Capitolo 3 Derivate 3.1 Definizione **Definizione 3.1 (Punto di derivabilità). Sia f : [a, b] ! R una funzione e sia x0 2 [a, b]. Allora f si dice derivabile in x0 se esiste finito il lim x!x0 f (x) x f (x0 ) . x0 (3.1) In questo caso x0 si dice punto di derivabilità per la funzione f . Fissato un certo x0 la funzione f (x) f (x0 ) x x0 prende il nome di rapporto incrementale della funzione f nel punto x0 . Inoltre una scrittura equivalente per (3.1) è la seguente x0 (x) := (3.2) f (x0 + h) f (x0 ) . (3.3) h!0 h **Definizione 3.2 (Derivata destra e sinistra). Sia f : [a, b] ! R una funzione e sia x0 un punto di continuità per la funzione f . Allora si definisce derivata destra di f in x0 il limite lim f+0 (x0 ) = lim+ x!x0 f (x) x f (x0 ) . x0 (3.4) f (x) x f (x0 ) . x0 (3.5) Si definisce derivata sinistra di f in x0 il limite f 0 (x0 ) = lim x!x0 19 Teorema 3.3. Sia f : [a, b] ! R una funzione e sia x0 un punto di continuità per la funzione f . Allora f è derivabile in x0 se e solo se la derivata destra è uguale alla derivata sinistra in x0 ed i valori sono entrambi finiti. Definizione 3.4 (Funzione derivabile). Sia f : [a, b] ! R una funzione. Allora f si dice derivabile in [a, b] se per ogni x0 2 [a, b] la funzione f risulta derivabile. **Teorema 3.5. Sia f : [a, b] ! R una funzione e sia x0 2 [a, b] un punto di derivabilità per la funzione f . Allora la funzione f è continua in x0 . Dimostrazione. Poiché la f è derivabile in x0 allora esiste finito lim x!x0 f (x) x Allora lim (x x!x0 x0 ) f (x0 ) . x0 f (x) x in quanto prodotto di una quantità che va a 0 (cioè (x lim f (x) f (x0 ) = 0, x0 x0 )) e di una limitata. Dunque f (x0 ) = 0 x!x0 e la funzione è continua in x0 . 3.2 Alcune funzioni derivabili La Tabella 3.1 riassume le derivate di alcune funzioni elementari. 3.3 Regole di derivazione Il calcolo di una derivata si basa sostanzialmente sul calcolo di un limite; è naturale dunque aspettarsi che le proprietà di linearità dell’operazione di limite valgano anche per quella di derivazione. Vale infatti il seguente teorema. Teorema 3.6. Siano f (x), g(x) : [a, b] ! R due funzioni derivabili in un punto x0 2 [a, b] e ↵, Allora (↵f + g)0 (x0 ) = ↵f 0 (x0 ) + g 0 (x0 ). Valgono inoltre le seguenti regole di derivazione. 20 2 R. (3.6) Tabella 3.1: Derivata di alcune funzioni elementari Funzione Derivata k 0 ↵ x ↵x↵ 1 sin x cos x cos x sin x tan x 1/ cos2 x x a ax ln a loga x 1/(x p ln a) arcsin x 1/ p1 x2 arccos x 1/ 1 x2 arctan x 1/(1 + x2 ) Teorema 3.7. Siano f, g : [a, b] ! R due funzioni derivabili in un punto x0 2 [a, b]. Allora Se inoltre g 0 (x0 ) 6= 0, allora (f g)0 (x0 ) = f 0 (x0 )g(x0 ) + f (x0 )g 0 (x0 ). (3.7) ✓ ◆0 f f 0 (x0 )g(x0 ) f (x0 )g 0 (x0 ) (x0 ) = . g [g(x0 )]2 (3.8) Teorema 3.8. Siano f : [a, b] ! R e g : [c, d] ! R con f ([a, b]) ⇢ [c, d]. Sia inoltre f derivabile in x0 2 [a, b] e g derivabile in y0 = f (x0 ) 2 [c, d]. Allora g f è derivabile in x0 e si ha (g f )0 (x0 ) = g 0 (f (x0 ))f 0 (x0 ). 3.4 (3.9) Teoremi sulle funzioni derivabili **Definizione 3.9 (Punto di minimo relativo). Sia f : [a, b] ! R una funzione. x0 2 [a, b] si dice punto di minimo relativo per f se esiste un intorno U di x0 tale che f (x) f (x0 ) 8x 2 U \ [a, b]. **Definizione 3.10 (Punto di massimo relativo). Sia f : [a, b] ! R una funzione. x0 2 [a, b] si dice punto di massimo relativo per f se esiste un intorno U di x0 tale che f (x) f (x0 ) 8x 2 U \ [a, b]. 21 **Teorema 3.11 (Teorema di Fermat). Sia f : [a, b] ! R una funzione. Sia x0 2]a, b[ punto di massimo o minimo relativo e di derivabilità per f . Allora f 0 (x0 ) = 0. Dimostrazione. Supponiamo x0 punti di massimo relativo e consideriamo l’intorno U di x0 in cui f (x0 ) f (x). Sia h > 0 e x0 + h 2 U . Consideriamo il rapporto incrementale destro + x0 (h) = f (x0 + h) h Dato che f (x0 + h) f (x0 ) 0 e h > 0, la quantità permanenza del segno (Teorema 2.28), si ha che f+0 (x0 ) = lim+ h!0 f (x0 ) + x0 (h) . è maggiore o uguale a 0. Per il Teorema di + x0 (h) 0. Sia ora h < 0 e x0 + h 2 U . Consideriamo il rapporto incrementale sinistro x0 (h) = f (x0 + h) h Dato che f (x0 + h) f (x0 ) 0 e h < 0, la quantità permanenza del segno (Teorema 2.28), si ha che f 0 (x0 ) = lim h!0 f (x0 ) x0 (h) x0 (h) . è minore o uguale a 0. Per il Teorema di 0. Siccome per ipotesi la funzione f è derivabile nel punto x0 , si ha che dal Teorema 3.3 0 f 0 (x0 ) = f+0 (x0 ) 0. Quindi f 0 (x0 ) = 0. **Teorema 3.12 (Teorema di Rolle). Sia f : [a, b] ! R una funzione continua in [a, b], derivabile in ]a, b[ e tale che f (a) = f (b). Allora esiste un punto c 2]a, b[ tale che f 0 (c) = 0. Dimostrazione. Poiché la funzione f è continua nell’intervallo [a, b], per il Teorema di Weierstrass (Teorema 2.37) esistono punti di massimo e di minimo xm e xM . 22 • Se {xm , xM } ⇢ {a, b}, allora la funzione è una funzione costante, in quanto f (a) = f (xm ) f (x) f (xM ) = f (b). Pertanto un qualsiasi punti interno all’intervallo [a, b] ha derivata pari a 0. • Se almeno uno dei due punti è interno all’intervallo [a, b], allora è possibile applicare il Teorema di Fermat (Teorema 3.11). Dunque almeno in questo punto la derivata prima è pari a 0. **Teorema 3.13 (Teorema di Lagrange). Sia f : [a, b] ! R una funzione continua in [a, b], derivabile in ]a, b[. Allora esiste un punto c 2]a, b[ tale che f 0 (c) = f (b) b f (a) . a Dimostrazione. Si consideri la seguente funzione g : [a, b] ! R definita da g(x) = f (x) f (b) b f (a) (x a a). Tale funzione è continua in [a, b] perché somma di funzioni continue; è derivabile in ]a, b[ perché somma di funzioni derivabili. La sua derivata è la funzione f (b) b g 0 (x) = f 0 (x) f (a) . a Inoltre si ha che f (b) f (a) (b a) = g(b). b a Allora possiamo applicare il Teorema di Rolle (Teorema 3.12): esiste un punto c 2]a, b[ tale che g(a) = f (a) = f (b) g 0 (c) = f 0 (c) f (b) b f (a) = 0, a e dunque la tesi. Teorema 3.14 (Teorema di Cauchy). Siano f, g : [a, b] ! R due funzioni continue in [a, b], derivabili in ]a, b[ e sia g 0 (x) 6= 0 per ogni x 2]a, b[. Allora esiste un punto c 2]a, b[ tale che f 0 (c) f (b) = 0 g (c) g(b) 23 f (a) . g(a) 3.5 Esercizi Derivare le seguenti funzioni p x 1+x 1) f (x) = 2x 1 x2 [] 2) f (x) = 3) f (x) = cos x 2x2 +3 [] 4) f (x) = 3x4 + 5x + x3/2 5) f (x) = e [] 6) f (x) = x ln x 7) f (x) = e2x (2 sin 3x [] 8) f (x) = cos 2x 9) f (x) = [] p 10) f (x) = x 1 + x2 11) f (x) = e x [] 12) f (x) = e 13) f (x) = [] 14) f (x) = arctan 4 3xx2 3x p (x2 + 2x 1 + x2 x+2 3 x3 1 x2 +5 1) 4 cos 3x) 24 p [] 2x 3 [] [] sin x x [] [] [] []