📘 CodingMarble Learn

Применение производной

Производная показывает, как быстро одна величина меняется по сравнению с другой. Её знак говорит, растёт функция (f′ > 0, возрастает) или падает (f′ < 0, убывает). Там, где f′ = 0, касательная горизонтальна: такие критические точки могут быть локальным максимумом или минимумом. Это проверяют по первой производной (смена знака) или по второй (знак f″). Так решают реальные задачи: самая большая коробка или самый дешёвый бак.

🎬 История по шагам

  1. Скорость изменения: f′(x) показывает, как быстро y меняется, когда x немного растёт. Читай наклон движущейся точки на кривой y = x³ − 3x.
  2. Где f′(x) > 0, кривая идёт вверх: зелёный цвет, функция возрастает. Где f′(x) < 0, она идёт вниз: красный цвет, функция убывает.
  3. Критические точки — это где f′(x) = 0 и касательная горизонтальна. Первый признак: плюс, потом минус — максимум; минус, потом плюс — минимум.
  4. Второй признак: f″ < 0 — перевёрнутая чаша, значит максимум. f″ > 0 — чаша, значит минимум.
  5. Реальная задача: вырежем квадраты со стороной x см по углам квадратного листа 12 см и согнём коробку. Объём наибольший при x = 2.
  6. Твой ход: меняй a в y = x³ − ax, двигай x и смотри на наклон и изгиб кривой.

Совет: тяни 3D-сцену, чтобы повернуть её. Двумя пальцами можно приблизить.

🤔 Частые сомнения — разобраны

Что на самом деле значит скорость изменения?

Это то, на сколько меняется y при крошечном шаге по x, пересчитанное на единицу. Движущаяся точка показывает это как наклон: круче — быстрее меняется.

Может ли функция возрастать, если где-то f′ = 0?

Да, в отдельных точках. x³ возрастает везде, хотя f′(0) = 0. График на миг выравнивается, но назад не поворачивает.

Как понять, что это максимум, а не минимум?

Посмотри на f′ чуть раньше и чуть позже. На кривой наклон в точке x = −1 меняется с положительного (подъём) на отрицательный (спуск), значит это вершина.

Почему f″ < 0 значит максимум?

f″ < 0 значит, что наклон уменьшается. На вершине горы наклон идёт от положительного через ноль к отрицательному, то есть всё время уменьшается: перевёрнутая чаша.

Почему в задаче про коробку отбрасываем x = 6?

Если вырезать по 6 см из каждого угла листа 12 см, дна не остаётся (12 − 2×6 = 0), и объём равен 0. График там касается нуля.

Что будет, если критических точек нет?

В свободной игре поставь a отрицательным. Тогда f′ = 3x² − a всегда положительна, кривая всё время идёт вверх и локальных максимума и минимума нет.

Скорость изменения величин

Если y зависит от x, то dy/dx — скорость изменения y относительно x. В точке x = a пишем f′(a).

Если и x, и y меняются со временем t, используем правило цепочки: dy/dt = (dy/dx) × (dx/dt).

Пример: радиус круга растёт на 0,5 см/с. Площадь A = πr², поэтому dA/dt = 2πr × dr/dt. При r = 4 см получаем dA/dt = 2π(4)(0,5) = 4π см²/с.

Предельные издержки и предельная выручка в экономике — тоже производные: на сколько меняются издержки или выручка при ещё одном изделии.

Возрастающие и убывающие функции

На промежутке, где f дифференцируема:

Как найти промежутки

  1. Найди f′(x) и реши f′(x) = 0.
  2. Эти точки делят числовую ось на промежутки.
  3. Проверь знак f′ на каждом промежутке.

Для f(x) = x³ − 3x: f′ = 3(x − 1)(x + 1). Возрастает на (−∞, −1) и (1, ∞), убывает на (−1, 1).

Максимумы и минимумы

Локальный максимум — точка, которая выше всех соседних точек; локальный минимум — ниже всех соседних. В такой точке (если функция там гладкая) f′(c) = 0. Точки, где f′(c) = 0 или f′ не существует, называют критическими точками.

Первый признак (по первой производной)

Второй признак (по второй производной)

Наибольшее и наименьшее значения на [a, b]

Найди все критические точки внутри [a, b], вычисли f в них и на концах a и b. Самое большое значение — наибольшее, самое маленькое — наименьшее.

Задачи из жизни

  1. Назови величину, которая должна быть наибольшей или наименьшей (объём, площадь, стоимость).
  2. Запиши её через одну переменную, используя условие задачи.
  3. Найди производную, приравняй к 0 и реши.
  4. Проверь по второй (или первой) производной, максимум это или минимум.
  5. Ответь на вопрос с единицами измерения.

Пример с коробкой: V = x(12 − 2x)², dV/dx = 12(x − 2)(x − 6). При x = 6 коробки нет, значит x = 2; V″(2) = −48 < 0, максимум равен 128 см³.

Главные формулы и определения

Разобранные примеры

1. Сторона квадрата растёт на 3 см/с. Как быстро растёт его площадь, когда сторона равна 10 см?

A = x², dA/dt = 2x·dx/dt = 2(10)(3) = 60 см²/с.

2. Радиус шара растёт на 2 см/с. Найди скорость изменения объёма при r = 5 см.

V = (4/3)πr³, dV/dt = 4πr²·dr/dt = 4π(25)(2) = 200π см³/с.

3. Стоимость изготовления x изделий равна C(x) = 0.5x² + 10x + 100. Найди предельные издержки при x = 20.

C′(x) = x + 10. C′(20) = 30. Двадцать первое изделие обойдётся примерно на ₹30 дороже.

4. Найди промежутки, где f(x) = x² − 4x + 1 возрастает или убывает.

f′(x) = 2x − 4 = 0 при x = 2. При x < 2 f′ < 0 (убывает); при x > 2 f′ > 0 (возрастает).

5. Найди локальные максимумы и минимумы f(x) = 2x³ − 9x² + 12x + 1.

f′ = 6x² − 18x + 12 = 6(x − 1)(x − 2) = 0 → x = 1, 2. f″ = 12x − 18. f″(1) = −6 < 0 → локальный максимум f(1) = 6. f″(2) = 6 > 0 → локальный минимум f(2) = 5.

6. Найди наибольшее и наименьшее значения f(x) = x³ − 3x на [0, 3].

Критическая точка внутри: x = 1 (x = −1 вне отрезка). f(0) = 0, f(1) = −2, f(3) = 18. Наибольшее 18 при x = 3, наименьшее −2 при x = 1.

7. Два положительных числа в сумме дают 20. Найди их так, чтобы произведение было наибольшим.

Числа x и 20 − x. P = 20x − x². P′ = 20 − 2x = 0 → x = 10. P″ = −2 < 0 → максимум. Числа 10 и 10, произведение 100.

8. Периметр прямоугольника 40 м. Покажи, что его площадь наибольшая, когда он квадрат.

Стороны x и 20 − x, A = 20x − x², A′ = 20 − 2x = 0 → x = 10, A″ = −2 < 0. Обе стороны по 10 м: квадрат площадью 100 м².

Частые ошибки

Тренировочный тест

1. Если f′(x) > 0 на промежутке, то f там:
2. В локальном максимуме гладкой функции f′ меняется с:
3. Если f′(c) = 0 и f″(c) = 5, то c — это:
4. A = πr². Если dr/dt = 1 см/с, то dA/dt при r = 3 равно:
5. У f(x) = x² минимум достигается в точке:

Практика: отвечай сам

Введи или выбери ответ и нажми «Проверить». Если застрял, возьми подсказку; полное решение появится после ответа.

Частые вопросы

Какие темы входят в применение производной?

Скорость изменения, возрастание и убывание функций, максимумы и минимумы по первому и второму признакам, а также задачи на оптимизацию из жизни.

Какой признак проще: первый или второй?

Второй признак быстрее, когда f″ легко найти и она не равна нулю. Если f″(c) = 0, используй первый признак.

Чем локальный максимум отличается от наибольшего значения?

Локальный максимум — самая высокая точка среди соседних. Наибольшее значение — самое высокое на всём промежутке, включая концы.

Где это изучают

Canada (Ontario)Grade 12B. Derivatives and Their Applications
NetherlandsHAVO 5 (eindexamenjaar)Applied calculus (part 2)
NetherlandsVWO 5Differential and integral calculus (part 1)
RomaniaClasa a XI-aElements of mathematical analysis
RomaniaClasa a XI-aElements of mathematical analysis
Spain2º BachilleratoMeasurement Sense
Spain2º BachilleratoMeasurement Sense
Ukraine10 класAlgebra: derivative and applications (50 h)
Ukraine10 класAlgebra: limits, continuity and derivative (54 h)
Ukraine10 класAlgebra: the derivative and its applications (14 h)
CBSE (India)Class 12Calculus
CBSE (India)Class 12Calculus
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Contextual Applications of Differentiation
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Analytical Applications of Differentiation
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Contextual Applications of Differentiation
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Analytical Applications of Differentiation
Japan高校2年Ideas of calculus
Japan高校3年Differentiation
South Korea고등학교 2학년Differentiation
South Korea고등학교 2학년Differentiation techniques
South Korea고등학교 3학년Differentiation techniques
South Korea고등학교 3학년Differentiation
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 11Foundations of differential calculus
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 13Applications of differential and integral calculus
Russia11 классElements of calculus
Russia11 классElements of calculus
China高二Ch.5 Derivatives

Сначала изучи

Дальше изучай