Matematik 4Basåret, distans

Så hittar du rätt

  1. 1Sök efter ordet som förvirrar dig — rutan högst upp söker i hela kursen.
  2. 2Slå upp det i Begrepp. Varje begrepp länkar till avsnittet där det förklaras. Begrepp →
  3. 3Läs avsnittets rutor Vanligt fel: där står de misstag som nästan alla gör.
  4. 4Kom fortfarande inte vidare? Ta med frågan till räkneövningen eller mejla.

Lärare och examinator: Eric Ahlqvist, eric.ahlqvist@math.su.se · Övningsledare: Ottilia Andersson, ottilia.andersson@math.su.se · Skriv "Matematik 4" i ämnesraden.

← 6
Lektion 7 Deriveringsregler II
8 →
2.2 2. Derivator

Deriveringsregler II

Med kedjeregeln kan du derivera funktioner som ligger inuti varandra. Men många funktioner är byggda på andra sätt: två funktioner gånger varandra, som $x^2\sin x$, eller delat med varandra, som $\dfrac{x}{x^2+1}$. I den här lektionen kommer reglerna för dem, och derivatan av $\ln x$. Efter det kan du derivera i stort sett allt i kursen.

Sista delen är något annat än en räkneregel. Där går vi baklänges: vi vet hur snabbt något ändras och söker funktionen. Det är en differentialekvation, och det är så naturvetenskapen beskriver världen.

⏱ 55 min läsning§ 5 avsnitt

Efter lektionen kan du

  • derivera produkter med produktregeln och förklara varför det blir två termer
  • derivera kvoter med kvotregeln, med termerna i täljaren i rätt ordning
  • derivera $\tan x$, $a^x$ och $\ln x$, också när de är sammansatta
  • pröva om en funktion löser en differentialekvation, och använda ett begynnelsevillkor
  • översätta en mening som ”ändras proportionellt mot …” till en differentialekvation
1

Derivatan av en produkt

Varför är derivatan av f·g inte f′·g′?

Det mest naturliga första försöket är att derivera faktorerna var för sig: $D(x^2 \sin x) = 2x \cdot \cos x$. Det är fel, och det är lätt att se. Kurvan $y = x^2\sin x$ är vågrät i origo, men den växer mellan $0$ och $\pi$ för att sedan vända. Svaret $2x\cos x$ säger något helt annat om var kurvan vänder.

Tänk i stället på en produkt som en area.

En rektangel har sidorna $f$ och $g$, så arean är $f \cdot g$. Låt båda sidorna växa en aning. Då växer arean med två remsor, $g \cdot \Delta f$ och $f \cdot \Delta g$, plus en liten hörnruta.

Hörnrutan är liten gånger liten, och den försvinner när ändringarna går mot noll. Kvar blir två termer. Därför har produktregeln alltid två termer.

Formel
Produktregeln
$$y = f(x) \cdot g(x) \quad\Longrightarrow\quad y' = f'(x) \cdot g(x) + f(x) \cdot g'(x)$$

I ord: derivera den första och låt den andra stå, plus låt den första stå och derivera den andra.

Exempel

Produktregeln med kedjeregeln

Derivera $y = e^{2x}\sin x$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

Derivera $$y = x^2 \sin x$$

För den nyfikne Produktregeln med gränsvärden

Skriv figurens idé med derivatans definition. Ändringen i produkten är $$f(x+h)g(x+h) - f(x)g(x)$$ Lägg till och dra ifrån $f(x)g(x+h)$: $$= \big(f(x+h) - f(x)\big)g(x+h) + f(x)\big(g(x+h) - g(x)\big)$$ Dela med $h$ och låt $h \to 0$. Första delen går mot $f'(x)g(x)$ och andra mot $f(x)g'(x)$. De två remsorna i bilden är just de två termerna.

2

Derivatan av en kvot, och av $\tan x$

Samma idé, men nu spelar ordningen roll.

Formel
Kvotregeln
$$y = \frac{f(x)}{g(x)} \quad\Longrightarrow\quad y' = \frac{f'(x) \cdot g(x) - f(x) \cdot g'(x)}{\left(g(x)\right)^2}$$

I ord: täljarens derivata gånger nämnaren, minus täljaren gånger nämnarens derivata, allt delat med nämnaren i kvadrat. Gäller där $g(x) \ne 0$.

Exempel

En första kvot

Derivera $y = \dfrac{3x}{x^2+4}$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

Derivera $$y = \frac{x}{x^2+1}$$

Ibland slipper du kvotregeln

En kvot med ett enda $x$ i nämnaren går snabbare att dela upp term för term: $$\frac{x^2 + 2x - 5}{x} = x + 2 - 5x^{-1} \quad\text{med derivatan}\quad 1 + 5x^{-2}$$

Och en kvot med $e$ i nämnaren är enklare som produkt: $\dfrac{x^2}{e^{2x}} = x^2 e^{-2x}$. Att välja metod är också matematik.

Derivatan av tan x

Nu går tangens att derivera, eftersom den är en kvot: $$y = \tan x = \frac{\sin x}{\cos x}$$ $$y' = \frac{\cos x \cdot \cos x - \sin x \cdot (-\sin x)}{\cos^2 x} = \frac{\cos^2 x + \sin^2 x}{\cos^2 x} = \frac{1}{\cos^2 x}$$ Det sista steget är trigonometriska ettan. Delar du i stället upp bråket får du $\dfrac{\cos^2 x}{\cos^2 x} + \dfrac{\sin^2 x}{\cos^2 x} = 1 + \tan^2 x$.

Formel
Derivatan av tan x
$$y = \tan x \quad\Longrightarrow\quad y' = \frac{1}{\cos^2 x} = 1 + \tan^2 x$$

Två skrivsätt för samma sak. Som alltid med trigonometriska derivator: $x$ i radianer.

3

Exponentialfunktioner och $\ln x$

Varför dyker ln upp när man deriverar 2 upphöjt till x?

Från tidigare kurser vet du att $D\,e^x = e^x$. Den är den enda funktionen (bortsett från konstanta multipler) som är sin egen derivata, och det är därför den dyker upp överallt senare i lektionen.

Regeln $D\,e^{kx} = ke^{kx}$ är kedjeregeln med inre funktion $kx$. Och en exponentialfunktion med en annan bas går att skriva om till bas $e$, eftersom $a = e^{\ln a}$: $$a^x = \left(e^{\ln a}\right)^x = e^{x\ln a}$$ Här är $\ln a$ bara en konstant $k$, så $D\,a^x = \ln a \cdot e^{x \ln a} = a^x \ln a$.

Formel
Derivatan av exponentialfunktioner
funktionderivata
$e^x$$e^x$
$e^{kx}$$k e^{kx}$
$a^x \; (a > 0)$$a^x \ln a$

Faktorn $\ln a$ är ett tal: $\ln 2 \approx 0{,}69$, $\ln 10 \approx 2{,}30$. För $a = e$ är den $1$, och därför är $e$ basen som gör derivatan enklast.

Exempel

Ny bas, och en inre funktion

Derivera $y = 5 \cdot 3^{4x}$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

$y = \ln x$ är $y = e^x$ speglad i linjen $y = x$. Därför finns den bara för $x > 0$, och därför planar den ut: $e^x$ blir allt brantare, så spegelbilden blir allt flackare.

Det talar om att derivatan av $\ln x$ är positiv men blir allt mindre när $x$ växer.

Formel
Derivatan av ln x
$$y = \ln x \quad\Longrightarrow\quad y' = \frac{1}{x} \qquad (x > 0)$$

Positiv och avtagande, precis som bilden säger.

För den nyfikne Varför derivatan blir 1/x

Utgå från att $e^{\ln x} = x$ för alla $x > 0$ och derivera båda leden. Vänsterledet är sammansatt, med inre funktion $\ln x$: $$e^{\ln x} \cdot D(\ln x) = 1$$ Men $e^{\ln x} = x$, så $x \cdot D(\ln x) = 1$, alltså $D(\ln x) = \dfrac{1}{x}$. Kedjeregeln bär hela argumentet.

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

Derivera $$y = \ln 5x$$

Repetera Logaritmlagarna

För $a, b > 0$: $$\ln ab = \ln a + \ln b \qquad \ln\frac{a}{b} = \ln a - \ln b \qquad \ln a^p = p\ln a$$ Och $\ln 1 = 0$, $\ln e = 1$. Lagarna gör ofta en derivering enklare innan du börjar: $\ln x^3 = 3\ln x$ har derivatan $\dfrac{3}{x}$ direkt.

Exempel

ln x i en kvot

Derivera $y = \dfrac{2\ln x}{x}$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

4

Differentialekvationer

En ekvation där lösningen är en funktion, inte ett tal.

Hittills har en ekvation haft ett tal som lösning: $2x + 1 = 7$ har lösningen $x = 3$. En differentialekvation säger något om en okänd funktion och dess derivata: $$y' = 0{,}5y$$ betyder ”funktionen växer i varje punkt med en takt som är hälften av dess eget värde”. Lösningen är en funktion som gör det.

ekvationordning
$y' = 2y$första, $y'$ är högsta derivatan
$y'' + y' + 2y = 0$andra, $y''$ är högsta derivatan

Lösningen är sällan ensam. Varje kurva i bilden löser $y' = 0{,}5y$, en för varje värde på konstanten $C$ i $y = Ce^{0{,}5x}$.

Ett begynnelsevillkor som $y(0) = 2$ väljer ut en av dem. Här ger det $C = 2$.

Prova själv

Riktningsfältet till y′ = ky

De små strecken ritas direkt ur ekvationen: i varje punkt $(x, y)$ har strecket lutningen $ky$. Ingen lösning behövs för att rita dem. En lösningskurva är en kurva som följer strecken.

Dra i $y(0)$: fältet står still, men kurvan flyttar sig. Det är begynnelsevillkoret. Tryck Visa hela skaran. Dra sist $k$ under noll, så blir tillväxt till avtagande.

Kolla dig själv

Välj ett svar innan du läser vidare. Det gör inget om det blir fel — det är så man ser vad man tror.

Vilken av funktionerna är en lösning till differentialekvationen $$y' = 3y$$

Formel
Lösningen till y′ = ky
$$y' = ky \quad\Longleftrightarrow\quad y = Ce^{kx}$$

Kontroll: $D\,Ce^{kx} = kCe^{kx} = ky$. Konstanten $C$ bestäms av ett begynnelsevillkor, och $C = y(0)$.

Exempel

Pröva och bestäm konstanten

Visa att $y = Ce^{3x}$ löser $y' = 3y$ för varje $C$, och bestäm den lösning som uppfyller $y(0) = 5$.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

5

Differentialekvationer som modeller

Naturen beskriver oftast hur fort något ändras, inte hur stort det är.

En modell säger oftast något om förändringstakten: bakterier förökar sig i takt med hur många de redan är, en kopp kaffe svalnar fortare ju varmare den är. Då blir modellen en differentialekvation, och det viktiga steget är översättningen från mening till ekvation.

förloppmodell
en fågelkoloni minskar med $4$ % per år$y' = -0{,}04y$
bakterier ökar med $15$ % per timme$y' = 0{,}15y$
en stek närmar sig ugnens $175$ °C$\dfrac{dy}{dt} = k(175 - y)$

Steken kommer in i ugnen med temperaturen $20$ °C. Den värms fortast i början, när skillnaden mot ugnen är stor. Ju närmare $175$ °C, desto långsammare stiger den.

Det står redan i ekvationen: faktorn $(175 - y)$ krymper.

Exempel

Steken i ugnen

Stekens temperatur följer $y = 175 - 155e^{-kt}$, där $t$ är tiden i minuter. Efter $30$ minuter är den $45$ °C. Bestäm $k$ och temperaturen efter $70$ minuter.

Försök själv först. Öppna sedan ett steg i taget.

För den nyfikne Att funktionen verkligen löser ekvationen

Derivera $y = 175 - 155e^{-kt}$: $$\frac{dy}{dt} = 155k e^{-kt}$$ Och $175 - y = 155e^{-kt}$. Alltså är $\dfrac{dy}{dt} = k(175 - y)$ ✓. Att hitta lösningen själv, utan att få den given, kommer i senare kurser.

Sammanfattning

  • Produktregeln: $(fg)' = f'g + fg'$, alltid två termer.
  • Kvotregeln: $\left(\dfrac{f}{g}\right)' = \dfrac{f'g - fg'}{g^2}$, täljarens derivata först.
  • $D\tan x = \dfrac{1}{\cos^2 x} = 1 + \tan^2 x$, alltid positiv.
  • $D\,a^x = a^x\ln a$ och $D\ln x = \dfrac{1}{x}$. $\ln 5x = \ln 5 + \ln x$.
  • En differentialekvation har en funktion som lösning. Pröva genom att sätta in.
  • $y' = ky$ löses av $y = Ce^{kx}$. Ett begynnelsevillkor bestämmer $C$.

Tänk vidare

Frågor utan räkning. Fundera själv eller med en kurskamrat innan du öppnar tanken.

  1. Hitta felet

    En elev deriverar $y = x^2\sin x$ och får $y' = 2x\cos x$. Hur ser man direkt på svarets form att det inte kan stämma?

    Ett sätt att tänka

    Eleven har deriverat faktorerna var för sig. Produktregeln ger alltid två termer, så ett svar med en enda term ska väcka misstanke. Rätt är $2x\sin x + x^2\cos x$.

  2. Kvot eller produkt?

    Derivera $y = \dfrac{\sin x}{x}$ två gånger: med kvotregeln, och genom att skriva $y = x^{-1}\sin x$ och använda produktregeln. Blev det samma svar?

    Ett sätt att tänka

    Kvotregeln: $\dfrac{x\cos x - \sin x}{x^2}$. Produktregeln: $-x^{-2}\sin x + x^{-1}\cos x$, som på gemensamt bråkstreck är samma sak. Reglerna motsäger aldrig varandra. Välj den som ger minst att skriva.

  3. Samma derivata

    $\ln 5x$ och $\ln x$ har samma derivata. Hur kan två olika funktioner ha det, och vad säger det om graferna?

    Ett sätt att tänka

    $\ln 5x = \ln 5 + \ln x$. Graferna är samma kurva förskjuten i höjdled, och en förskjutning ändrar ingen lutning. Allmänt: två funktioner har samma derivata precis när de skiljer sig med en konstant. Det blir viktigt i kapitel 3.

  4. Från mening till ekvation

    Kaffe svalnar med en hastighet som är proportionell mot skillnaden mellan kaffets temperatur $T$ och rummets $20$ °C. Skriv en differentialekvation.

    Ett sätt att tänka

    $T' = -k(T - 20)$ med $k > 0$, eller samma sak $T' = k(20 - T)$. Kontrollera tecknet: varmt kaffe, $T > 20$, ska ge $T' < 0$. Formen $T' = k(T - 20)$ med $k > 0$ skulle få kaffet att bli allt varmare.

  5. Alltid växande

    Varför kan derivatan av $\tan x$ aldrig bli negativ, och hur syns det i tangenskurvan?

    Ett sätt att tänka

    $D\tan x = 1 + \tan^2 x$, och en kvadrat är aldrig negativ, så derivatan är minst $1$. Varje gren av tangenskurvan är växande, och lutningen är som minst $1$, i punkterna där $\tan x = 0$.