Многие удивятся неожиданному расположению этой статьи в моём авторском курсе о производной функции одной переменной и её приложениях. Ведь как оно было ещё со школы: стандартный учебник в первую очередь даёт определение производной, её геометрический, механический смысл. Далее учащиеся находят производные функций по определению, и, собственно, только потом оттачивается техника дифференцирования с помощью таблицы производных .
Но с моей точки зрения, более прагматичен следующий подход: прежде всего, целесообразно ХОРОШО ПОНЯТЬ предел функции , и, в особенности, бесконечно малые величины . Дело в том, что определение производной базируется на понятии предела , которое слабо рассмотрено в школьном курсе. Именно поэтому значительная часть молодых потребителей гранита знаний плохо вникают в саму суть производной. Таким образом, если вы слабо ориентируетесь в дифференциальном исчислении либо мудрый мозг за долгие годы успешно избавился от оного багажа, пожалуйста, начните с пределов функций . Заодно освоите/вспомните их решение.
Тот же практический смысл подсказывает, что сначала выгодно научиться находить производные , в том числе производные сложных функций . Теория теорией, а дифференцировать, как говорится, хочется всегда. В этой связи лучше проработать перечисленные базовые уроки, а может и стать мастером дифференцирования , даже не осознавая сущности своих действий.
К материалам данной страницы рекомендую приступать после ознакомления со статьёй Простейшие задачи с производной , где, в частности рассмотрена задача о касательной к графику функции. Но можно и повременить. Дело в том, что многие приложения производной не требуют её понимания, и неудивительно, что теоретический урок появился достаточно поздно – когда мне потребовалось объяснять нахождение интервалов возрастания/убывания и экстремумов функции. Более того, он довольно долго находился в теме «Функции и графики », пока я всё-таки не решил поставить его раньше.
Поэтому, уважаемые чайники, не спешите поглощать суть производной, как голодные звери, ибо насыщение будет невкусным и неполным.
Многие учебные пособия подводят к понятию производной с помощью каких-либо практических задач, и я тоже придумал интересный пример. Представьте, что нам предстоит путешествие в город, до которого можно добраться разными путями. Сразу откинем кривые петляющие дорожки, и будем рассматривать только прямые магистрали. Однако прямолинейные направления тоже бывают разными: до города можно добраться по ровному автобану. Или по холмистому шоссе – вверх-вниз, вверх-вниз. Другая дорога идёт только в гору, а ещё одна – всё время под уклон. Экстремалы выберут маршрут через ущелье с крутым обрывом и отвесным подъемом.
Но каковы бы ни были ваши предпочтения, желательно знать местность или, по меньшей мере, располагать её топографической картой. А если такая информация отсутствует? Ведь можно выбрать, например, ровный путь, да в результате наткнуться на горнолыжный спуск с весёлыми финнами. Не факт, что навигатор и даже спутниковый снимок дадут достоверные данные. Поэтому неплохо бы формализовать рельеф пути средствами математики.
Рассмотрим некоторую дорогу (вид сбоку):
На всякий случай напоминаю элементарный факт: путешествие происходит слева направо
. Для простоты полагаем, что функция непрерывна
на рассматриваемом участке.
Какие особенности у данного графика?
На интервалах 
функция возрастает
, то есть каждое следующее её значение больше
предыдущего. Грубо говоря, график идёт снизу вверх
(забираемся на горку). А на интервале функция убывает
– каждое следующее значение меньше
предыдущего, и наш график идёт сверху вниз
(спускаемся по склону).
Также обратим внимание на особые точки. В точке мы достигаем максимума , то есть существует такой участок пути, на котором значение будет самым большим (высоким). В точке же достигается минимум , и существует такая её окрестность, в которой значение самое маленькое (низкое).
Более строгую терминологию и определения рассмотрим на уроке об экстремумах функции
, а пока изучим ещё одну важную особенность: на промежутках 
функция возрастает, но возрастает она с разной скоростью
. И первое, что бросается в глаза – на интервале график взмывает вверх гораздо более круто
, чем на интервале . Нельзя ли измерить крутизну дороги с помощью математического инструментария?
Идея состоит в следующем: возьмём некоторое значение (читается «дельта икс»)
, которое назовём приращением аргумента
, и начнём его «примерять» к различным точкам нашего пути:
1) Посмотрим на самую левую точку: минуя расстояние , мы поднимаемся по склону на высоту (зелёная линия). Величина называется приращением функции , и в данном случае это приращение положительно (разность значений по оси – больше нуля). Составим отношение , которое и будет мерИлом крутизны нашей дороги. Очевидно, что – это вполне конкретное число, и, поскольку оба приращения положительны, то .
Внимание! Обозначение являются ЕДИНЫМ символом, то есть нельзя «отрывать» «дельту» от «икса» и рассматривать эти буквы отдельно. Разумеется, комментарий касается и символа приращения функции.
Исследуем природу полученной дроби содержательнее. Пусть изначально мы находимся на высоте 20 метров (в левой чёрной точке). Преодолев расстояние метров (левая красная линия), мы окажемся на высоте 60 метров. Тогда приращение функции составит 
метров (зелёная линия) и: . Таким образом, на каждом метре
этого участка дороги высота увеличивается в среднем
на 4 метра
…не забыли альпинистское снаряжение? =) Иными словами, построенное отношение характеризует СРЕДНЮЮ СКОРОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ (в данном случае – роста) функции.
Примечание : числовые значения рассматриваемого примера соответствуют пропорциям чертежа лишь приблизительно.
2) Теперь пройдём то же самое расстояние от самой правой чёрной точки. Здесь подъём более пологий, поэтому приращение (малиновая линия) относительно невелико, и отношение по сравнению с предыдущим случаем будет весьма скромным. Условно говоря, 
метров и скорость роста функции
составляет . То есть, здесь на каждый метр пути приходится в среднем
пол метра подъёма.
3) Маленькое приключение на склоне горы. Посмотрим на верхнюю чёрную точку, расположенную на оси ординат. Предположим, что это отметка 50 метров. Снова преодолеваем расстояние , в результате чего оказываемся ниже – на уровне 30-ти метров. Поскольку осуществлено движение сверху вниз
(в «противоход» направлению оси ), то итоговое приращение функции (высоты) будет отрицательным
: 
метров (коричневый отрезок на чертеже). И в данном случае речь уже идёт о скорости убывания
функции: 
, то есть за каждый метр пути этого участка высота убывает в среднем
на 2 метра. Берегите одежду на пятой точке.
Теперь зададимся вопросом: какое значение «измерительного эталона» лучше всего использовать? Совершенно понятно, 10 метров – это весьма грубо. На них запросто уместится добрая дюжина кочек. Да что там кочки, внизу может быть глубокое ущелье, а через несколько метров – другая его сторона с дальнейшим отвесным подъёмом. Таким образом, при десятиметровом мы не получим вразумительной характеристики подобных участков пути посредством отношения .
Из проведённого рассуждения следует вывод – чем меньше значение , тем точнее мы опишем рельеф дороги. Более того, справедливы следующие факты:
– Для любой
точки подъемов 
можно подобрать значение (пусть и очень малое), которое умещается в границах того или иного подъёма. А это значит, что соответствующее приращение высоты будет гарантированно положительным, и неравенство корректно укажет рост функции в каждой точке этих интервалов.
– Аналогично, для любой точки склона существует значение , которое полностью уместится на этом склоне. Следовательно, соответствующее приращение высоты однозначно отрицательно, и неравенство корректно покажет убыль функции в каждой точке данного интервала.
– Особо интересен случай, когда скорость изменения функции равна нулю: . Во-первых, нулевое приращение высоты () – признак ровного пути. А во-вторых, есть другие любопытные ситуации, примеры которых вы видите на рисунке. Представьте, что судьба завела нас на самую вершину холма с парящими орлами или дно оврага с квакающими лягушками. Если сделать небольшой шажок в любую сторону, то изменение высоты будет ничтожно мало, и можно сказать, что скорость изменения функции фактически нулевая. В точках наблюдается именно такая картина.
Таким образом, мы подобрались к удивительной возможности идеально точно охарактеризовать скорость изменения функции. Ведь математический анализ позволяет устремить приращение аргумента к нулю: , то есть сделать его бесконечно малым .
По итогу возникает ещё один закономерный вопрос: можно ли для дороги и её графика найти другую функцию , которая сообщала бы нам обо всех ровных участках, подъёмах, спусках, вершинах, низинах, а также о скорости роста/убывания в каждой точке пути?
Пожалуйста, прочитайте вдумчиво и не слишком быстро – материал прост и доступен каждому! Ничего страшного, если местами что-то покажется не очень понятным, к статье всегда можно вернуться позже. Скажу больше, теорию полезно проштудировать несколько раз, чтобы качественно уяснить все моменты (совет особенно актуален для студентов-«технарей», у которых высшая математика играет значительную роль в учебном процессе).
Естественно, и в самом определении производной в точке заменим на :
К чему мы пришли? А пришли мы к тому, что для функции по закону 
ставится в соответствие другая функция
, которая называется производной функцией
(или просто производной)
.
Производная характеризует скорость изменения функции . Каким образом? Мысль идёт красной нитью с самого начала статьи. Рассмотрим некоторую точку области определения функции . Пусть функция дифференцируема в данной точке. Тогда:
1) Если , то функция возрастает в точке . И, очевидно, существует интервал (пусть даже очень малый), содержащий точку , на котором функция растёт, и её график идёт «снизу вверх».
2) Если , то функция убывает в точке . И существует интервал, содержащий точку , на котором функция убывает (график идёт «сверху вниз»).
3) Если , то бесконечно близко около точки функция сохраняет свою скорость постоянной. Так бывает, как отмечалось, у функции-константы и в критических точках функции , в частности в точках минимума и максимума .
Немного семантики. Что в широком смысле обозначает глагол «дифференцировать»? Дифференцировать – это значит выделить какой-либо признак. Дифференцируя функцию , мы «выделяем» скорость её изменения в виде производной функции . А что, кстати, понимается под словом «производная»? Функция произошла от функции .
Термины весьма удачно истолковывает механический смысл производной
:
Рассмотрим закон изменения координаты тела , зависящий от времени , и функцию скорости движения данного тела . Функция характеризует скорость изменения координаты тела, поэтому является первой производной функции по времени: . Если бы в природе не существовало понятия «движение тела», то не существовало бы и производного
понятия «скорость тела».
Ускорение тела – это скорость изменения скорости, поэтому: 
. Если бы в природе не существовало исходных понятий «движение тела» и «скорость движения тела», то не существовало бы и производного
понятия «ускорение тела».
Тип задания: 7
Прямая y=3x+2 является касательной к графику функции y=-12x^2+bx-10. Найдите b , учитывая, что абсцисса точки касания меньше нуля.
Показать решениеПусть x_0 — абсцисса точки на графике функции y=-12x^2+bx-10, через которую проходит касательная к этому графику.
Значение производной в точке x_0 равно угловому коэффициенту касательной, то есть y"(x_0)=-24x_0+b=3. С другой стороны, точка касания принадлежит одновременно и графику функции и касательной, то есть -12x_0^2+bx_0-10=3x_0+2. Получаем систему уравнений \begin{cases} -24x_0+b=3,\\-12x_0^2+bx_0-10=3x_0+2. \end{cases}
Решая эту систему, получим x_0^2=1, значит либо x_0=-1, либо x_0=1. Согласно условию абсцисса точки касания меньше нуля, поэтому x_0=-1, тогда b=3+24x_0=-21.
Тип задания: 7
Тема:
Геометрический смысл производной. Касательная к графику функции
Прямая y=-3x+4 параллельна касательной к графику функции y=-x^2+5x-7. Найдите абсциссу точки касания.
Показать решениеУгловой коэффициент прямой к графику функции y=-x^2+5x-7 в произвольной точке x_0 равен y"(x_0). Но y"=-2x+5, значит, y"(x_0)=-2x_0+5. Угловой коэффициент прямой y=-3x+4, указанной в условии, равен -3. Параллельные прямые имеют одинаковые угловые коэффициенты. Поэтому находим такое значение x_0, что =-2x_0 +5=-3.
Получаем: x_0 = 4.
Источник: «Математика. Подготовка к ЕГЭ-2017. Профильный уровень». Под ред. Ф. Ф. Лысенко, С. Ю. Кулабухова.
Тип задания: 7
Тема:
Геометрический смысл производной. Касательная к графику функции
По рисунку определяем, что касательная проходит через точки A(-6; 2) и B(-1; 1). Обозначим через C(-6; 1) точку пересечения прямых x=-6 и y=1, а через \alpha угол ABC (на рисунке видно, что он острый). Тогда прямая AB образует с положительным направлением оси Ox угол \pi -\alpha, который является тупым.
Как известно, tg(\pi -\alpha) и будет значением производной функции f(x) в точке x_0. Заметим, что tg \alpha =\frac{AC}{CB}=\frac{2-1}{-1-(-6)}=\frac15. Отсюда по формулам приведения получаем: tg(\pi -\alpha) =-tg \alpha =-\frac15=-0,2.
Источник: «Математика. Подготовка к ЕГЭ-2017. Профильный уровень». Под ред. Ф. Ф. Лысенко, С. Ю. Кулабухова.
Тип задания: 7
Тема:
Геометрический смысл производной. Касательная к графику функции
Прямая y=-2x-4 является касательной к графику функции y=16x^2+bx+12. Найдите b , учитывая, что абсцисса точки касания больше нуля.
Показать решениеПусть x_0 — абсцисса точки на графике функции y=16x^2+bx+12, через которую
проходит касательная к этому графику.
Значение производной в точке x_0 равно угловому коэффициенту касательной, то есть y"(x_0)=32x_0+b=-2. С другой стороны, точка касания принадлежит одновременно и графику функции и касательной, то есть 16x_0^2+bx_0+12=-2x_0-4. Получаем систему уравнений \begin{cases} 32x_0+b=-2,\\16x_0^2+bx_0+12=-2x_0-4. \end{cases}
Решая систему, получим x_0^2=1, значит либо x_0=-1, либо x_0=1. Согласно условию абсцисса точки касания больше нуля, поэтому x_0=1, тогда b=-2-32x_0=-34.
Источник: «Математика. Подготовка к ЕГЭ-2017. Профильный уровень». Под ред. Ф. Ф. Лысенко, С. Ю. Кулабухова.
Тип задания: 7
Тема:
Геометрический смысл производной. Касательная к графику функции
На рисунке изображён график функции y=f(x), определённой на интервале (-2; 8). Определите количество точек, в которых касательная к графику функции параллельна прямой y=6.
Прямая y=6 параллельна оси Ox . Поэтому находим такие точки, в которых касательная к графику функции параллельна оси Ox. На данном графике такими точками являются точки экстремума (точки максимума или минимума). Как видим, точек экстремума 4 .
Источник: «Математика. Подготовка к ЕГЭ-2017. Профильный уровень». Под ред. Ф. Ф. Лысенко, С. Ю. Кулабухова.
Тип задания: 7
Тема:
Геометрический смысл производной. Касательная к графику функции
Прямая y=4x-6 параллельна касательной к графику функции y=x^2-4x+9. Найдите абсциссу точки касания.
Показать решениеУгловой коэффициент касательной к графику функции y=x^2-4x+9 в произвольной точке x_0 равен y"(x_0). Но y"=2x-4, значит, y"(x_0)=2x_0-4. Угловой коэффициент касательной y=4x-7, указанной в условии, равен 4 . Параллельные прямые имеют одинаковые угловые коэффициенты. Поэтому находим такое значение x_0, что 2x_0-4=4. Получаем: x_0=4.
Источник: «Математика. Подготовка к ЕГЭ-2017. Профильный уровень». Под ред. Ф. Ф. Лысенко, С. Ю. Кулабухова.
Тип задания: 7
Тема:
Геометрический смысл производной. Касательная к графику функции
На рисунке изображены график функции y=f(x) и касательная к нему в точке с абсциссой x_0. Найдите значение производной функции f(x) в точке x_0.
По рисунку определяем, что касательная проходит через точки A(1; 1) и B(5; 4). Обозначим через C(5; 1) точку пересечения прямых x=5 и y=1, а через \alpha угол BAC (на рисунке видно, что он острый). Тогда прямая AB образует с положительным направлением оси Ox угол \alpha.
Конспект открытого урока преподавателя ГБПОУ «Педагогического колледжа № 4 Санкт-Петербурга»
Мартусевич Татьяны Олеговны
Дата: 29.12.2014.
Тема: Геометрический смысл производной.
Тип урока: изучение нового материала.
Методы обучения: наглядный, частично поисковый.
Цель урока.
Ввести понятие касательной к графику функции в точке, выяснить в чем состоит геометрический смысл производной, вывести уравнение касательной и научить находить его.
Образовательные задачи:
Добиться понимания геометрического смысла производной; вывода уравнения касательной; научиться решать базовые задачи;
обеспечить повторение материала по теме «Определение производной»;
создать условия контроля (самоконтроля) знаний и умений.
Развивающие задачи:
способствовать формированию умений применять приемы сравнения, обобщения, выделения главного;
продолжить развитие математического кругозора, мышления и речи, внимания и памяти.
Воспитательные задачи:
содействовать воспитанию интереса к математике;
воспитание активности, мобильности, умения общаться.
Тип урока – комбинированный урок с использованием ИКТ.
Оборудование – мультимедийная установка, презентация Microsoft Power Point .
Этап урока
Время
Деятельность преподавателя
Деятельность учащегося
1. Организационный момент.
Сообщение темы и цели урока.
Тема: Геометрический смысл производной.
Цель урока.
Ввести понятие касательной к графику функции в точке, выяснить в чем состоит геометрический смысл производной, вывести уравнение касательной и научить находить его.
Подготовка студентов к работе на занятии.
Подготовка к работе на занятии.
Осознание темы и цели урока.
Конспектирование.
2. Подготовка к изучению нового материала через повторение и актуализацию опорных знаний.
Организация повторения и актуализации опорных знаний: определения производной и формулирование её физического смысла.
Формулирование определения производной и формулирование её физического смысла. Повторение, актуализация и закрепление опорных знаний.
Организация повторения и формирование навыка нахождения производной степенной функции и элемениарных функций.
Нахождение производной данных функций по формулам.
Повторение свойств линейной функции.
Повторение, восприятие чертежей и высказываний преподавателя
3. Работа с новым материалом: объяснение.
Объяснение смысла отношения приращения функции к приращению аргумента
Объяснение геометрического смысла производной.
Введение нового материала посредством словесных объяснений с привлечением образов и наглядных средств: мультимедийной презентации с анимацией.
Восприятие объяснения, понимание, ответы на вопросы учителя.
Формулирование вопроса преподавателю в случае затруднения.
Восприятие новой информации, её первичное понимание и осмысление.
Формулирование вопросов преподавателю в случае затруднения.
Создание конспекта.
Формулирование геометрического смысла производной.
Рассмотрение трех случаев.
Конспектирование, выполнение рисунков.
4. Работа с новым материалом.
Первичное осмысление и применение изученного материала, его закрепление.
В каких точках производная положительна?
Отрицательна?
Равна нулю?
Обучение поиску алгоритма ответов на поставленные вопросы по графику.
Понимание и осмысление и применение новой информации для решения задачи.
5. Первичное осмысление и применение изученного материала, его закрепление.
Сообщение условия задачи.
Запись условия задачи.
Формулирование вопроса преподавателю в случае затруднения
6. Применение знаний: самостоятельная работа обучающего характера.
Решите задачу самостоятельно:
Применение полученных знаний.
Самостоятельная работа по решению задачи на нахождение производной по рисунку. Обсуждение и сверка ответов в паре, формулирование вопроса преподавателю в случае затруднения.
7. Работа с новым материалом: объяснение.
Вывод уравнения касательной к графику функции в точке.
Подробное объяснение вывода уравнения касательной к графику функции в точке с привлечением в качестве наглядности в виде мультимедийной презентации, ответы на вопросы учащихся.
Вывод уравнения касательной совместно с преподавателем. Ответы на вопросы преподавателя.
Конспектирование, создание рисунка.
8. Работа с новым материалом: объяснение.
В диалоге со студентами вывод алгоритма нахождения уравнения касательной к графику данной функции в данной точке.
В диалоге с преподавателем вывод алгоритма нахождения уравнения касательной к графику данной функции в данной точке.
Конспектирование.
Сообщение условия задачи.
Обучение применению полученных знаний.
Организация поиска путей решения задачи и их реализация. подробный разбор решения с объяснением.
Запись условия задачи.
Выдвижение предположений о возможных путях решения задачи при реализации каждого пункта плана действий. Решение задачи совместно с преподавателем.
Запись решения задачи и ответа.
9. Применение знаний: самостоятельная работа обучающего характера.
Индивидуальный контроль. Консультирование и помощь студентам по мере необходимости.
Проверка и объяснение решения с использованием презентации.
Применение полученных знаний.
Самостоятельная работа по решению задачи на нахождение производной по рисунку. Обсуждение и сверка ответов в паре, формулирование вопроса преподавателю в случае затруднения
10. Домашнее задание.
§48, задачи 1 и 3, разобраться в решении и записать его в тетрадь, с рисунками.
№ 860 (2,4,6,8),
Сообщение домашнего задания с комментариями.
Запись домашнего задания.
11. Подведение итогов.
Повторили определение производной; физический смысл производной; свойства линейной функции.
Узнали, в чём заключается геометрический смысл производной.
Научились выводить уравнение касательной к графику данной функции в данной точке.
Корректировка и уточнение итогов урока.
Перечисление итогов урока.
12. Рефлексия.
1. Вам было на уроке: а) легко; б) обычно; в) трудно.
а) усвоил(а) полностью, могу применить;
б) усвоил(а), но затрудняюсь в применении;
в) не усвоил(а).
3. Мультимедийная презентация на уроке:
а) помогала усвоению материала; б) не помогала усвоению материала;
в) мешала усвоению материала.
Проведение рефлексии.
Производная функции.
1. Определение производной, её геометрический смысл.
2.Производная сложной функции.
3. Производная обратной функции.
4. Производные высших порядков.
5. Параметрически заданные функции и неявно.
6. Дифференцирование функций, заданных параметрически и неявно.
Введение.
Источником дифференциального исчисления были два вопроса, выдвинутые запросами науки и техники в 17 веке.
1) Вопрос о вычислении скорости при произвольно заданном законе движения.
2) Вопрос о нахождении (с помощью вычислений) касательной к кривой произвольно заданной.
Задачу проведения касательной к некоторым кривым решил ещё древнегреческий учёный Архимед (287-212 г.г. до н.э.), пользуясь методом вычерчивания.
Но только в 17 и 18 веках в связи с прогрессом естествознания и техники эти вопросы получили должное развитие.
Одним из важных вопросов при изучении любого физического явления обычно является вопрос о скорости, быстроте происходящего явления.
Скорость с которой движется самолёт или автомобиль, всегда служит важнейшим показателем его работы. Быстрота прироста населения того или иного государства является одной из основных характеристик его общественного развития.
Первоначальная идея скорости ясна каждому. Однако для решения большинства практических задач этой общей идеи недостаточно. Необходимо иметь такое количественное определение этой величины, которую мы называем скоростью. Потребность в таком точном количественном определении исторически послужила одним из основных побудителей к созданию математического анализаю. Целый раздел математического анализа посвящен решению этой основной задачи и выводам из этого решения. К изучению этого раздела мы и переходим.
Определение производной, её геометрический смысл.
Пусть дана функция определённая в некотором интервале (а,в) и непрерывная в нём.
1. Дадим аргументу х приращение , тогда функция получит
приращение :
2. Составим отношение 
.
3. Переходя к пределу в при и, предполагая, что предел
существует, получим величину , которую называют
производной функции по аргументу х .
Определение. Производной функции в точке называется предел отношения приращения функции к приращению аргумента , когда →0.
Значение производной очевидно зависит от точки х , в которой оно найдено, поэтому производная функции есть в свою очередь некоторая функция от х . Обозначается .
По определению имеем
или (3)
Пример. Найти производную функции .
1. ; 
Тема. Производная. Геометрический и механический смысл производной
Если этот предел существует, то функция называется дифференцируемой в точке. Производная функции обозначается (формула 2).
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. Отсюда следует вывод.
Производная функции в точке есть угловой коэффициент касательной к графику этой функции в этой точке. В этом и состоит геометрический смысл производной.
