Pokročilé příklady na derivace
Několik příkladů na složitější derivace než základní práce se vzorečky. Pokud potřebujete vysvětlit definici derivace, přejděte na článek derivace funkce.
První příklad
Začneme s něčím ne ještě příliš těžkým.
$$f(x)=x^3\cdot e^{-x}$$
Ze vzorečků derivací funkce víme, že derivace funkce ex je opět ex. Bohužel tento jednoduchý postup nemůžeme v tomto příkladě úplně přímo použít, protože v exponentu se nenachází jen x, ale −x, takže musíme danou funkci řešit jako složenou funkci. V prvním kroku nás ale stejně čeká rozložení pomocí vzorce pro součin.
$$f^\prime(x)=(x^3)^\prime\cdot e^{-x}+x^3\cdot(e^{-x})^\prime=$$
Levý mnohočlen zderivujeme pomocí klasického vzorce, zbytek necháme stejný:
$$=3x^2\cdot e^{-x}+x^3\cdot(e^{-x})^\prime=$$
Teď musíme zderivovat poslední funkci. Jak už jsme si říkali, je to složená funkce a tak ji musíme derivovat podle pravidla o složených funkcích:
$$\begin{eqnarray} f(x)&=&h(g(x))\\ f^\prime(x)&=&h^\prime (g(x))\cdot g^\prime(x) \end{eqnarray}$$
Takže derivace naší funkce by vypadala takto:
$$(e^{-x})^\prime=e^{-x}\cdot(-x)^\prime=e^{-x}\cdot(-1)=-e^{-x}$$
Výraz e−x zůstane stejný, protože derivace ex je zase ex a v prvním kroku vzorce derivujeme vnější funkci a vnitřní funkci necháváme nezderivovanou. V druhém kroku násobíme náš mezivýsledek derivací argumentu funkce, což je funkce −x. Derivací funkce −x je −1. Teď už jen dosadíme náš výsledek do předchozího výrazu:
$$=3x^2\cdot e^{-x}+x^3\cdot(e^{-x})^\prime=3x^2\cdot e^{-x}-x^3\cdot e^{-x}.$$
Druhý příklad
Zadání druhého příkladu:
$$f(x)=\frac{\ln(\cos x)}{\tan x}$$
Zde máme zlomek, v čitateli je jedna funkce a ve jmenovateli je jiná funkce. Takže v prvním kroku budeme derivovat podle vzorce pro dělení. Po aplikaci vzorce získáváme:
$$\frac{(\ln(\cos x))^\prime\cdot\tan x-\ln(\cos x)\cdot(\tan x)^\prime}{\tan^2 x}$$
Vezmeme to od konce, zderivujeme nejprve tangens, protože ho můžeme zderivovat jednoduše podle základního vzorce. Platí, že
$$(\tan x)^\prime=\frac{1}{\cos^2x}.$$
Po aplikaci tohoto vzorce v čitateli zlomku dostáváme
$$\frac{(\ln(\cos x))^\prime\cdot\tan x-\ln(\cos x)\cdot\frac{1}{\cos^2x}}{\tan^2 x}$$
Teď potřebujeme zderivovat logaritmus. Bohužel máme uvnitř logaritmu další vnořenou funkci, takže dostáváme složenou funkci a musíme tak logaritmus derivovat složitěji jako složenou funkci. Derivace samotného logaritmu je 1/x, kde ovšem za x dosadíme argument logaritmu, tj. kosinus. Dále musíme ještě násobit derivací argumentu, tj. derivací kosinu. Takže derivace logaritmu bude vypadat takto:
$$(\ln(\cos x))^\prime=\frac{1}{\cos x}\cdot(\cos x)^\prime=-\frac{1}{\cos x}\cdot\sin x=-\frac{\sin x}{\cos x}$$
Dostali jsme docela hezký zlomek. Pokud si dobře vzpomínáte na goniometrii, tak víte, že tento zlomek se rovná tangensu. Takže můžeme napsat, že se to celé rovná minus tangens:
$$(\ln(\cos x))^\prime=-\tan x$$
Dosadíme to tak do předchozího výsledku:
$$=\frac{(\ln(\cos x))^\prime\cdot\tan x-\ln(\cos x)\cdot\frac{1}{\cos^2x}}{\tan^2 x}=\frac{-\tan x\cdot\tan x-\ln(\cos x)\cdot\frac{1}{\cos^2x}}{\tan^2 x}=$$
V čitateli máme dvakrát tangens, tak ho můžeme jednoduše umocnit na druhou. Logaritmus můžeme přesunout do čitatele následujícího zlomku.
$$=\frac{-\tan^2 x-\frac{\ln(\cos x)}{\cos^2x}}{\tan^2 x}=$$
Teď můžeme rozdělit čitatele a dostat dva zlomky
$$=-\frac{\tan^2x}{\tan^2x}-\frac{\frac{\ln(\cos x)}{\cos^2x}}{\tan^2x}=$$
V prvním zlomku se čitatel rovná jmenovateli, takže dostáváme jedničku. Ve druhém zlomku se můžeme zbavit zlomku v čitateli tak, že zlomek rozšíříme výrazem cos2x.
$$=-1-\frac{\ln(\cos x)}{\cos^2x\cdot\tan^2x}=$$
Tangens nyní můžeme rozložit na podíl sin(x)/cos(x). Protože ale máme tangens na druhou, dostaneme i ve zlomek čitatel a jmenovatel na druhou. Poté můžeme hned zkrátit cos2x.
$$=-1-\frac{\ln(\cos x)}{\cos^2x\frac{\sin^2x}{\cos^2x}}=-\frac{\ln(\cos x)}{\sin^2x}-1.$$
To je finální výsledek derivace.
Třetí příklad
Vypočtěte derivaci funkce
$$f(x)=x^{(x^{\frac12})}.$$
Pokud to není jasně vidět — všechno jsou to exponenty, tedy „x na x na jednu polovinu“. V prvním kroku nejprve provedeme úpravu podle vzorce:
$$x=e^{\ln x}$$
Pomocí tohoto vzorce rozložíme první x v našem příkladě:
$$f(x)=(e^{\ln x})^{x^{\frac12}}$$
Nyní aplikujeme vzorec pro práci z mocninami:
$$(a^b)^c=a^{b\cdot c}$$
Odstraníme závorky a dáme do součinu nejvyšší exponent s logaritmem:
$$f(x)=e^{\ln x\cdot x^{\frac12}}$$
Teď už máme funkci ve tvaru, ve kterém se nám bude lépe derivovat. Jedná se o složenou funkci a jako takovou ji budeme derivovat. První funkce je ex, kde za x dosadíme celý exponent a druhá funkce je v exponentu. Takže rozložením dostáváme:
$$f^\prime(x)=e^{\ln x\cdot x^{\frac12}}\cdot(\ln x\cdot x^{\frac12})^\prime$$
Závorku budeme derivovat jako součin, takže aplikujeme vzorec pro součin.
$$(\ln x\cdot x^{\frac12})^\prime=(\ln x)^\prime\cdot x^{\frac12} + \ln x\cdot (x^{\frac12})^\prime=$$
Derivace logaritmu je 1/x:
$$=\frac{1}{x}\cdot x^{\frac12} + \ln x\cdot (x^{\frac12})^\prime=$$
Teď zderivujeme druhý výraz, podle klasického vzorce pro derivování mocninných funkcí. Takže platí:
$$\left(x^{\frac12}\right)^\prime=\frac12x^{\frac12-1}=\frac12x^{-\frac12}=\frac{x^{-\frac12}}{2}=\frac{1}{2x^{\frac12}}=\frac{1}{2\sqrt{x}}$$
Dosadíme tento výsledek do našeho výpočtu:
$$=\frac{1}{x}\cdot x^{\frac12} + \ln x\cdot \frac{1}{2\sqrt{x}}=$$
Můžeme ještě upravit první součin, opět pomocí vzorečků, které pracují s mocninami:
$$\frac{1}{x}\cdot x^{\frac12}=x^{-1}\cdot x^{\frac12}=x^{-1+\frac12}=x^{-\frac12}=\frac{1}{\sqrt{x}}$$
Přepíšeme předchozí výraz pomocí výpočtu, který jsme právě udělali:
$$=\frac{1}{\sqrt{x}}+\ln x\cdot \frac{1}{2\sqrt{x}}=$$
A nakonec převedeme logaritmus do čitatele zlomku:
$$=\frac{1}{\sqrt{x}}+\frac{\ln x}{2\sqrt{x}}=$$
První zlomek můžeme rozšířit dvěma a zlomky pak můžeme sečíst:
$$=\frac{2}{2\sqrt{x}}+\frac{\ln x}{2\sqrt{x}}=\frac{2+\ln x}{2\sqrt{x}}$$
Nyní už se můžeme vrátit k celé derivaci:
$$f^\prime(x)=e^{\ln x\cdot x^{\frac12}}\cdot\left(\frac{2+\ln x}{2\sqrt{x}}\right)=$$
Zpátky nahradíme eln x za x:
$$=x^{\sqrt{x}}\cdot\left(\frac{2+\ln x}{2\sqrt{x}}\right).$$
Tím jsme dostali finální výsledek.