Понятие производной функции в точке. Геометрический и механический смысл производной

Производная — основное понятие дифференциального исчисления, характеризующее скорость изменения функции. Определяется как предел отношения приращения функции к приращению ее аргумента при стремлении приращения аргумента к нулю, если таковой предел существует. Функцию, имеющую конечную производную, называют дифференцируемой. Процесс вычисления производной называется дифференцированием.

Пусть в некоторой окрестности точки определена функция

Производная функции f в точке x ₀ называется предел, если он существует,

Производная функции y=f(x) в точке x ₀ обозначается символами

Геометрический смысл производной. Рассмотрим график функции y = f (x):

Из рис.1 видно, что для любых двух точек A и B графика функции:

где - 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. Отсюда следует: производная функции в точке есть угловой коэффициент касательной к графику этой функции в этой точке. В этом и состоит геометрический смысл производной.

Уравнение касательной. Выведем уравнение касательной к графику функции в точке A (x ₀, f (x ₀)). В общем случае уравнение прямой с угловым коэффициентом f ’(x ₀) имеет вид:

y = f ’(x ₀) · x + b.

Чтобы найти b, воспользуемся тем, что касательная проходит через точку A:

f (x ₀) = f ’(x ₀) · x ₀ + b,

отсюда, b = f (x ₀) – f ’(x ₀) · x ₀, и подставляя это выражение вместо b, мы получим уравнение касательной:

y = f (x ₀) + f ’(x ₀) · (x – x ₀).

Механический смысл производной. Рассмотрим простейший случай: движение материальной точки вдоль координатной оси, причём закон движения задан: координата x движущейся точки – известная функция x (t) времени t. В течение интервала времени от t ₀ до t ₀ + точка перемещается на расстояние: x (t ₀ + ) - x (t ₀) = , а её средняя скорость равна: v_a = / . При 0 значение средней скорости стремится к определённой величине, которая называется мгновенной скоростью v (t ₀) материальной точки в момент времени t ₀. Но по определению производной мы имеем:

отсюда, v (t ₀) = x’ (t ₀), т.e. скорость – это производная координаты по времени. В этом и состоит механический смысл производной. Аналогично, ускорение – это производная скорости по времени: a = v’ (t).