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Derivate Fondamentali

Teorema
La derivata di una funzione costante è zero. D  k=0D\;k = 0

Dimostrazione
Sia f(x)=kf(x) = k, allora f(x+h)=kf(x+h) = k, il valore della derivata è:

f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h==lim⁡h→0k−kh=0\eq{ f'(x) = &\lim\limits_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{k-k}{h} = 0 }

Rappresentazione grafica
La tangente alla retta y=ky=k in ogni suo punto è rappresentata da una retta parallela all’asse x che ha quindi il coefficiente angolare pari a zero.

f(x)=2  ⟹  f′(x)=0f(x)=15  ⟹  f′(x)=0f(x)=230  ⟹  f′(x)=0\eq{ &f(x)= 2 \implies f'(x) = 0 \\ &f(x)= 15 \implies f'(x) = 0 \\ &f(x)= 230 \implies f'(x) = 0 \\ }

Gf costante

Teorema
La derivata della funzione identità è 11. D  x=1D\;x = 1

f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h==lim⁡h→0x+h−xh==lim⁡h→0hh=1\eq{ f'(x) =& \lim\limits_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{x+h-x}{h} =\\ =&\lim\limits_{h\to0}\frac{h}{h} = 1 }

Rappresentazione grafica La funzione identità è la bisettrice del primo e terzo quadrante e coincide con la tangente al grafico: il coefficiente angolare è uguale a 11.

Funzione identità

Esempio
f(x)=x  ⟹  f′(x)=1f(x)= x \implies f'(x) = 1

Teorema
Siano α∈R\alpha \in\R e x>0x > 0, allora Dxα=αxα−1D x^\alpha = \alpha x^{\alpha-1}. Se α∈Z\alpha \in \Z oppure α=mn\alpha = \frac{m}{n} con nn dispari, il teorema è verificato anche per x<0x<0.

Inoltre, per n∈N−{0}n \in \N-\{0\} e ∀x∈R\forall x \in\R si ottiene Dxn=nxn−1D x^n = nx^{n-1}.

Dimostrazione
f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h==lim⁡h→0(x+h)α−xαh==lim⁡h→0xα(1+hx)α−xαh==lim⁡h→0xα(1+hx)α−1h==lim⁡h→0xα−1(1+hx)α−1hx==  αxα−1\eq{ f'(x) =& \lim\limits_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{(x+h)^\alpha-x^\alpha}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{x^\alpha(1+\frac{h}{x})^\alpha-x^\alpha}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}x^\alpha\frac{(1+\frac{h}{x})^\alpha-1}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}x^{\alpha-1}\frac{(1+\frac{h}{x})^\alpha-1}{\frac{h}{x}}=\\ =& \;\alpha x^{\alpha-1} }

Rappresentazione grafica
rappresentazione grafica

2° Teorema Siano n∈Rn \in\R e x>0x > 0,

D[1xn]=nxn+1D \left[ \frac{1}{x^n} \right] = \frac{n}{x^{n+1}}

Teorema
Siano α=12\alpha = \frac{1}{2} e x>0x > 0. Dx=D  xα=12xD \sqrt{x} = D\;x^\alpha = \frac{1}{2\sqrt{x}}

Dimostrazione
Si ricordi che (a+b)(a−b)=a2−b2(a+b)(a-b)=a^2-b^2

f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h==lim⁡h→0x+h−xh==lim⁡h→0(x+h−x)(x+h+x)h(x+h+x)==lim⁡h→0(x+h−x)h(x+h+x)==lim⁡h→0hh(x+h+x)==lim⁡h→01h(x+x)=12x\eq{ f'(x) =& \lim\limits_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{\sqrt{x+h}-\sqrt{x}}{h} =\\ =& \small \lim\limits_{h\to0}\frac{(\sqrt{x+h}-\sqrt{x})(\sqrt{x+h}+\sqrt{x})}{h(\sqrt{x+h}+\sqrt{x})}=\\ =& \normalsize\lim\limits_{h\to0}\frac{(x+h-x)}{h(\sqrt{x+h}+\sqrt{x})} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{h}{h(\sqrt{x+h}+\sqrt{x})} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{1}{h(\sqrt{x}+\sqrt{x})} = \frac{1}{2\sqrt{x}} }

Si ricava che Dx=Dx12=12x12−1=12x−12=12x∀x>0D \sqrt{x} = D x^{\frac{1}{2}} = \frac{1}{2} x^{\frac{1}{2}-1} = \frac{1}{2} x^{-\frac{1}{2}} = \frac{1}{2 \sqrt{x}} \quad \forall x > 0

Rappresentazione grafica
rappresentazione grafica

Teorema
Sia xx espresso in radianti Dsin⁡(x)=cos⁡(x)D \sin(x) = \cos(x)

Dimostrazione
Si ricordi che sin⁡(α+β)=sin⁡(α)⋅cos⁡(β)+cos⁡(α)⋅sin⁡(β)\sin(\alpha+\beta)=\sin(\alpha)\cdot \cos(\beta)+\cos(\alpha)\cdot \sin(\beta)

f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h==lim⁡h→0sin⁡(x+h)−sin⁡(x)h==lim⁡h→0sin⁡(x)⋅cos⁡(h)+cos⁡(x)⋅sin⁡(h)−sin⁡(x)h==lim⁡h→0sin⁡(x)[cos⁡(h)−1]+cos⁡(x)⋅sin⁡(h)h==lim⁡h→0sin⁡(x)cos⁡(h)−1h+cos⁡(x)⋅sin⁡(h)h==  sin⁡(x)⋅0+cos⁡(x)⋅1=cos⁡(x)\eq{ f'(x) =& \lim\limits_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{\sin (x+h)- \sin(x)}{h} = \\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{\sin(x)\cdot \cos (h) + \cos (x)\cdot \sin(h)-\sin(x)}{h} = \\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{\sin(x)[\cos (h)-1]+\cos(x)\cdot \sin(h)}{h} = \\ =& \lim\limits_{h\to0} \sin(x)\frac{\cos(h)-1}{h}+ \cos(x)\cdot\frac{\sin(h)}{h} = \\ =& \;\sin(x)\cdot 0 + \cos(x)\cdot 1 = \cos (x) }

Rappresentazione grafica La funzione seno è periodica con periodo 2π2\pi.

Gf seno

Teorema
Sia xx espresso in radianti D[cos⁡(x)]=−sin⁡(x)D[\cos(x)] = -\sin(x)

Dimostrazione
Si veda la definizione precedente.

Rappresentazione grafica La funzione coseno è periodica di periodo 2π2\pi

Gf coseno

Teorema
La derivata della funzione tangente si può esprimere in due modi.

D  tan⁡(x)=1cos⁡2(x)=1+tan⁡2(x)D\;\tan(x) = \frac{1}{\cos^2(x)} = 1+\tan^2(x)

Rappresentazione grafica
Gf-tan

Teorema
La derivata della funzione arcotangente è:

D  arctan(x)=tan⁡−1(x)=1x2+1D\;\text{arctan}(x) = \tan^{-1}(x) = \frac{1}{x^2+1}

Teorema
La derivata della funzione cotangente si può esprimere in due modi.

D  cot⁡(x)=−1sin⁡2(x)=−[1+cot2(x)]D\;\cot(x) = -\frac{1}{\sin^2(x)} = -[1+cot^2(x)]

Rappresentazione grafica
Gf-cot

Teorema
D  αx=αx⋅log⁡e(α)=αx⋅ln⁡(α)D\;\alpha^x = \alpha^x \cdot \log_e(\alpha)=\alpha^x \cdot \ln(\alpha)

Se α=e\alpha = e, allora D  αx=αxD\;\alpha^x = \alpha^x poiché ln⁡e=1\ln e = 1

Dimostrazione
f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h==lim⁡h→0αx+h−αxh==lim⁡h→0αx(αh−1)h==lim⁡h→0(αxαh−1h)==  αx⋅ln⁡  α\eq{ f'(x) =& \lim\limits_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{\alpha^{x+h}-\alpha^x}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{\alpha^x(\alpha^h-1)}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}(\alpha^x\frac{\alpha^h-1}{h}) =\\ =& \;\alpha^x \cdot \ln\;\alpha }

Rappresentazione grafica
Gf-exp

Esempio
f(x)=2x  ⟹  f′(x)=2x⋅ln⁡(2)f(x)=2^x \implies f'(x)=2^x \cdot \ln(2)

Teorema
D  log⁡αx=1x⋅log⁡αeD\;\log_\alpha x = \frac{1}{x} \cdot \log_\alpha e

Se α=e\alpha = e, allora D  ln⁡x=1xD\;\ln x = \frac{1}{x} ovvero D  log⁡x=1xD\;\log x = \frac{1}{x} Inoltre si può osservare che D[ex]=exD[e^x] = e^x

Dimostrazione
Si ricordi che log⁡αx−log⁡αy=log⁡αxy\log_\alpha x - \log_\alpha y = \log_\alpha \frac{x}{y}

2° Teorema
Dlog⁡∣x∣=1x∀x≠0D \log |x| = \frac{1}{x} \quad \forall x \neq 0

Se x>0x>0, allora D[log⁡x]=1xD[\log x] = \frac{1}{x}

Se invece x<0x<0, allora:

ddxlog⁡∣x∣=ddxlog⁡(−x)=ddxlog⁡y∣y=−x⋅ddx(−x)=1−x(−1)=1x\frac{d}{dx} \log |x| = \frac{d}{dx} \log(-x) = \frac{d}{dx} \log y|_{y=-x} \cdot \frac{d}{dx}(-x) = \frac{1}{-x}(-1) = \frac{1}{x}

3° Teorema Dlog⁡∣f(x)∣=f′(x)f(x)∀f(x)≠0D \log |f(x)| = \frac{f'(x)}{f(x)} \quad \forall f(x)\neq 0

Dimostrazione
Questo teorema è dimostrato grazie al teorema della funzione composta:

Dlog⁡∣f(x)∣=1f(x)⋅f′(x)=f′(x)f(x)D \log |f(x)| = \frac{1}{f(x)} \cdot f'(x) = \frac{f'(x)}{f(x)}

Teorema
Siano I=(a;  b),  f:I⟶R,  x0∈II= (a; \; b), \; f: I \lto \R, \; x_0 \in I, se ff è invertibile in II e derivabile in x0x_0 con f′(x0)≠0f'(x_0) \ne 0, allora anche la funzione inversa f−1f^{-1} è derivabile nel punto y0=f(x0)y_0=f(x_0) ed è:

(f−1)′(y0)=1f′(x0)D[f−1(y)]=1f′(x)\eq{ \left( f^{-1} \right)' (y_0) =\frac{1}{f'(x_0)} \\ D[f^{-1}(y)]=\frac{1}{f'(x)} }

Dimostrazione
Per y=f(x)  ⟺  x=f−1(y):y = f(x)\iff x = f^{-1} (y):

D[f−1(y)]==lim⁡y→y0f−1(y)−f−1(y0)y−y0==lim⁡y→y0f−1(f(x))f−1(f(x0))f(x)−f(x0)==lim⁡y→y0x−x0f(x)−f(x0)==lim⁡y→y01f(x)−f(x0)x−x0=1f′(x0)\eq{ & D[f^{-1}(y)]=\\ =&\lim\limits_{y \to y_0} \frac{f^{-1}(y)-f^{-1}(y_0)}{y - y_0} =\\ =& \lim\limits_{y \to y_0} \frac{f^{-1} \left( f(x)\right) f^{-1}\left( f(x_0) \right)}{f(x)- f(x_0)} =\\ =& \lim\limits_{y \to y_0} \frac{x - x_0}{f(x)- f(x_0)} =\\ =&\lim\limits_{y \to y_0} \frac{1}{\frac{f(x)- f(x_0)}{x - x_0}} = \frac{1}{f'(x_0)} \\ }

f∈C(I)f \in C(I) e invertibile   ⟹  f−1∈C(I)\implies f^{-1} \in C(I).

Se x→x0  ⟹  f−1(x)→f−1(x0)  ⟺  y→y0x \to x_0 \implies f^{-1}(x) \to f^{-1}(x_0) \iff y \to y_0. Dunque x→x0  ⟺  y→y0x \to x_0 \iff y \to y_0

Esempio 1
La funzione f(x)=x3+xf(x)=x^3+x è invertibile in R\R, si calcoli quindi la derivata della funzione inversa nel punto y=2y=2. Per applicare il teorema sopra descritto è necessario calcolare il valore di xx al quale corrisponde y=2y=2. Si risolva quindi l’equazione

x3+x=2  ⟹  (x−1)(x2+x+2)=0  ⟹  x=1  ⟹  f′(x)=3x2+1  ⟹  f′(1)=3+1=4\eq{ & x^3+x=2 \\ \implies & (x-1)(x^2+x+2)=0\\ \implies & x=1 \\ \implies & f'(x)=3x^2+1 \\ \implies & f'(1)=3+1=4 }

Si applichi il teorema: D[f−1(2)]=1f′(1)=14D[f^{-1}(2)]=\frac{1}{f'(1)}=\frac{1}{4}

Esempio 2
D[arcsin(x)]=11−x2∀x∈(−1,  1)D[arcsin(x)]=1Dsin⁡y∣y=arcsin x==1cos⁡y∣y=arcsin y==11−sin⁡2y∣y=arcsin x==11−x2\eq{ D \Big[\text{arcsin}(x)\Big] =& \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \quad \forall x \in (-1, \; 1) \\ D \Big[\text{arcsin}(x)\Big] =& \frac{1}{D\sin y} \LARGE| \normalsize _{ y = \text{arcsin } x } =\\ =& \frac{1}{\cos y |_{y = \text{arcsin } y}} =\\ =& \frac{1}{\sqrt{1-\sin^2 y}} \LARGE| \normalsize _{ y = \text{arcsin } x } =\\ =& \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} }

Non dimenticarti che:

cos⁡2(y)+sin⁡2(y)=1\cos^2 (y) + \sin^2 (y)=1

y=log⁡a(x)  ⟺  ay=xy =\log_a(x) \iff a^y = x

alog⁡ax=xa^{\log_a x} = x

D[arccos(x)]=−11−x2∀x∈(−1,  1)D[arctg(x)]=11+x2∀x∈RD[log⁡a(x)]=1xlog⁡a∀x>0,  a>0,  a≠1D[log⁡a(x)]=1Day∣y=log⁡ax==1aylog⁡a∣y=log⁡ax==1xlog⁡a\eq{ D \Big[\text{arccos}(x)\Big] =& - \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \quad \forall x \in (-1, \; 1) \\ D \Big[\text{arctg}(x)\Big] =& \frac{1}{1+x^2} \quad \forall x \in \R \\ D \Big[\log_a (x)\Big] =& \frac{1}{x \log a} \quad \forall x > 0, \; a > 0, \; a \neq 1 \\ D \Big[\log_a (x)\Big] =& \frac{1}{D a^y} \LARGE| \normalsize _{y = \log_a x} = \\ =& \frac{1}{a^y \log a} \LARGE| \normalsize _{y = \log_a x} =\\ =&\frac{1}{x \log a} }

Teorema
Siano I,  J⊆R,  g:I⟶R,  f:J⟶R,  g(I)⊆J,  x0∈II, \; J \subseteq \R, \; g: I \lto \R, \; f: J \lto\R, \; g(I) \subseteq J, \; x_0 \in I, se gg è derivabile nel punto x0x_0 ed ff è derivabile nel punto g(x0)g(x_0), allora la funzione composta f∘g=f(g(x))f \circ g = f(g(x)) è derivabile in x0x_0.

D[f(g(x))]=f′(g(x))⋅g′(x)D[f(g(x))]=f'(g(x)) \cdot g'(x)

Esempio 1
D[xα]=αxα−1∀x>0,  α∈RD[x^{\alpha}] = \alpha x ^{\alpha -1} \quad \forall x > 0, \; \alpha \in \R

D[xα]=D[eln⁡(xα)]==D[eαln⁡(x)]==  f∘g t.c. g(x)=αln⁡(x),  f(y)=ey  ⟹    D[ey∣y=αln⁡(x)]⋅D[αln⁡(x)]==  eαln⁡(x)α1x==  αxα−1\eq{ D[x^{\alpha}] =& D[e^{\ln (x^{\alpha})}] =\\ =& D[e^{\alpha \ln (x)}] =\\ =& \; f \circ g \text{ t.c. } g(x) = \alpha \ln (x) , \; f(y) = e^y \\ \implies & \; D[e^y |_{y= \alpha \ln (x)}] \cdot D[\alpha \ln (x)] =\\ =& \; e^{\alpha \ln (x)} \alpha \frac{1}{x} =\\ =& \;\alpha x^{\alpha -1} }

Esempio 2
D  ax=ax⋅log⁡a∀x∈R,a>0D \; a^x = a^x \cdot \log a \quad \quad \quad \forall x \in \R, a > 0

D[ax]=D[elog⁡ax]==D[exlog⁡a]==  f∘g(x) t.c. g(x)=xlog⁡a,  f(y)=ey  ⟹  Dey∣y=xlog⁡a⋅D(xlog⁡a)=  exlog⁡a⋅log⁡a⋅1==ax⋅log⁡a\eq{ D[a^x] =& D[e^{\log a^x}] =\\ =& D [e^{x \log a}] =\\ =& \; f \circ g(x) \text{ t.c. }g(x) = x \log a , \; f(y) = e^y \\ \implies & D e^y |_{y= x \log a} \cdot D(x \log a) \\ =& \; e^{x \log a} \cdot \log a \cdot 1 =\\ =& a^x \cdot \log a }

Derivata del prodotto di una costante per una funzione

Section titled “Derivata del prodotto di una costante per una funzione”
Teorema
D  [k⋅f(x)]=k⋅f′(x)D\;[k \cdot f(x)]= k \cdot f'(x) Dimostrazione
f′(x)=lim⁡h→0k⋅f(x+h)−k⋅f(x)h==lim⁡h→0k⋅[f(x+h)−f(x)]h==lim⁡h→0k  f(x+h)−f(x)h=k  ⋅  f′(x)\eq{ f'(x) =& \lim\limits_{h\to0}\frac{k \cdot f(x+h)- k \cdot f(x)}{h} = \\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{k \cdot [f(x+h)- f(x)]}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}k\;\frac{f(x+h)- f(x)}{h} = k\;\cdot\;f'(x) }

Esempio
y=−3  ⋅ln⁡x  ⟹  y′=−3⋅1x=−3xy=-3 \; \cdot \ln x \implies y' = -3 \cdot \frac{1}{x}= -\frac{3}{x}

Derivata della somma o differenza di funzioni

Section titled “Derivata della somma o differenza di funzioni”

Teorema
D  [f(x)±g(x)]=f′(x)±g′(x)D\;[f(x) \pm g(x)]= f'(x) \pm g'(x)

Dimostrazione
I) Sia h(x)=f(x)+g(x)h(x) = f(x)+ g(x) si dimostri che D[h(x)]=f′(x)+g′(x)D[h(x)]=f'(x) + g'(x)

h′(x)=lim⁡h→0[f(x+h)+g(x+h)]−[f(x)+g(x)]h==lim⁡h→0[f(x+h)−f(x)]+[g(x+h)−g(x)]h==lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h+lim⁡h→0g(x+h)−g(x)h==f′(x)+g′(x)\eq{ h'(x) =& \lim\limits_{h\to0}\frac{[f(x+h)+g(x+h)]-[f(x)+g(x)]}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{[f(x+h)-f(x)]+[g(x+h)-g(x)]}{h} =\\ =& \lim\limits_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} + \lim\limits_{h\to0}\frac{g(x+h)-g(x)}{h} =\\ =&f'(x) + g'(x) }

II) Sia v(x)=f(x)−g(x)v(x) = f(x)- g(x) si dimostri che D[v(x)]=f′(x)−g′(x)D[v(x)]=f'(x) - g'(x)

v′(x)=lim⁡h→0[f(x+h)−g(x+h)]−[f(x)−g(x)]h==lim⁡h→0[f(x+h)−f(x)]−[g(x+h)−g(x)]h==lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h−lim⁡h→0g(x+h)−g(x)h==f′(x)−g′(x)\eq{ v'(x) =& \lim\limits_{h\to0}\frac{[f(x+h)-g(x+h)]-[f(x)-g(x)]}{h} =\\ & = \lim\limits_{h\to0}\frac{[f(x+h)-f(x)]-[g(x+h)-g(x)]}{h} =\\ & = \lim\limits_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} - \lim\limits_{h\to0}\frac{g(x+h)-g(x)}{h} =\\ =& f'(x) - g'(x) }

Esempio
Date le funzioni f(x)=xf(x) = x e g(x)=2⋅sin⁡(x)g(x)=2 \cdot \sin(x). Allora y=x+2⋅sin⁡(x)  ⟹  y′=1+2⋅cos⁡(x)y = x+2 \cdot \sin(x) \implies y'=1+2 \cdot \cos(x)

Teorema
ddx[f(x)⋅g(x)]=f′(x)⋅g(x)+f(x)⋅g′(x)\frac{d}{dx} [f(x) \cdot g(x)]= f'(x) \cdot g(x) + f(x) \cdot g'(x)

Esempio
Date le funzioni f(x)=xf(x) = x e g(x)=sin⁡(x)g(x)=\sin(x). Allora y=x⋅sin⁡(x)  ⟹  y′=1⋅sin⁡(x)+x⋅cos⁡(x)y = x \cdot \sin(x) \implies y'=1 \cdot \sin(x) + x \cdot \cos(x)

Teorema
Sia g(x)≠0g(x) \ne 0

ddx[f(x)g(x)]=f′(x)⋅g(x)−f(x)⋅g′(x)[g(x)]2\frac{d}{dx} \left[ \frac{f(x)}{g(x)} \right]= \frac{f'(x) \cdot g(x) - f(x) \cdot g'(x)}{[g(x)]^2}

Teorema
Sia f(x)≠0f(x) \ne 0

ddx[1f(x)]=−f′(x)[f(x)]2\frac{d}{dx} \left[ \frac{1}{f(x)} \right] = -\frac{f'(x)}{ [f(x)]^2}

Esempio f(x)=sin⁡(x)f(x)=\sin(x)

y=1sin⁡(x)  ⟹  y′=−cos⁡(x)sin⁡2(x)y=\frac{1}{\sin(x)} \implies y'=-\frac{\cos(x)}{\sin^2(x)}

Derivata di una funzione elevata ad un numero naturale maggiore di uno

Section titled “Derivata di una funzione elevata ad un numero naturale maggiore di uno”

Teorema
Sia n∈N,n>1n \in \N, n > 1

ddx[f(x)]n=n⋅[f(x)]n−1⋅f′(x)\frac{d}{dx}[f(x)]^n=n \cdot [f(x)]^{n-1} \cdot f'(x)