданной функции . А так – почти халява:

Пример 8

Составить уравнения касательной и нормали к циклоиде , проведенные в точке, для которой .

Чертёж циклоиды можно найти на странице S и V, если линия задана параметрически (так получилось, что эта статья была создана раньше) . Там даже изображена точка касания.

Решение : абсцисса и ордината точки касания рассчитываются непосредственно из параметрических уравнений кривой:

Найдём 1-ую производную от параметрически заданной функции :

И вычислим её значение при :

Уравнение касательной составим по обычной формуле с поправкой на несколько другие обозначения:

Уравнение нормали:

Ответ :

В заключение предлагаю познакомиться с ещё одной интересной линией:

Пример 9

Составить уравнение нормали к полукубической параболе , проведенной в точке, для которой .

Это пример для самостоятельного решения. Напоминаю, что графики параметрически заданных функций можно построить, например, с помощью моего расчётного геометрического макета .

Ну а наш урок подошёл к концу, и я надеюсь, что изложенный материал прошёл для вас не по касательной, а нормально =)

Спасибо за внимание и успехов!

Решения и ответы :

Пример 2: Решение В данном случае: Таким образом: Уравнение нормали составим по формуле : Ответ :

Пример 4: Решение : уравнение касательной составим по формуле: В данной задаче:
Таким образом: В точке касательная параллельна оси , поэтому соответствующее уравнение нормали: Ответ :

Пример 7: Решение : в данной задаче: . Найдём производную: Или: Подставим в выражение производной : Искомое уравнение нормали: Ответ :

Пример 9: Решение : в данном случае: Найдём производную и вычислим её значение при : Уравнение нормали: Ответ :

Взято с сайта http://www.mathprofi.ru

Рассмотрим кривую, уравнение которой имеет вид

Уравнение касательной к данной кривой в точке имеет вид:

Нормалью к кривой в данной точке называется прямая, проходящая через данную точку, перпендикулярную к касательной в этой точке.

Уравнение нормали к данной кривой в точке имеет вид:

(35)

Длина отрезка касательной, заключенного между точкой касания и осью абсцисс называется длиной касательной , проекция этого отрезка на ось абсцисс называется подкасательной .

Длина отрезка нормали, заключенного между точкой касания и осью абсцисс называется длиной нормали ,проекция этого отрезка на ось абсцисс называется поднормалью.

Пример 17

Написать уравнения касательной и нормали к кривой в точке, абсцисса которой равна.

Решение:

Найдем значение функции в точке :

Найдем производную заданной функции в точке

Ответ: Уравнение касательной:

Уравнение нормали:.

Пример 18

Написать уравнения касательной и нормали, длины касательной и подкасательной, длины нормали и поднормали для эллипса

в точке , для которой.

Решение:

Найдем как производную функции, заданной параметрически по формуле (10):

Найдем координаты точки касания : и значение производной в точке касания :

Уравнение касательной найдем по формуле (34):

Найдем координаты точкипересечения касательной с осью:

Длина касательной равна длине отрезка :

Согласно определению, подкасательная равна

Где угол – угол между касательной и осью. Поэтому,- угловой коэффициент касательной, равный

Таким образом, подкасательная равна

Уравнение нормали найдем по формуле (35):

Найдем координатыточкипересечения нормали с осью:

Длина нормали равна длине отрезка :

Согласно определению, поднормаль равна

Где угол – угол между нормалью и осью. Поэтому,- угловой коэффициент нормали, равный

Поэтому, поднормаль равна:

Ответ: Уравнение касательной:

Уравнение нормали:

Длина касательной ; подкасательная;

Длина нормали ; поднормаль

Задания 7. Написать уравнения касательной и нормали:

1. К параболе в точке, абсцисса которой

2. К окружности в точках пересечения её с осью абсцисс

3. К циклоиде в точке, для которой

4. В каких точках кривой касательная параллельна:

а) оси Оx; б) прямой

.

10. Промежутки монотонности функции. Экстремумы функции.

Условие монотонности функции:

Для того, чтобы дифференцируемая на функцияне возрастала, необходимо и достаточно, чтобы во всех точках, принадлежащихее производная была неположительна.

Для того, чтобы дифференцируемая на функцияне убывала, необходимо и достаточно, чтобы во всех точках, принадлежащихее производная была неотрицательна.

Промежутки, на которых производная функции сохраняет определенный знак, называются промежутками монотонности функции

Пример 19

Найти промежутки монотонности функции .

Решение:

Найдем производную функции .

Найдем промежутки знакопостоянства полученной производной. Для этого

разложим полученный квадратный трехчлен на множители:

Исследуем знак полученного выражения, используя метод интервалов.

Таким образом, получаем согласно (36), (37),что заданная функция возрастает на и убывает на.

Ответ: Заданная функция возрастает наи убывает на.

Определение Функция имеет в точкелокальный максимум (минимум) , если существует такая окрестность точки , что для всехвыполняется условие

Локальный минимум или максимум функции называетсялокальным экстремумом.

Необходимое условие существования экстремума .

Пусть функция определена в некоторой окрестности точки. Если функцияимеет в точкеэкстремумом, то производнаяв точкелибо равна нулю, либо не существует.

Точка называетсякритической точкой функции , если производнаяв точкелибо равна нулю, либо не существует.

Достаточные условия наличия экстремума в критической точке .

Пусть точка является критической.

Первое достаточное условие экстремума:

Пусть функция непрерывна в некоторой окрестноститочкии дифференцируема в каждой точке.

Точка является локальным максимумом, если при переходе через

производная функции меняет знак с плюса на минус.

Точка является локальным минимумом, если при переходе через

производная функции меняет знак с минуса на плюс.

Пример 20

Найти экстремумы функции .

Решение:

Найдем производную заданной функции

Приравнивая в полученной производной к нулю числитель и знаменатель, найдем критические точки:

Исследуем знак производной, используя метод интервалов.

Из рисунка видно, что при переходе через точку производная меняет знак с плюса на минус. Следовательно, в точке- локальный максимум.

При переходе через точку производная меняет знак с минуса на плюс.

Следовательно, в точке - локальный минимум.

При переходе через точку производная не меняет знак. Следовательно, критическая точкане является экстремумом заданной функции.

Ответ: - локальный максимум, - локальный минимум.

Второе достаточное условие экстремума:

Если первые производные функциив точкеравны нулю, а-ная производная функциив точкеотлична от нуля, то точкаявляется экстремумом функции, причем,

то -локальный минимум

то -локальный максимум.

Пример 21

Найти экстремумы функции, пользуясь второй производной .

Решение:

Найдем первую производную заданной функции

Найдем критические точки функции:

Точку мы не рассматриваем, так как функция определена только в левой окрестности.

Найдем вторую производную

Находим

Таким образом, на основании (39) делаем вывод о том, что при - локальный максимум.

Ответ: - локальный максимум.

Задания 8.

Исследовать на возростание и убывание функции:

Исследовать на экстремумы функции:

Определение . Нормаль - это перпендикулярная к касательной прямая, проходящая через точку касания.

Если существует конечная и отличная от нуля производная f"(x 0) то уравнение нормали к графику функции y=f(x) в точке x 0 выражается следующим уравнением:

Пример 1 . Написать уравнение нормали к кривой y=3x-x 2 в точке x 0 =2.

Решение.

1. Находим производную y"=3-2x

x 0 =2: f"(x 0)=f"(2)=3-2*2=-1

3. Находим значение функции в точке x 0 =2: f(x 0)=f(2)=3*2-2 2 =2

4. Подставляем найденные значения в уравнение нормали:

5. Получаем уравнение нормали: y=x

Калькулятор уравнения нормали

Найти уравнение нормали онлайн можно с помощью данного калькулятора.

Пример 2 . (Рассмотрим особый случай когда f"(x 0) равно нулю)

Написать уравнение нормали к кривой y=cos24x в точке x 0 =π/2

Решение.

1. Находим производную y"=2cos4x*(-sin4x*4)=-4sin2x

2. Находим значение производной в точке x 0 =π/2:

f"(x 0)=f"(π/2)=-4sin(2*π/2)=0 , следовательно уравнение нормали в данном случае применить нельзя.

Воспользуемся определением нормали,сначала находим , потом находим уравнение перпендикулярной прямой проходящей через данную точку.