Pochodne — reguły różniczkowania — zbiór zadań (klasa 3 LO) — zadania z rozwiązaniami

Korzystamy ze wzoru na pochodną potęgi: $(x^n)^{\prime}=n x^{n-1}$.

$$f^{\prime}(x)=5x^4$$

Odpowiedź: B. $5x^4$.

Różniczkujemy składnik po składniku:

$$(3x^2)^{\prime}=6x,\qquad (-4x)^{\prime}=-4,\qquad (7)^{\prime}=0$$

$$f^{\prime}(x)=6x-4$$

Pamiętaj: pochodna stałej to zero.

Odpowiedź: $f^{\prime}(x)=6x-4$.

Krok 1 — pochodna:

$$f^{\prime}(x)=2x-3$$

Krok 2 — podstawiamy $x=2$:

$$f^{\prime}(2)=2\cdot2-3=1$$

Interpretacja: $f^{\prime}(2)=1$ to nachylenie stycznej do wykresu w punkcie o odciętej $2$.

Odpowiedź: $f^{\prime}(2)=1$.

Funkcja stała nie zmienia wartości, więc jej tempo zmian (pochodna) wynosi zero:

$$f^{\prime}(x)=0$$

Odpowiedź: C. $0$.

Reguła iloczynu: $(uv)^{\prime}=u^{\prime}v+uv^{\prime}$.

Krok 1 — pochodne czynników:

$$u=x^2+1,\ u^{\prime}=2x,\qquad v=x-3,\ v^{\prime}=1$$

Krok 2 — składamy:

$$f^{\prime}(x)=2x(x-3)+(x^2+1)\cdot1$$

Krok 3 — upraszczamy:

$$=2x^2-6x+x^2+1=3x^2-6x+1$$

Odpowiedź: $f^{\prime}(x)=3x^2-6x+1$.

Reguła pochodnej funkcji złożonej: różniczkujemy „od zewnątrz”, a potem mnożymy przez pochodną wnętrza.

Krok 1 — pochodna zewnętrznej potęgi:

$$3(2x+1)^2$$

Krok 2 — mnożymy przez pochodną wnętrza $(2x+1)^{\prime}=2$:

$$f^{\prime}(x)=3(2x+1)^2\cdot2=6(2x+1)^2$$

Najczęstszy błąd: pominięcie mnożenia przez pochodną wnętrza (tu przez $2$).

Odpowiedź: $f^{\prime}(x)=6(2x+1)^2$.

Zapisujemy pierwiastek jako potęgę: $\sqrt{x}=x^{1/2}$. Wtedy:

$$f^{\prime}(x)=\frac12 x^{-1/2}=\frac{1}{2\sqrt{x}}$$

Odpowiedź: A. $\frac{1}{2\sqrt{x}}$.

Współczynnik kierunkowy stycznej to wartość pochodnej w danym punkcie.

Krok 1 — pochodna:

$$f^{\prime}(x)=2x$$

Krok 2 — podstawiamy $x_0=3$:

$$a=f^{\prime}(3)=6$$

Odpowiedź: współczynnik kierunkowy stycznej wynosi $6$.

Pochodna funkcji liniowej $ax$ to jej współczynnik kierunkowy:

$$f^{\prime}(x)=4$$

Interpretacja: funkcja liniowa ma stałe nachylenie, więc jej pochodna jest stała.

Odpowiedź: D. $4$.

Krok 1 — pochodna:

$$f^{\prime}(x)=3x^2-6x$$

Krok 2 — miejsca zerowe pochodnej. Wyłączamy $3x$:

$$3x(x-2)=0 \quad\Rightarrow\quad x=0 \ \text{ lub } \ x=2$$

Znaczenie: to kandydaci na ekstrema funkcji $f$.

Odpowiedź: $f^{\prime}(x)=3x^2-6x$; miejsca zerowe $x=0$ i $x=2$.

Funkcja złożona — różniczkujemy zewnętrzną potęgę i mnożymy przez pochodną wnętrza.

Krok 1 — zewnętrzna:

$$4(x^2-1)^3$$

Krok 2 — pochodna wnętrza $(x^2-1)^{\prime}=2x$:

$$f^{\prime}(x)=4(x^2-1)^3\cdot2x=8x(x^2-1)^3$$

Odpowiedź: $f^{\prime}(x)=8x(x^2-1)^3$.

Wzór na pochodną ilorazu:

$$\left(\frac{u}{v}\right)^{\prime}=\frac{u^{\prime}v-uv^{\prime}}{v^2}$$

Uwaga na znak: w liczniku jest minus (inaczej niż w regule iloczynu), a kolejność wyrazów ma znaczenie.

Odpowiedź: B.

Styczna pozioma ma współczynnik kierunkowy $0$, więc szukamy miejsca, gdzie pochodna się zeruje.

Krok 1 — pochodna:

$$f^{\prime}(x)=2x-4$$

Krok 2 — przyrównujemy do zera:

$$2x-4=0 \quad\Rightarrow\quad x=2$$

Interpretacja: to wierzchołek paraboli — tam styczna jest pozioma.

Odpowiedź: dla $x=2$.

Równanie stycznej: $y=f^{\prime}(x_0)(x-x_0)+f(x_0)$.

Krok 1 — wartość funkcji i pochodnej w $x_0=1$:

$$f(1)=1,\qquad f^{\prime}(x)=2x,\quad f^{\prime}(1)=2$$

Krok 2 — podstawiamy do wzoru:

$$y=2(x-1)+1=2x-2+1=2x-1$$

Sprawdzenie: styczna przechodzi przez $(1,\,1)$: $2\cdot1-1=1$ ✔

Odpowiedź: $y=2x-1$.

$$f^{\prime}(x)=2x+1,\qquad f^{\prime}(0)=2\cdot0+1=1$$

Odpowiedź: A. $1$.

Zapisujemy jako potęgę: $\frac{2}{x}=2x^{-1}$.

$$f^{\prime}(x)=2\cdot(-1)x^{-2}=-\frac{2}{x^2}$$

Uwaga: ujemny wykładnik zwiększa się o $1$ do $-2$ (bo $-1-1=-2$), a znak wyniku jest ujemny.

Odpowiedź: $f^{\prime}(x)=-\frac{2}{x^2}$.

Interpretacja fizyczna: prędkość chwilowa to pochodna drogi po czasie.

Krok 1 — pochodna:

$$v(t)=s^{\prime}(t)=2t+3$$

Krok 2 — podstawiamy $t=2$:

$$v(2)=2\cdot2+3=7\ \text{m/s}$$

Odpowiedź: prędkość chwilowa wynosi $7$ m/s.

Krok 1 — pochodna:

$$f^{\prime}(x)=3x^2-3=3(x-1)(x+1)$$

Krok 2 — miejsca zerowe pochodnej: $x=-1$ i $x=1$.

Krok 3 — znak pochodnej w przedziałach:

• dla $x\lt -1$: $f^{\prime}>0$ — funkcja rośnie
• dla $-1\lt x\lt 1$: $f^{\prime}\lt 0$ — funkcja maleje
• dla $x>1$: $f^{\prime}>0$ — funkcja rośnie

Wniosek: maksimum lokalne w $x=-1$, minimum lokalne w $x=1$.

Odpowiedź: rośnie na $(-\infty,\,-1\rangle$ i $\langle 1,\,+\infty)$, maleje na $\langle -1,\,1\rangle$.

Krok 1 — wartości w $x_0=2$:

$$f(2)=8,\qquad f^{\prime}(x)=3x^2,\quad f^{\prime}(2)=12$$

Krok 2 — wzór stycznej:

$$y=f^{\prime}(x_0)(x-x_0)+f(x_0)=12(x-2)+8$$

Krok 3 — upraszczamy:

$$y=12x-24+8=12x-16$$

Sprawdzenie: dla $x=2$: $12\cdot2-16=8=f(2)$ ✔

Odpowiedź: $y=12x-16$.

Krok 1 — oznaczenia i pochodne:

$$u=x,\ u^{\prime}=1,\qquad v=x+1,\ v^{\prime}=1$$

Krok 2 — reguła ilorazu:

$$f^{\prime}(x)=\frac{u^{\prime}v-uv^{\prime}}{v^2}=\frac{1\cdot(x+1)-x\cdot1}{(x+1)^2}$$

Krok 3 — upraszczamy licznik:

$$=\frac{x+1-x}{(x+1)^2}=\frac{1}{(x+1)^2}$$

Obserwacja: pochodna jest zawsze dodatnia (mianownik to kwadrat), więc funkcja jest rosnąca w całej dziedzinie.

Odpowiedź: $f^{\prime}(x)=\frac{1}{(x+1)^2}$.