Эта статья находится в разработке!
Эту статью требуется как следует вычитать, так как во время её написания я всем своим нутром чуял, что
пишу какой-то бред, однако не осознавая, где он, и не имел достаточного знания математического анализа
для его моментального исправления.
Определение дифференцциала и производной
Пусть функция [math]f[/math] определена в некоторой окрестности точки [math]x[/math].
Тогда обозначим [math]\Delta y = f(x + \Delta x) - f(x)[/math].
Очевидно тогда, что [math]\lim\limits_{\Delta n \to 0} \Delta y = 0[/math].
С целью более подробного изучения [math]\Delta y[/math] она линеаризуется по [math]x[/math]. Отсюда возникает
понятие дифференциала.
Опред.
[math]f[/math] дифференцируема в точке [math]x[/math], если [math]\Delta y = A(x) \Delta x + o(\Delta x)[/math], где
[math]o(\Delta x)[/math] — такая величина, что [math]\frac{o(\Delta x)}{\Delta x} \to 0[/math] при [math]x \to 0[/math].
Тогда [math]A(x)\Delta x[/math] называют дифференциалом в точке [math]x[/math].
Также обозначают [math]A(x) \Delta x = df(x, \Delta x) = dy[/math].
Утверждение.
Функция дифференцируема [math]\iff \, \exists \lim\limits_{\Delta x} \frac{\Delta y}{\Delta x} = A(x) \Delta x[/math].
Доказательчтво:
Если функция дифференцируема, то [math]\frac{\Delta y}{\Delta x} = A(x) + \frac{o(\Delta x)}{\Delta x}[/math],
где [math]\frac{o(\Delta x)}{\Delta x}[/math] — бесконечно малая.
Определение:
[math]f'(x) = \lim\limits_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x}[/math]
Проблему дифференцирования сводят к проблеме существования производных, поэтому для функций одной
переменной дифференцируемость равносильна существованию производной([math]dy = f'(x)\Delta x[/math]).
Однако, это верно только для функций одной переменной.
Легко понять, что если функция дифференцируема, то она непрерывна в этой точке. Однако, обратное
может быть неверно. Например, функция [math]y = |x|[/math] в точке [math]x = 0[/math]. В этой точке у неё нет производной,
значит, она не дифференцируема.
\subsection{Стандартные арифметические свойства производной}
\begin{itemize}
\item{[math](f + g)' = f' + g'[/math]}
\item{[math](fg)' = f'g + g'f[/math]}
\item{[math]\left(\frac{f}{g}\right)' = \frac{f'g - g'f}{g^2}[/math]}
\end{itemize}
Докажем, например, второе свойство.
[math]\Delta(fg) = (f + \Delta f)(g + \Delta g) - fg = \Delta fg + f \Delta g + \Delta f \Delta g[/math]
[math](fg)' = \frac{\Delta(fg)}{\Delta x} =
\frac{\Delta fg}{\Delta x} +
\frac{f \Delta g}{\Delta x} +
\frac{\Delta f \Delta g}{\Delta x} =
f'g + g'f
[/math]
Основное значение имеет правило дифференцирование сложной функции:
[math]\Delta y = \Delta x + o(\Delta x), \Delta x \to 0[/math].
То, что из дифференцируемости следует непрерывность позволяет подставлять [math]\Delta x = 0[/math] и считать, что
[math]
o(\Delta x) = \left\{
\begin{aligned}
0 & ,{\,} \Delta x = 0\\
o(\Delta x) & ,{\,} \Delta x \ne 0\\
\end{aligned}\right.
[/math].
Это мотивировано непрерывностью в точке функции в точке [math]x[/math].
(это что?)
[math]\forall \varepsilon \gt 0 \exists \delta \gt 0: \, 0 \lt |\Delta x| \lt \varepsilon \Rightarrow
\left|\frac{o(\Delta x)}{\Delta x}\right| \leq \iff
|o(\Delta x)| \leq \varepsilon |\Delta x|
[/math]
Здесь и далее будем считать, что [math]o(0) = 0[/math].
Теорема:
Пусть [math]y = f(x)[/math] дифференциркема в точке [math]x_0[/math], [math]y_0 = f(x_0)[/math]. Пусть [math]z = g(y)[/math] дифференцируема
в [math]y_0[/math]. Тогда в некоторой окрестности [math]x_0[/math] корректно определена сложная функция [math]z = g(f(x))[/math]
и её производная равна [math]z' = g'(y_0)f'(x_0)[/math].
Доказательство:
Рассмотрим [math]\Delta y = g(y_0 + \Delta y) - g(y_0) = g'(y_0) + o(\Delta y)[/math].
[math]f(x + x_0) - f(x_0) = f(x_0)\Delta x + o(\Delta x)[/math]
[math]g[/math] определена в окрестности [math]y_0[/math]. Так как [math]df \to 0[/math] при [math]\Delta x \to 0[/math] и [math]y_0 = f(x_0)[/math], то
при [math]\Delta x \to 0 f(x_0 + \Delta x)[/math] принадлежит окрестности точки [math]y_0[/math].
[math]z = ??????, x = x_0 + \Delta x[/math] при [math]\Delta x \to 0[/math] корректно определено.
[math]\Delta y = f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)[/math]
[math]y_0 = f(x_0)[/math]
[math]g(f(x_0 + \Delta x)) - g(f(x_0)) = g'(y_0)(f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)) + o(\Delta y) =[/math]
[math]g'(y_0) \cdot f'(x_0)\Delta x+ g'(y_0) o(\Delta x) + o(\Delta y)[/math]
[math]\Rightarrow g'(f(x_0 + \Delta x)) - g(f(x_0)) = g'(y_0)f'(x_0)\Delta x +
g'(y_0)o(\Delta x) + o(\Delta y) \Rightarrow dz = g'(y_0)f'(x_0)\Delta x[/math]
[math]z' = g'(y_0) f'(x_0)[/math]
Для доказательства теоремы осталось доказать тот факт, что [math]o(\Delta x) = o(\Delta y)[/math]:
[math]\forall \varepsilon \gt 0 \exists \delta \gt 0 \, |\Delta y| \lt \delta \Rightarrow |o(\Delta y)| \lt \varepsilon |\Delta y|[/math]
[math]\Delta y = f(x_0 + \Delta x) - f(x_0) = f'(x_0)\Delta x + o(\Delta x) =
(f'(x_0) + o(1))\Delta x\lt tex\gt , где [/math]o(1) = \frac{o(\Delta x)}{\Delta x} \to 0</tex>, так как это
бесконечно малая функция.
Тогда [math]y_0 \to 0[/math] при [math]\Delta x \to 0[/math].
Для имеющегося [math]\delta \gt 0[/math] подберем
[math]\delta_1 \gt 0: \, |\Delta x| \lt \delta_1 \Rightarrow |\Delta y| \lt \delta \Rightarrow
|o(\Delta y)| \lt \varepsilon |o(\Delta x)| =(?) \varepsilon |f'(x_0) + o(1)|\Delta x[/math]
[math]\forall \varepsilon \gt 0 \exists \delta_1 \gt 0: \, |\Delta x| \lt \delta_1, o(\Delta y) \leq M\varepsilon |\delta x| \Rightarrow
o(\Delta y) = o(\Delta x)
[/math]
