Poglavlje III – IZVODI FUNKCIJE


Zadnji u nizu blog postova teksta iz 1996 godine. Cjelokupan tekst može se pogledati ovdje.

1.1 Povijest izvoda

Kad ne bi bilo izvoda (derivacije) svi naši snovi vezani za uspjeh u polju matematike bili bi lako ostvarivi. Matematika bi se bavila samo elementarnim stvarima. Doista, matematika bi se svela na elementarnu matematiku. Kažu da padom jabuke na Newtonovu glavu sve je krenulo drugačije. Ta nesretna jabuka okrenula je Newtona tada ka spoznaji osnovnih zakona dinamike i gravitacije. Newton je za dokaz svojih zakona, povrh siromašnih eksperimenata koje je izvodio, za svoje zakone morao naći matematički aparat da ih dokaže. Otkrićem diferencijalnog i integralnog računa Newton je dokazao svoje zakone, a nama običnim smrtnicima – studentima ostavio jabuke i diferencijalni račun za posvetu.

Mnogi filozofi se spore o tome koliko je jabuka palo na Newtonovu glavu. Veliki dio njih zagovara tezu da je nemoguće da padom samo jedne jabuke opravdava činjenicu Newtonovog djela. Po njihovom mišljenju smatra se da je na Newtonovu glavu palo bar desetak jabuka i to krupnijih koje rastu na vrhu drveta, u malom vremenskom intervalu clip_image002. Kad ne bi bilo izvoda, čitav ovozemaljski razvoj tehnike i tehnologije sigurno bi bio na stepenu razvoja u Newtonovo doba. Možemo s pravom reći da smo imali sreće. Da nema izvoda sigurno ne bi bilo ni kompjutera, ni video igrica ni flipera. Povrh svih mučnina koje nam zadaje izvod, ipak neka samo postoje kompjuteri i ostalo uz njih, a za izvode ćemo lako – rekao je neko iz mase.

POJMOVI PREKO KOJIH SE DEFINIŠE IZVOD

Da bismo definisali izvod neke funkcije moramo objasniti neke sporedne stvari koje okružuju izvod, a to su:

• Tangenta i konstrukcija tangente

• Srednja i trenutna brzina

1.1.1 Konstrukcija tangente

Definicija tangente u elementarnoj geometriji, koja se radi u osnovnoj školi, definiše tangentu kao jednu pravu koja ima samo jednu zajedničku tačku sa kružnicom. Međutim, ima tu nešto. Tačno je da se radi o jednoj tački i tačno je da se radi o pravoj. Međutim, kada pogledamo iz drugog ugla stvari odnosno sliku 3.1, vidimo kako jedna prava clip_image004 siječe parabolu samo u jednoj tački, ali ova prava nije tangenta date parabole u toj tački. Prava tangenta u toj tački je prava clip_image006 koja je normalna na pravu clip_image004[1] i prolazi tačkom clip_image008.

clip_image010

Slika  3.1  Položaj krive, sječice i tangente

Da bi smo došli do valjane definicije tangente uočimo sliku i sve što je na njoj nacrtano. Slika 3.2 sadrži jednu krivu clip_image012, dvije tačke clip_image014te pravu clip_image016koja spaja ove tačke. Vidimo da prava clip_image018 siječe krivu u obliku kriške lubenice te ćemo je nazvati sječica clip_image020. Kada hoćemo da odsjećemo što manji komad lubenice odnosno krive, mi ćemo postupiti tako da tačkuclip_image022pomjeramo prema tački clip_image024 preko ruba lubenice odnosno krive. Ako se tačka clip_image026, krijući se, približava tački clip_image024[1] kriška lubenice će se sve više smanjivati.

clip_image028

Slika  3.2  Sječica

Sječica će se mijenjati u odnosu na početni položaj, i kad tačka clip_image026[1] teži tački clip_image024[2], teži jednom graničnom položaju. Granični položaj sječice clip_image020[1] upravo će biti tangenta, tj. lubenica će ostati čitava.

Definicija 3.1.

Tangenta krive  u datoj tački clip_image030 zove se granični položaj sječice clip_image032 kada tačka clip_image034 ove krive teži  po krivoj ka tački clip_image030[1].

Ako se napravimo Englezi i želimo da ne odsječemo lubenicu tj. da nam tačka clip_image026[2] teži tački clip_image024[3] koeficijent smjera krive u tački clip_image024[4] jednak je koeficijentu smjera tangente krive u toj tački. Sve prethodno rečeno kažimo na jednom drugom (matematičkom) jeziku.

Posmatrajmo sliku, tamo ćemo vidjeti krivu clip_image012[1] sličnu prošloj krivoj i koordinatni sistem clip_image036. Ova kriva koju vidimo je grafik neprekidne funkcije clip_image038. U gornjem dijelu smo kazali da je kojeficijent smjera sječice koja prolazi tačkama clip_image040 koje imaju koordinateclip_image042, a clip_image044. Koordinate tačke clip_image026[3] lako se prepoznaju ako znamo da je clip_image046 odnosnoclip_image048, što se sa slike može vidjeti. Nadalje, znamo da je koeficijent smjera dat izrazom:

clip_image050

(2.1)

clip_image052

Slika  3.3  Sječica

Dakle koeficijent smjera tangente clip_image006[1] krive clip_image038[1] u tački clip_image054 jednak je graničnoj vrijednosti količnika clip_image056 priraštaja funkcije clip_image058 i priraštaja argumenta (nezavisno promjenjive clip_image060) clip_image062 kad on teži nuli.

Kao i u Poglavlju I (Matematička indukcija) mi definišemo neke sporedne pojmove, nesvjesno dolazimo do onoga čemu ovdje težimo da definišemo – to je prvi izvod funkcije. Zadnja tvrdnja koju smo napisali izraz 2.1 zovemo prvi izvod funkcije clip_image064 ili kraće izvod funkcije clip_image064[1], a kojeg obilježavamo sa clip_image066 (čitaj clip_image068 prim jednako clip_image070 prim od clip_image060[1]). Dakle prvim izvodom funkcije zovemo:

clip_image072

(2.2)

Na ovaj način smo definisali šta je koeficijent smjera krive u tački, odnosno koeficijent smjera tangente u tački, a istovremeno smo se upoznali sa osnovnom metodom određivanja koeficijenta smjera tangente u datoj tački krive, odnosno vidjeli smo jednostavni postupak konstruisanja tangente.

1.1.2 Srednja i trenutna brzina

Iz fizike nam je dosta stvari jasno kada spomenemo srednju i trenutnu brzin. Kada smo slušali predavanja iz fizike profesori su nam objašnjavali da je srednja brzina količnik priraštaja puta clip_image074 i vremenskog intervala clip_image076tj. priraštaja vremena za koje je tijelo prešlo put clip_image074[1], odnosno:

clip_image078

(2.3)

Znamo da je zakon puta skoro uvijek povezan sa vremenom clip_image006[2], pa je clip_image080. Ako posmatramo priraštaj puta clip_image074[2] koji je tijelo prešlo za clip_image082 možemo napisati kao clip_image084, pa nam je srednja brzina jednaka:

clip_image086

(2.4)

S gornjim izrazom uvijek se može izračunati neka srednja brzina koje se u toku nekog vremenskog intervala clip_image082[1] promijenila više puta. Međutim, ako posmatramo vremenski interval clip_image082[2] što manji promjene brzine za dati vremenski interval će biti sve manje. Kada pustimo da clip_image088 srednja brzina će postati trenutna:

clip_image090

(2.5)

Trenutna brzina (brzina u trenutku t odnosno clip_image092 je granična vrijednost srednje brzine u vremenskom intervalu clip_image094 kad clip_image096. Drugim riječima:

clip_image098

(2.6)

I ovdje vidimo da je trenutna brzina kretnja izvod dužine puta po vremenu. Na ovaj način (preko srednje i trenutne brzine) je Newton definisao izvod funkcije pa se čak može reći da je orginalna definicija izvoda upravo definisana preko srednje odnosno trenutne brzine. Možemo s pravom kazati: Izvod je brzina promjene dužine puta po vremenu.

 

1.2 Pojam IzvodA funkcije

Namjernim raspravljanjem o tangenti i srednjoj i trenutnoj brzini odnosno koeficijentu smjera tangente došli smo do pojma izvoda:

clip_image066[1]

(2.7)

Kao i kod definisanja trenutne brzine, u koliko je poznat zakon puta clip_image080[1], do pojma izvoda možemo doći bilo kakvim izračunavanjem brzine promjene neke veličine u toku vremena ako je poznat zakon ovisnosti te veličine od vremena.

Definicija 3.2.

Izvod funkcije clip_image100 po argumentu clip_image102 je granična vrijednost količnika priraštaja funkcije i priraštaja argumenta kad priraštaj teži nuli, tj.

clip_image104

Kada govorimo o izvodima često se spominje riječ od 3 slova – diferenciranje. Diferenciranje nije ništa drugo do granični proces kojim se dolazi do izvoda y’ funkcije clip_image068[1]. Za funkciju clip_image038[2] koja ima izvod u tački clip_image060[2] kažemo da je diferencijabilna u toj tački. Kada kažemo da je funkcija direfencijabilna na nekom intervalu clip_image106 to znači da je ista diferencijabilna u svakoj tački intervala.

Vidjeli smo i prije nego smo definisali izvod da ona (kako je na početku rečeno) ima veliku primjenu. Kada krenemo od geometrijske interpretacije izvoda do mehanike, preko fizike i td, sve do kompjutera video-igrica i flipera.

Razmotrimo jednu važnu osobinu izvoda funkcije, a to je diferencijabilnost i neprekidnost. Prije nego smo interpretirali izvod, pretpostavljali smo da nam funkcija mora biti neprekidna. Neprekidnost i diferencijabilnost tvore sljedeću teoremu:

Teorema 3.1.

Ako funkcija clip_image100[1] definisana na intervalu clip_image108 ima izvod u tački koja pripada tom intervalu odnosno clip_image110, (odnosno diferencijabilna je u datoj tački), tada je ona i neprekidna.

Dokaz:

Pretpostavka teoreme je da je funkcija diferencijabilna u tački clip_image060[3] tj. postoji clip_image112. Ako nam je clip_image114, tada možemo pisati:

clip_image116

Sada imamo, ako primijenimo granični proces na zadnji izraz:

clip_image118

Dakle, kada clip_image120, tada clip_image122. To znači da diferencijabilna funkcija clip_image038[3] je istovremeno i neprekidna u datoj tački.

Ovo je jedan od najvažnijih teorema koji se tiče Izvoda funkcije. Jednostavno bez ovog teorema ne bi smo mogli tako jednostavno “šetati” područjem izvoda. Gotovo kod svakog zadatka koji se tiče izvoda neke funkcije koristi se ovaj teorem.

Ako bi se pitali da li važi obrnut teorem, tj. da li je funkcija diferencijabilna ako je neprekidna, odgovor na ovo pitanje bio bi “NE”. Prije nego dokažemo ovaj teorem pročitajte sljedeću napomenu.

Napomena 3.1.

U matematici postoje dokazi za neke teoreme koje sprovodimo na taj način da nađemo bar jedan primjer koji opovrgava datu teoremu. Jednostavno pokazujući na jednom primjeru kontradiktornost teoreme mi je samim tim i dokazujemo.

Teorema 3.2.

Da li važi obrnut teorem prethodne Teoreme 2.1.

Dokaz:

Ovaj teorem ćemo dokazati navođenjem samo jednog primjera koji govori o tome da obrat ne važi. Posmatrajmo funkciju clip_image124. Ta funkcija je neprekidna na čitavom intervalu realnih brojeva. Graf funkcije daje je na slici 2.3. Sa slike se može vidjeti da jeclip_image126a clip_image128. Iz zadnjih izraza vidimo da je granična vrijednost količnika clip_image130za lijevu i desnu graničnu vrijednost po argumentu clip_image132različita, što znači da derivacija funkcije clip_image124[1] u tački clip_image134 nema jedinstven izvod. Drugim riječima funkcija clip_image038[4] u tački clip_image134[1] nije diferencijabilna. Dokaz teoreme je završen.

clip_image136

Slika  3.4  Grafik funkcije clip_image138.

Na osnovu prethodne dvije teoreme zaključujemo: svaka diferencijabilna funkcija ujedno je i neprekidna, dok svaka neprekidna funkcija nije uvijek i diferencijabilna. Pojam diferencijabilnosti je uži pojam od pojma neprekidnosti.

About Bahrudin Hrnjica

PhD in Mechanical Engineering, Microsoft MVP for .NET. Likes .NET, Math, Mechanical Engineering, Evolutionary Algorithms, Blogging.

Posted on 07/10/2010, in Common, Math and tagged , . Bookmark the permalink. Leave a comment.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s