Teoria
Calcolo differenziale e Taylor
La derivata come limite del rapporto incrementale, le regole di calcolo, i teoremi di Fermat, Rolle e Lagrange con le loro conseguenze, il teorema di de l'Hôpital e la formula di Taylor.
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La derivata
Derivata e rapporto incrementale
Siano e un punto interno ad . Il rapporto incrementale di in relativo all’incremento è
la pendenza della retta che passa per i punti e del grafico. è derivabile in se esiste finito il limite
le due scritture coincidono con la sostituzione . Se è derivabile in ogni punto di un insieme, la funzione è la funzione derivata. La derivata misura la rapidità con cui varia vicino a ; con il suo segno si studiano monotonia, massimi e minimi, come mostrano i teoremi di questo capitolo.
Derivata di x² con la definizione
Il limite esiste finito per ogni , quindi è derivabile su e .
Derivate laterali
La derivata destra e la derivata sinistra di in sono i limiti laterali del rapporto incrementale:
è derivabile in se e solo se le due derivate laterali esistono finite e coincidono. Si usano nei punti di raccordo delle funzioni definite a tratti e nei punti in cui un valore assoluto cambia espressione.
Retta tangente al grafico
Se è derivabile in , la retta tangente al grafico di nel punto è
Per il punto si avvicina a e la retta secante per i due punti tende alla tangente; poiché la pendenza della secante è il rapporto incrementale, la pendenza della tangente è . Questo è il significato geometrico della derivata.
Derivabilità e continuità
Derivabile implica continua
Se è derivabile in , allora è continua in . Per questo lo studio della derivabilità comincia dalla continuità: in un punto in cui non è continua, non è derivabile.
Dimostrazione
Per vale l’identità
Per il primo fattore tende a e il secondo a , quindi per il limite del prodotto , cioè , che è la definizione di continuità in .
Attenzione
L’implicazione non si inverte: è continua in ma non è derivabile in . Il rapporto incrementale vale per e per , quindi le derivate laterali esistono e sono diverse.
Punti angolosi, cuspidi, flessi a tangente verticale
Sia continua in ma non derivabile in . Il punto si classifica con i limiti laterali del rapporto incrementale.
- Punto angoloso: le derivate laterali esistono, sono diverse e almeno una è finita. Esempio in , con derivate laterali e .
- Cuspide: il rapporto incrementale tende a da una parte e a dall’altra. Esempio in : il rapporto vale per e per .
- Flesso a tangente verticale: il rapporto incrementale tende a oppure a da entrambe le parti. Esempio in , dove il rapporto tende a ; la tangente è la retta verticale .
Regole di derivazione
Derivata di somma, prodotto e quoziente
Se e sono derivabili in , allora, con :
Con queste regole e con la tabella delle derivate elementari si deriva ogni funzione costruita con le quattro operazioni, senza tornare alla definizione.
Dimostrazione
Per il prodotto si somma e si sottrae al numeratore del rapporto incrementale:
Per il rapporto incrementale di tende a e quello di a ; inoltre è derivabile in , quindi continua in , perciò . Per l’algebra dei limiti l’espressione tende a . La regola della somma si dimostra separando il rapporto incrementale nei due rapporti di e di ; quella del quoziente si ottiene applicando la regola del prodotto a , dove la derivata di si calcola con la regola della funzione composta.
Derivata della funzione composta
Se è derivabile in e è derivabile in , allora è derivabile in e
Si deriva la funzione esterna lasciando intatto l’argomento, poi si moltiplica per la derivata dell’argomento: la derivata di è . Con composizioni ripetute la regola si applica a catena, dall’esterno verso l’interno.
Derivata della funzione inversa
Sia invertibile e derivabile in con , con inversa continua in . Allora è derivabile in e
Con questo teorema si derivano le inverse delle funzioni elementari. Per e si ottiene
Derivate delle funzioni elementari
La derivata di una funzione costante è nulla, perché il rapporto incrementale è identicamente nullo. Ogni formula vale nei punti interni al dominio. Le derivate di esponenziale, logaritmo e seno si ottengono dalla definizione con i limiti notevoli; per esempio
Le derivate delle funzioni inverse seguono dal teorema precedente.
Massimi, minimi e teoremi del valore medio
Massimo e minimo locale
è un punto di massimo locale per se esiste un intorno di tale che per ogni ; è un punto di minimo locale se vale la disuguaglianza opposta. Un punto di massimo o di minimo assoluto, cioè in cui la disuguaglianza vale su tutto , è anche locale. La ricerca degli estremi locali è uno degli scopi del calcolo differenziale; il teorema di Fermat dice dove cercarli.
Teorema di Fermat
Se è un punto di massimo o di minimo locale per , interno al dominio, e è derivabile in , allora . I punti in cui la derivata si annulla si chiamano punti stazionari. Il teorema riduce la ricerca degli estremi su un intervallo a un elenco di candidati: i punti stazionari, i punti di non derivabilità e gli estremi dell’intervallo.
Dimostrazione
Sia un punto di massimo locale; per il minimo si ragiona con le disuguaglianze opposte. Poiché è interno al dominio, per abbastanza piccolo il punto appartiene al dominio e vale . Per il rapporto incrementale ha numeratore e denominatore , quindi è ; poiché il limite conserva le disuguaglianze larghe, per si ottiene . Per il rapporto ha numeratore e denominatore , quindi è , e per si ottiene . Dalle due disuguaglianze segue .
Attenzione
La condizione è necessaria per un estremo locale interno, non sufficiente: ha derivata nulla in e in non ha né massimo né minimo locale, perché è strettamente crescente. Serve inoltre che sia interno: su ha massimo in con .
Teorema di Rolle
Sia continua in , derivabile in , con . Allora esiste tale che . Tra due punti del grafico alla stessa quota esiste quindi un punto a tangente orizzontale. Dal teorema di Rolle si deduce il teorema di Lagrange.
Dimostrazione
Poiché è continua in , per il teorema di Weierstrass assume su un valore massimo e un valore minimo .
- Se , la funzione è costante su , quindi per ogni .
- Se , almeno uno dei due valori è diverso da , quindi è assunto in un punto interno all’intervallo. Il punto è un estremo locale interno e è derivabile in , perciò per il teorema di Fermat .
Teorema di Lagrange
Sia continua in e derivabile in . Allora esiste tale che
Il rapporto a destra è la pendenza della retta per gli estremi del grafico: esiste un punto in cui la tangente è parallela a quella retta. Dal teorema seguono il legame tra segno della derivata e monotonia e le stime del tipo quando sull’intervallo.
Dimostrazione
Si definisce la funzione ausiliaria
la differenza tra e la retta per i punti e . è continua in e derivabile in , perché somma di e di un polinomio di primo grado; inoltre e . Le ipotesi del teorema di Rolle sono quindi soddisfatte ed esiste con . Poiché
da segue .
Teorema di Cauchy
Siano e continue in e derivabili in . Allora esiste tale che
Se inoltre in , allora per il teorema di Rolle e l’uguaglianza si scrive
Per si riottiene il teorema di Lagrange. La dimostrazione applica il teorema di Rolle alla funzione . Il teorema di Cauchy è il passo con cui si dimostra il teorema di de l’Hôpital.
La teoria continua con 4 altri paragrafi (conseguenze del teorema di lagrange, il teorema di de lhôpital, derivate successive…), oltre a tutte le schede svolte, le soluzioni e il PDF.
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