Производные: задачи на многочлен, произведение и частное

Чтобы решить задачи на производные, сначала определите вид выражения: сумма слагаемых, произведение или частное. Выберите соответствующее правило, найдите производную и только потом подставляйте значение x, если оно требуется.

В практикуме четыре задачи разобраны по шагам, ещё восемь можно решить самостоятельно. Все необходимые правила собраны в учебнике OpenStax.

Правила и обозначения

Запись f′(x) обозначает производную функции f(x), а f′(1) — значение этой производной при x = 1.

  • Производная суммы равна сумме производных слагаемых. Для степени: (xⁿ)′ = n · xⁿ⁻¹; производная постоянного числа равна нулю.
  • Для произведения двух функций u и v: (uv)′ = u′v + uv′.
  • Для частного: (u/v)′ = (u′v − uv′)/v², где v ≠ 0.

Здесь достаточно этих правил: во всех задачах встречаются многочлены, их произведения и частные линейных выражений.

Что чаще всего сбивает с ответа

При работе с многочленом легко сохранить постоянное слагаемое: например, производная числа 5 равна нулю. Ещё одна ошибка — умножить производные двух множителей и забыть слагаемые u′v и uv′.

В частном важно вычитать весь результат uv′ и возводить знаменатель в квадрат. После преобразований сохраните ограничение исходной функции: значение, при котором её знаменатель равен нулю, не подходит. А если просят f′(1), не подменяйте ответ числом f(1).

Четыре разбора: от слагаемых к дроби

1. Производная многочлена

Найдите производную f(x) = x³ − 2x² + 3x + 5 на всей действительной оси.

  1. Производная x³ равна 3x².
  2. Производная −2x² равна −4x, а производная 3x равна 3.
  3. Постоянное слагаемое 5 даёт ноль.

Ответ: f′(x) = 3x² − 4x + 3. Формула действует при любом действительном x.

2. Значение производной в точке

Дана f(x) = 2x² − 3x + 1. Найдите f′(1), не значение самой функции.

Сначала дифференцируем выражение: f′(x) = 4x − 3. Теперь подставляем x = 1: f′(1) = 4 · 1 − 3 = 1.

Ответ: 1. Подстановка в исходную функцию здесь не отвечает на вопрос.

3. Производная произведения

Найдите производную f(x) = (x + 1)(x² − 2).

Обозначим первый множитель u = x + 1, второй v = x² − 2. Тогда u′ = 1, v′ = 2x. По правилу произведения:

f′(x) = 1 · (x² − 2) + (x + 1) · 2x = 3x² + 2x − 2.

Проверить результат можно раскрытием исходных скобок: f(x) = x³ + x² − 2x − 2. Производная этой суммы совпадает с полученной.

Ответ: f′(x) = 3x² + 2x − 2.

4. Производная частного и ограничение

Найдите производную f(x) = (2x + 1)/(x + 3) и укажите область её действия.

Положим u = 2x + 1 и v = x + 3. Их производные: u′ = 2 и v′ = 1. Подставляем в правило частного:

f′(x) = [2(x + 3) − (2x + 1)]/(x + 3)².

В числителе получаем 2x + 6 − 2x − 1 = 5. Знаменатель исходной функции обращается в ноль при x = −3, поэтому эту точку исключаем.

Ответ: f′(x) = 5/(x + 3)²; x ≠ −3.

Восемь задач для самостоятельной работы

Сначала запишите решение, затем сравните его с ключом. В задачах на значение в точке оставьте отдельную строку для найденной производной; в задачах на частное запишите ограничение.

5. Найдите производную f(x) = 2x³ − 3x² + 4x + 5 на всей действительной оси.

6. Дана f(x) = 3x² − 3x + 2. Найдите f′(2), не значение самой функции.

7. Найдите производную f(x) = (x + 2)(x² − 3).

8. Найдите производную f(x) = (3x + 2)/(x + 4) и укажите область её действия.

9. Найдите производную f(x) = 3x³ − 4x² + 5x + 5 на всей действительной оси.

10. Дана f(x) = 4x² − 3x + 3. Найдите f′(3), не значение самой функции.

11. Найдите производную f(x) = (x + 3)(x² − 4).

12. Найдите производную f(x) = (4x + 3)/(x + 5) и укажите область её действия.

Ключ с промежуточными вычислениями

5. Производные слагаемых: 6x², −6x, 4 и 0. Поэтому f′(x) = 6x² − 6x + 4 при любом действительном x.

6. Сначала f′(x) = 6x − 3. Подстановка даёт f′(2) = 12 − 3 = 9.

7. По правилу произведения f′(x) = (x² − 3) + (x + 2) · 2x = 3x² + 4x − 3. Для проверки можно раскрыть исходные скобки: x³ + 2x² − 3x − 6.

8. Производная равна [3(x + 4) − (3x + 2)]/(x + 4)² = 10/(x + 4)². Исходный знаменатель равен нулю при −4, поэтому x ≠ −4.

9. Дифференцируем каждое слагаемое: f′(x) = 9x² − 8x + 5. Область действия — вся действительная ось.

10. Получаем f′(x) = 8x − 3, затем f′(3) = 24 − 3 = 21.

11. По правилу произведения f′(x) = (x² − 4) + (x + 3) · 2x = 3x² + 6x − 4. Раскрытые исходные скобки дают x³ + 3x² − 4x − 12.

12. Применяем правило частного: f′(x) = [4(x + 5) − (4x + 3)]/(x + 5)² = 17/(x + 5)². Ограничение исходного знаменателя: x ≠ −5.

Для правила частного важно помнить ограничения знаменателя. Если с ними возникают трудности, повторите допустимые значения дробно-рациональных выражений, а затем вернитесь к проверке области действия найденной производной.