Derivace funkce `f` v bodě `x_0` je směrnice tečny ke grafu funkce v tomto bodě. Říká, jak rychle se hodnota funkce v tom místě mění: kladná derivace znamená, že funkce roste, záporná, že klesá, a čím větší je její absolutní hodnota, tím strmější je graf. Počítá se jako limita:
`\displaystyle f'(x_0)=\lim_{h\to 0}\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h}`
V praxi se ale derivuje bez limit, podle tabulky derivací a pěti pravidel. Například `(x^3)'=3x^2`, `(\sin x)'=\cos x` nebo `(\ln x)'=\dfrac{1}{x}`. Celé derivování je jen poznat, z čeho se funkce skládá, a použít správné pravidlo.
Derivace se značí čárkou, `f'(x)` nebo `y'`, případně Leibnizovým zápisem `\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}`. Ten připomíná, odkud se vzala: je to poměr změny `y` ke změně `x`, když je změna `x` nekonečně malá. Výsledkem derivování je zase funkce, která ke každému `x` vrátí směrnici tečny v tom bodě.
Derivace se probírá ve 4. ročníku střední školy a navazuje na článek Limity funkcí. Nejčastější úlohu, derivaci mocniny `a\cdot x^n`, si můžete hned vyzkoušet v procvičování derivace mocniny.
Co je derivace: od sečny k tečně
U přímky je strmost všude stejná a spočítá se ze dvou bodů jako `\dfrac{y_2-y_1}{x_2-x_1}`. To je směrnice `k`. U křivky se strmost mění bod od bodu, a proto potřebujeme derivaci.
Vezmeme parabolu `f(x)=\dfrac{x^2}{4}` a na ní bod `A\left[1;\ \frac{1}{4}\right]`. Přímka vedená bodem `A` a dalším bodem grafu `B` je sečna. Když bod `B` posouváme po grafu k bodu `A`, sečna se natáčí a blíží se tečně, která se grafu v bodě `A` jen dotkne.
Bod `B` má souřadnici `x=1+h`. Směrnici sečny spočítáme pro stále menší `h`:
| `h` | bod `B` | směrnice sečny |
|---|---|---|
| `2` | `\left[3;\ \frac{9}{4}\right]` | `1` |
| `1` | `[2;\ 1]` | `0{,}75` |
| `0{,}5` | `\left[1{,}5;\ \frac{9}{16}\right]` | `0{,}625` |
| `0{,}1` | `[1{,}1;\ 0{,}3025]` | `0{,}525` |
| `0{,}01` | `[1{,}01;\ 0{,}255025]` | `0{,}5025` |
| `0{,}001` | `[1{,}001;\ 0{,}25050025]` | `0{,}50025` |
Směrnice se blíží číslu `0{,}5`. Přímo `h=0` dosadit nejde, vyšlo by `\frac{0}{0}`. Proto se počítá limita. Nejdřív se čitatel upraví a `h` se zkrátí:
`\begin{gathered}\displaystyle f(1+h)-f(1)=\frac{(1+h)^2}{4}-\frac{1}{4}=\frac{h}{2}+\frac{h^2}{4}\\[10pt]\displaystyle f'(1)=\lim_{h\to 0}\frac{\frac{h}{2}+\frac{h^2}{4}}{h}=\lim_{h\to 0}\left(\frac{1}{2}+\frac{h}{4}\right)=\frac{1}{2}\end{gathered}`
Tečna v bodě `A` má tedy směrnici přesně `\frac{1}{2}`, tomu odpovídají i čísla v tabulce: směrnice sečny je `0{,}5+\frac{h}{4}`.
Derivace z definice
Stejně se dá spočítat derivace v obecném bodě `x`, a pak vyjde celá nová funkce. Pro `f(x)=x^2`:
`\begin{gathered}\displaystyle f'(x)=\lim_{h\to 0}\frac{(x+h)^2-x^2}{h}\\[10pt]\displaystyle =\lim_{h\to 0}\frac{2xh+h^2}{h}=\lim_{h\to 0}(2x+h)=2x\end{gathered}`
Derivace funkce `x^2` je `2x`. V bodě 1 je tedy směrnice tečny 2, v bodě `-3` je `-6` (tam parabola klesá), ve vrcholu 0 je nula, tečna je vodorovná. Místo `h` se v učebnicích píše také `\Delta x`, význam je stejný.
Takhle se odvodily všechny vzorce v tabulce níže. Počítat z definice se ve škole chce jen výjimečně; jakmile je vzorec odvozený, prostě se používá.
Tabulka derivací: vzorce elementárních funkcí
Tyto vzorce je potřeba znát zpaměti, všechno ostatní se z nich poskládá pomocí pravidel. Písmeno `c` je libovolná konstanta.
| funkce `f(x)` | derivace `f'(x)` |
|---|---|
| `c` | `0` |
| `x` | `1` |
| `x^n` | `n\cdot x^{n-1}` |
| `\sqrt{x}` | `\dfrac{1}{2\sqrt{x}}` |
| `\dfrac{1}{x}` | `-\dfrac{1}{x^2}` |
| `\mathrm{e}^x` | `\mathrm{e}^x` |
| `a^x` | `a^x\cdot\ln a` |
| `\ln x` | `\dfrac{1}{x}` |
| `\log_a x` | `\dfrac{1}{x\cdot\ln a}` |
| `\sin x` | `\cos x` |
| `\cos x` | `-\sin x` |
| `\mathrm{tg}\,x` | `\dfrac{1}{\cos^2 x}` |
| `\mathrm{cotg}\,x` | `-\dfrac{1}{\sin^2 x}` |
| `\arcsin x` | `\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}` |
| `\arccos x` | `-\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}` |
| `\mathrm{arctg}\,x` | `\dfrac{1}{1+x^2}` |
| `\mathrm{arccotg}\,x` | `-\dfrac{1}{1+x^2}` |
Pár poznámek k tabulce:
- Mocnina platí pro každý reálný exponent, i záporný a zlomkový. Odmocnina a `\frac{1}{x}` jsou jen její zvláštní případy: `\sqrt{x}=x^{\frac{1}{2}}`, takže `\left(x^{\frac{1}{2}}\right)'=\frac{1}{2}x^{-\frac{1}{2}}=\frac{1}{2\sqrt{x}}`.
- Derivace ln: `(\ln x)'=\frac{1}{x}` pro `x\gt 0`. Derivace dekadického logaritmu je `(\log x)'=\frac{1}{x\cdot\ln 10}`, ten se od přirozeného liší jen konstantou.
- Derivace tangens je `\frac{1}{\cos^2 x}`, což je totéž jako `1+\mathrm{tg}^2 x`. Platí všude, kde je tangens definovaný, tedy mimo `x=\frac{\pi}{2}+k\pi`. Podrobně o funkci v článku Funkce tangens a kotangens.
- Exponenciála `\mathrm{e}^x` je jediná (až na násobek) funkce, která je sama sobě derivací. Pro jiný základ přibude činitel `\ln a`, například `(2^x)'=2^x\ln 2`.
Pravidla derivování
Funkce se skládají z těch v tabulce sčítáním, násobením, dělením a dosazováním jedné do druhé. Pro každou z těchto operací je jedno pravidlo. Funkce `u` a `v` jsou funkce proměnné `x`.
Konstanta před funkcí
`(c\cdot u)'=c\cdot u'`
Konstanta se opíše a derivuje se jen funkce: `(4x^3)'=4\cdot 3x^2=12x^2`. Proto se derivace mocniny `a\cdot x^n` počítá jako `a\cdot n\cdot x^{n-1}`: exponent jde dolů jako činitel a sníží se o jedna.
Součet a rozdíl
`(u\pm v)'=u'\pm v'`
Každý člen se derivuje zvlášť: `(x^6-x^3+2x-10)'=6x^5-3x^2+2`. Samotná konstanta `-10` dá nulu.
Derivace součinu
`(u\cdot v)'=u'\cdot v+u\cdot v'`
Derivuje se vždy jen jeden činitel, druhý se opíše, a oba výsledky se sečtou: `(x^3\sin x)'=3x^2\sin x+x^3\cos x`.
Derivace podílu (derivace zlomku)
`\displaystyle\left(\frac{u}{v}\right)'=\frac{u'\cdot v-u\cdot v'}{v^2}`
Tady záleží na pořadí: v čitateli je mínus a na prvním místě je derivace čitatele. Jmenovatel se jen umocní na druhou. Například
`\begin{aligned}\left(\frac{\sin x}{x^4}\right)'&=\frac{\cos x\cdot x^4-\sin x\cdot 4x^3}{x^8}\\[6pt]&=\frac{x\cos x-4\sin x}{x^5}\end{aligned}`
Ne každý zlomek ale potřebuje pravidlo pro podíl. Je-li ve jmenovateli jen číslo, je to konstanta před funkcí: `\left(\frac{x^2}{3}\right)'=\frac{2x}{3}`. Je-li jmenovatel mocnina `x`, zlomek se přepíše na zápornou mocninu: `\left(\frac{5}{x}\right)'=(5x^{-1})'=-5x^{-2}=-\frac{5}{x^2}`. Obojí je rychlejší a méně chybové.
Derivace složené funkce
`\bigl(f(g(x))\bigr)'=f'(g(x))\cdot g'(x)`
Složená funkce má vnější a vnitřní část, například u `\sin(5x^2)` je vnější sinus a vnitřní `5x^2`. Zderivuje se vnější funkce, vnitřek se do ní nechá beze změny, a výsledek se vynásobí derivací vnitřku:
`\bigl(\sin(5x^2)\bigr)'=\cos(5x^2)\cdot 10x`
Na to násobení vnitřní derivací se zapomíná nejčastěji. Pomůže otázka: je uvnitř funkce něco jiného než samotné `x`? Pokud ano, jde o složenou funkci. Pravidlo se někdy nazývá řetízkové, protože u vícenásobně složené funkce se derivace vnitřků násobí jedna za druhou.
Jak derivovat: postup a řešené příklady
Každá derivace se dá zvládnout stejným postupem:
- Přepište odmocniny a zlomky s `x` ve jmenovateli na mocniny, kde to jde.
- Najděte poslední operaci, tu, která by se při dosazení čísla počítala jako poslední. Ta určuje pravidlo: součet, součin, podíl, nebo složená funkce.
- Použijte pravidlo a zapište derivace částí zatím jen s čárkou, např. `(x^2)'\cdot\ln x`.
- Dopočítejte čárky podle tabulky. Pokud je část sama složitější, opakujte krok 2 pro ni.
- Upravte výsledek a ověřte ho, třeba dosazením jednoho čísla.
Příklad 1
Zderivujte `f(x)=3x^4-2x^3+5\sqrt{x}-\dfrac{4}{x}+7`.
Je to součet, derivujeme člen po členu. Odmocninu a zlomek přepíšeme: `5\sqrt{x}=5x^{\frac{1}{2}}` a `\frac{4}{x}=4x^{-1}`. Pak `\left(5x^{\frac{1}{2}}\right)'=\frac{5}{2}x^{-\frac{1}{2}}` a `(-4x^{-1})'=-4\cdot(-1)\,x^{-2}=4x^{-2}`, konstanta 7 dá nulu:
`\begin{aligned}f'(x)&=12x^3-6x^2+\tfrac{5}{2}x^{-\frac{1}{2}}+4x^{-2}\\[6pt]&=12x^3-6x^2+\frac{5}{2\sqrt{x}}+\frac{4}{x^2}\end{aligned}`
Pozor na znaménko u zlomku: mínus před zlomkem a mínus z exponentu dají plus.
Příklad 2: součin
Zderivujte `f(x)=x^2\ln x`.
`\begin{aligned}f'(x)&=(x^2)'\cdot\ln x+x^2\cdot(\ln x)'\\[4pt]&=2x\ln x+x^2\cdot\frac{1}{x}\\[4pt]&=2x\ln x+x=x(2\ln x+1)\end{aligned}`
Kontrola: v bodě `x=1` je `\ln 1=0`, derivace vychází 1. Funkce má v bodech 0,999 a 1,001 hodnoty `-0{,}0009985` a `0{,}0010015`, rozdíl `0{,}002` na úseku délky `0{,}002`, tedy strmost 1. Sedí.
Příklad 3: derivace zlomku
Zderivujte `f(x)=\dfrac{x^2+1}{x-1}`.
Čitatel `u=x^2+1` má derivaci `2x`, jmenovatel `v=x-1` má derivaci 1:
`\begin{gathered}\displaystyle f'(x)=\frac{2x\cdot(x-1)-(x^2+1)\cdot 1}{(x-1)^2}\\[10pt]\displaystyle f'(x)=\frac{2x^2-2x-x^2-1}{(x-1)^2}=\frac{x^2-2x-1}{(x-1)^2}\end{gathered}`
Závorku za mínusem je nutné rozepsat celou, `-(x^2+1)=-x^2-1`. Jmenovatel se neroznásobuje, ve tvaru `(x-1)^2` je výsledek přehlednější.
Příklad 4: zlomek bez pravidla pro podíl
Zderivujte `f(x)=\dfrac{1-x^3}{x^2}`.
Jmenovatel je jediná mocnina, takže zlomek rozdělíme a derivujeme dva jednoduché členy:
`\begin{gathered}\displaystyle f(x)=\frac{1}{x^2}-\frac{x^3}{x^2}=x^{-2}-x\\[10pt]\displaystyle f'(x)=-2x^{-3}-1=-\frac{2}{x^3}-1=-\frac{x^3+2}{x^3}\end{gathered}`
Pravidlo pro podíl by dalo totéž, jen s `x^4` ve jmenovateli a jedním krácením navíc.
Příklad 5: složená funkce
Zderivujte `\sin(3x^2+1)`, `\ln(x^2+4)` a `\sqrt{1-x^2}`.
`\begin{gathered}\bigl(\sin(3x^2+1)\bigr)'=\cos(3x^2+1)\cdot 6x\\[10pt]\displaystyle\bigl(\ln(x^2+4)\bigr)'=\frac{1}{x^2+4}\cdot 2x=\frac{2x}{x^2+4}\\[10pt]\begin{aligned}\bigl(\sqrt{1-x^2}\bigr)'&=\frac{1}{2\sqrt{1-x^2}}\cdot(-2x)\\[6pt]&=-\frac{x}{\sqrt{1-x^2}}\end{aligned}\end{gathered}`
Pokaždé je vnější funkce (sinus, logaritmus, odmocnina) zderivovaná podle tabulky s nezměněným vnitřkem a pak vynásobená derivací vnitřku.
Příklad 6: rovnice tečny
Napište rovnici tečny ke grafu funkce `f(x)=x^3-3x` v bodě s `x_0=2`.
Tečna je přímka se směrnicí `k=f'(x_0)`, která prochází bodem `T[x_0;\ f(x_0)]`:
`y-f(x_0)=f'(x_0)\cdot(x-x_0)`
Dosadíme: `f(2)=8-6=2`, `f'(x)=3x^2-3`, takže `f'(2)=12-3=9`. Tečna je
`\begin{gathered}y-2=9(x-2)\\[4pt]y=9x-16\end{gathered}`
Kontrola: bod `T` na tečně leží, `9\cdot 2-16=2`. Rovnici přímky ze směrnice a bodu, i s kolmicí (normálou) tímtéž bodem, vypíše kalkulačka přímky ze směrnice a bodu.
Časté chyby
- Derivace součinu není součin derivací. `(x\cdot x)'` není `1\cdot 1=1`, ale `2x`. Kontrola: `x\cdot x=x^2`.
- Prohozené pořadí v podílu. `\frac{u'v-uv'}{v^2}`, ne `\frac{uv'-u'v}{v^2}`. Opačné pořadí dá výsledek s opačným znaménkem, a ten se prozradí zkouškou: u rostoucí funkce by vyšla záporná derivace.
- Zapomenutá vnitřní derivace. `(\mathrm{e}^{3x})'=3\mathrm{e}^{3x}`, ne `\mathrm{e}^{3x}`. Stejně `(\sin 2x)'=2\cos 2x`.
- Exponent snížený jen u kladných mocnin. `(x^{-2})'=-2x^{-3}`, exponent klesá z `-2` na `-3`, ne na `-1`.
- Mocninný vzorec na exponenciálu. `(2^x)'` není `x\cdot 2^{x-1}`, protože proměnná je v exponentu. Správně `2^x\ln 2`.
- Derivace neexistuje všude. Funkce musí být v bodě spojitá, ale ani to nestačí. Graf `|x|` má v nule hrot: zleva má směrnici `-1`, zprava `1`, a jedna tečna tam neexistuje. Podobně `\sqrt{x}` v nule nemá konečnou derivaci, tečna je tam svislá.
Vyšší derivace
Derivace je zase funkce, takže se dá derivovat znovu. Tak vznikne druhá derivace `f''`, třetí `f'''` a tak dále. U mnohočlenu každé derivování sníží stupeň o jedna, až zbude nula:
`\begin{gathered}f(x)=3x^4-2x^3+2x^2+5x-2\\[4pt]f'(x)=12x^3-6x^2+4x+5\\[4pt]f''(x)=36x^2-12x+4\\[4pt]f'''(x)=72x-12\\[4pt]f^{(4)}(x)=72\\[4pt]f^{(5)}(x)=0\end{gathered}`
U sinu a kosinu se derivace opakují po čtyřech krocích: `\sin x`, `\cos x`, `-\sin x`, `-\cos x` a zase `\sin x`.
Názorný význam má druhá derivace ve fyzice. Dráha volně padajícího tělesa je `s(t)=4{,}9\,t^2` (v metrech a sekundách). První derivace je rychlost `v(t)=s'(t)=9{,}8\,t`, druhá derivace zrychlení `a(t)=s''(t)=9{,}8`, tedy právě tíhové zrychlení `g\doteq 9{,}8\ \mathrm{m/s^2}`.
K čemu je derivace
- Kde funkce roste a klesá. Kde je `f'(x)\gt 0`, funkce roste, kde `f'(x)\lt 0`, klesá. Body s `f'(x)=0` jsou kandidáti na minimum a maximum. Celý postup je v článku Průběh funkce - Hledání extrémů.
- Optimalizace. Největší obsah, nejmenší spotřeba materiálu, nejkratší cesta. Třeba: kdo má 3 000 m plotu a oplocuje obdélník u řeky (čtvrtá strana plot nepotřebuje), dostane obsah `S=(3000-2y)\cdot y`. Z `S'=3000-4y=0` vyjde `y=750\ \mathrm{m}`, druhá strana `1\,500\ \mathrm{m}` a obsah `1\,125\,000\ \mathrm{m^2}`. Další úlohy v článku Využití derivace - Optimalizační úlohy.
- Tečny ke grafům, jak ukázal příklad 6.
- Fyzika: rychlost je derivace dráhy podle času, zrychlení derivace rychlosti, proud derivace náboje.
Opačnou úlohou k derivování je hledání funkce, jejíž derivaci známe. To je Neurčitý integrál.
Příklady k procvičení
1. Zderivujte `f(x)=4x^3-5x^2+2x-7`.
Člen po členu: `f'(x)=12x^2-10x+2`. Konstanta `-7` dá nulu.
2. Zderivujte `f(x)=\sqrt{x}+\dfrac{1}{x^2}`.
Přepíšeme na mocniny, `f(x)=x^{\frac{1}{2}}+x^{-2}`:
`\displaystyle f'(x)=\frac{1}{2}x^{-\frac{1}{2}}-2x^{-3}=\frac{1}{2\sqrt{x}}-\frac{2}{x^3}`
3. Zderivujte `f(x)=x\cdot\mathrm{e}^x`.
Derivace součinu:
`f'(x)=1\cdot\mathrm{e}^x+x\cdot\mathrm{e}^x=\mathrm{e}^x(x+1)`
4. Zderivujte `f(x)=\dfrac{2x+3}{x-1}`.
Derivace podílu, `u'=2`, `v'=1`:
`\begin{aligned}f'(x)&=\frac{2(x-1)-(2x+3)\cdot 1}{(x-1)^2}\\[6pt]&=\frac{-5}{(x-1)^2}\end{aligned}`
Derivace je všude záporná, funkce tedy na obou částech definičního oboru klesá. Je to lineární lomená funkce a její graf je hyperbola.
5. Zderivujte a) `\ln(x^2+1)`, b) `\mathrm{tg}\,2x`, c) `(x^2-3)^5`.
Všechny tři jsou složené funkce:
`\begin{gathered}\displaystyle\text{a)}\ \ \frac{1}{x^2+1}\cdot 2x=\frac{2x}{x^2+1}\\[10pt]\displaystyle\text{b)}\ \ \frac{1}{\cos^2 2x}\cdot 2=\frac{2}{\cos^2 2x}\\[10pt]\text{c)}\ \ 5(x^2-3)^4\cdot 2x=10x(x^2-3)^4\end{gathered}`
U c) by šlo závorku umocnit a derivovat mnohočlen desátého stupně, ale složená funkce je mnohem rychlejší.
6. Míč vyhozený svisle vzhůru je po `t` sekundách ve výšce `h(t)=20t-5t^2` metrů. Jakou rychlost má po 1 sekundě? Kdy je nejvýš a jak vysoko?
Rychlost je derivace výšky: `v(t)=h'(t)=20-10t`. Po 1 sekundě je `v(1)=10\ \mathrm{m/s}`, míč stále stoupá.
Nejvýš je v okamžiku, kdy přestane stoupat, tedy `v(t)=0`: `20-10t=0`, `t=2\ \mathrm{s}`. Výška je `h(2)=40-20=20\ \mathrm{m}`.
Kontrola: `h(1{,}9)=19{,}95\ \mathrm{m}` i `h(2{,}1)=19{,}95\ \mathrm{m}`, obě jsou nižší než `20\ \mathrm{m}`.
Kam dál
- Procvičování: derivace mocniny - derivace `a\cdot x^n` s okamžitou kontrolou odpovědi.
- Přímka ze směrnice a bodu - rovnice tečny, jakmile znáte `f'(x_0)` a bod dotyku.
- Limity funkcí - na čem stojí definice derivace.
- Průběh funkce - Hledání extrémů - monotonie, stacionární body, minimum a maximum.
- Využití derivace - Optimalizační úlohy - slovní úlohy řešené derivací.
- Neurčitý integrál - opačný postup k derivování.