Квант
Школа в «Кванте»

Дифференцирование сложной функции

Эппель Б. С.

26

нитные волны, интенсивность которых пропорциональна квадрату ускорения.

Этот закон обязывает и излучение электромагнитных волн вRENTеновской трубке. Электроны, пролегая в глубоком вакууме в пространстве между катодом и аномом, разгоняются электрическим полем до больших скоростей, а затем резко тормозятся при соударении с аномом. При этом возникают значительные ускорения, и электроны излучают электромагнитные волны. Такое излучение называется тормозным.

Оказывается, что, тормозясь, электроны излучают цельный спектр электромагнитных волн с разными частотами (или длинами волн). Этот спектр — сплошной, но он ограничен определенной максимальной частотой vmaxv_{\text{max}} (такое ограничение по частоте можно обяснить только с точки зрения квантовой теории).

Самая большая частота (и, соответственно, самая малая длина волны) определяется из условия равенства кинетической энергии электрона eUeU (U — напряжение между аномом и катодом) энергии излучемого кванта:

eU=hvmax,eU = hv_{\text{max}},

откуда

vmax=eUh,v_{\text{max}} = \frac{eU}{h},

и, соответственно, минимальная длина волны

λmin=cvmax=cheU⋅\lambda_{\text{min}} = \frac{c}{v_{\text{max}}} = \frac{ch}{eU} \cdot

где hh — постоянная Планка, а cc — скорость света. При разности потенциальов в несколько десятиков киловольт минimalная длина волны достигает долей ангстрема (1A˚=10−10 m1\mathring{\mathrm{A}} = 10^{-10}\text{ m}). Такое коротковolverное излучение обладает большой проникающей способностью и называетсяRENTеновским излучением.

(*) Измерив на опыте минимальный длину волны λmin\lambda_{\text{min}} и напряжение VV, можно из этого равенства определять значение постоянной Планка hh. Из таких опытов было получено значение h=6,62⋅10−34Дж⋅сh = 6,62 \cdot 10^{-34}\text{Дж} \cdot \text{с}.

Дифференцирование сложной функции

В. С. ЭППЕЛЬ

Все абитуренты знают, что (sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)' = \cos x. Однако равенства вроде (sin⁡2x)′=cos⁡2x(\sin 2x)' = \cos 2x или (sin⁡3x)′=cos⁡3x(\sin^3 x)' = \cos^3 x, которые нет-нет да и грешат абитуренты, грубо неверны. Дело в том, что функция sin⁡2x\sin 2x и sin⁡3x\sin^3 x — сложные и дифференцированные их — задача тоже более сложная. Мы показем здесь, как решать эту задачу практические.

Ошибки вроде (sin⁡3x)′=cos⁡3x(\sin^3 x)' = \cos^3 x возникают тогда, когда поступающие не умют расшифровать запись y=sin⁡3xy = \sin^3 x, не видят в этом простом выражении сложной функции — композиции двух функций (см. «Алгебра и начала анализа 9—10», п. 20). В действительности, функция y=sin⁡3xy = \sin^3 x получается последовательным выполнением двух операций: взятая синуя угла xx и возведенная полученного числа sin⁡x\sin x в куб:

x→sin⁡x→(sin⁡x)3.x \rightarrow \sin x \rightarrow (\sin x)^3.

В записи функции y=sin⁡3xy = \sin^3 x нужно су-метЬ разделно уви деть одну за другой две функции (синус и степень), из которых она составлена. Это легче сделать, если эта функция записана в виде y=(sin⁡x)3y = (\sin x)^3.

Для наглядности, на первых порах мы будем помогать читателю распознавать сложные функции с помощью цвета. В нашем примере

y=(sin⁡x)3илиy=sin⁡3xy = (\sin x)^3 \quad \text{или} \quad y = \sin^3 x

В общем случае, чтобы применять правила дифференцирования сложной функции («Алгебра и начала анализа 9—10», п. 21)

(f(g(x)))′=f′(g(x))⋅g′(x)(f(g(x)))' = f'(g(x)) \cdot g'(x)

необходимо данную функцию суметь «увидеть» в форме f(g(x))f(g(x)). Для этого вначале нам будет помогать цвет. Расстояние между двумя примерами.

Продифференцируем функцию

y=sin⁡2x=sin⁡u,u=2xy = \sin 2x = \sin u, u = 2x

(каждая функция имеет свой цвет):

y′=(sin⁡u)⋅(2x)′=(cos⁡u)⋅2=2cos⁡2x.y' = (\sin u) \cdot (2x)' = (\cos u) \cdot 2 = 2\cos 2x.

27

(Но не cos 2x.)
Точно так же
y=sin⁡3x=u3,u=sin⁡x;y = \sin^3 x = u^3, \quad u = \sin x;
y′=(u3)′⋅(sin⁡x)′=(3u2)⋅(cos⁡x)=3sin⁡2xcos⁡x.y' = (u^3)' \cdot (\sin x)' = (3u^2) \cdot (\cos x) = 3 \sin^2 x \cos x.

(Но не cos³ x.)
На практике такое дифференцирование произвольного города короче и проще, во всяком случае без введения в запись u.

Искусство дифференцирования сложной функции заключается в умении видеть в момент дифференцирования только одну функцию (именно — дифференцируемую в данной момент), не замечая пока другие, — открытые их видение до момента их дифференцирования.

Вот еще несколько демонстрационных примеров, уже без введения промежуточного «u», так, как обычно осуществляют и записьют дифференцирование сложной функции те, кто обладает свободным навыком такого дифференцирования. Только по-прежнему каждую дифференцируемую функцию и ее произвольную мы будем писать одинаковым цветом.

y=(2x4−5x2+6)8;y = (2x^4 - 5x^2 + 6)^8;
y′=8(2x4−5x2+6)7⋅(8x3−10x).y' = 8(2x^4 - 5x^2 + 6)^7 \cdot (8x^3 - 10x).
y=R2−x2=(R2−x2)12;y = \sqrt{R^2 - x^2} = \left(R^2 - x^2\right)^{\frac{1}{2}};
y′=12(R2−x2)−12⋅(−2x)=−xR2−x2y' = \frac{1}{2}\left(R^2 - x^2\right)^{-\frac{1}{2}} \cdot (-2x) = \frac{-x}{\sqrt{R^2 - x^2}}

Следующая сложная функция —
y=sin⁡35x.y = \sin^3 5x.

она является, как видно хотя бы уже по количеству цветов, композицией трех функций: 1) сину; 2) возвведение в степень; 3) умножение на 5.

Продиференцируем ее:
y=sin⁡35x;y = \sin^3 5x;
y′=(3sin⁡25x)⋅(cos⁡5x)⋅(5)=15(sin⁡25x)cos⁡5x.y' = \left(3 \sin^2 5x\right) \cdot \left(\cos 5x\right) \cdot \left(5\right) = 15 \left(\sin^2 5x\right) \cos 5x.

Поскольку от перемены мест сложнительной произведение не меняется, то и перебирать функции для дифференцирования, само собой разумется, можно в любом порядке.

Еще несколько примеров:
y=tgx3;y′=3x2cos⁡2x3.y = \mathrm{tg} x^3; \quad y' = \frac{3x^2}{\cos^2 x^3}.
Функцию

мы дифференцируем как произведение функции по формуле (uv)′=u′v+v′u(uv)' = u'v + v'u:
y′=(x2)′(ln⁡x3)+(x2)′⋅(ln⁡x3)′=2xln⁡x3+x2⋅1x3⋅(3x2)=2xln⁡x3+3x.y' = \left(x^2\right)' \left(\ln x^3\right) + \left(x^2\right)' \cdot \left(\ln x^3\right)' = 2x \ln x^3 + x^2 \cdot \frac{1}{x^3} \cdot \left(3x^2\right) = 2x \ln x^3 + 3x.

y=2x3−5x;y = 2x^3 - 5x;
y′=2x3−5xln⁡2⋅(3x2−5)y' = 2x^3 - 5x \ln 2 \cdot \left(3x^2 - 5\right)

У разнения. Продиференцируйте, используя по мере надобости многоцветную запись:

  1. y=(x3+2)4y = (x^3 + 2)^4; 2. y=1+5x2y = \sqrt{1 + 5x^2};

  2. y=ex2−3xy = e^{x^2 - 3x}; 4. y=ln⁡(2x3−4x2)y = \ln (2x^3 - 4x^2);

  3. y=lg⁡(2x3−4x2)y = \lg (2x^3 - 4x^2); 6. y=5sin⁡xy = 5^{\sin x};

  4. y=log⁡0.3(8x2−2x3)y = \log_{0.3}(8x^2 - 2x^3);

  5. y=cos⁡(2x−1)y = \cos (2x - 1); 9. y=cos⁡23xy = \cos^2 3x;

  6. y=tgxy = \sqrt{\mathrm{tg} x}; 11. y=xtg2xy = x \mathrm{tg}^2 x;

  7. y=sin⁡axy = \sin \sqrt{ax}; 13. y=ln⁡sin⁡xy = \ln \sin x;

  8. y=31xy = 3^{\frac{1}{x}}; 15. y=1cos⁡2xy = \frac{1}{\cos 2x}.

  9. Доказите, что функция y=c1+x2y = c \sqrt{1 + x^2} служит решением дифференциального уравнения y′=xy/(1+x2)y' = xy / (1 + x^2).

Поправки

  1. В «Кванте» №1 на с. 57 во втором уравнении задачи 1 варианта 1 ошибочно напечатано 15 вместе 55.
  2. В последнем абзаце на с. 47 «Кванте» №2 над 1-й, 4-й, 7-й жирными буквами A и 1-й, 3-й, 5-й, 6-й, 8-й жирными буквами B должны стоять черта (А, В), пропущенная по вине типографии.