Что такое дифференцируемость?
Однажды восприняв теорию эволюции, вы начинаете видеть природу с позиций конкуренции и выживания. Вы понимаете, почему микробы становятся резистентными к лекарственным препаратам (выживание наиболее приспособленных). Или, например, почему нас тянет к сладкой и жирной пище (поощрение природой потребления высококалорийных продуктов на случай дефицита).
Аналогичным образом изучение математического анализа подобно просветлению. В школьном курсе мы изучаем приведенные ниже формулы в различных разделах геометрии, получаем их как данность. Но разве они не связаны каким-то образом? Математический анализ показывает, что одно следует из другого. Сегодня мы будем двигаться относительно приведенного изображения справа налево. Как бы расщепляя природу объектов, подменяя их более простыми сущностями, дифференцируя.
![9 гифок, наглядно иллюстрирующих дифференцируемость функции](https://media.proglib.io/posts/2019/10/05/de1e7d5274fe774788f5468a0adda909.png)
Понятие «дифференцируемость» лежит в основании математического анализа. Изначально этот курс так и назывался: интегральное и дифференциальное исчисление. Что подразумевают математики, когда говорят, что функция дифференцируема в точке?
В учебниках по математическому анализу даётся следующее определение (не пугайтесь, далее мы будем излагать мысли более простым языком). Функция f
дифференцируема в точке x
, если её приращение в этой точке представимо в виде:
Здесь A
– постоянная, не зависящая от приращения аргумента Δx
. Обозначение
соответствует бесконечно малой функция более высокого порядка, чем Δx
.
Далее в учебниках доказывается, что для дифференцируемости функции f
в точке x
необходимо и достаточно существование в этой точке предела.
который называется производной функции f
в точке x
.
Потом обычно устанавливаются правила дифференцирования, арифметические свойства, доказываются основные теоремы дифференциального исчисления и т.п.
Однако за этим нагромождением нередко пропадает основная идея понятия дифференцируемости. Если функция y = f(x)
дифференцируема в точке x
и вычислимо значение f(x+ Δx)
, то ее можно представить в виде линейной функции y = AΔx + B
, с "хорошей степенью точности".
Перейдем к примерам
Рассмотрим примеры различных функций. Исходя из обозначенной главной идеи, будем задаваться при рассмотрении каждой зависимости вопросом: можно ли представить исследуемую функцию f(x)
в виде прямой линии вблизи точек x
? Обсудим, что именно мы под этим подразумеваем, на ряде конкретных примеров.
Синусоидальная функция
Начнем с простой степенной функции – синусоидальная функция f(x) = sin*x
.
Здесь и далее на анимациях сверху изображается график исследуемой функции на заданном отрезке (сплошная линия), а также хорда (оранжевый пунктир), соединяющая точки зависимости, соответствующие концам выбранного числового отрезка.
Одновременно снизу строится функция модуля разности между исходной функцией и описывающей хорду линейной зависимостью.
![9 гифок, наглядно иллюстрирующих дифференцируемость функции](https://media.proglib.io/posts/2019/10/05/dff038aa42036dfd4e9c0abcdd27d146.gif)
Синусоидальная функция дифференцируема на всей числовой прямой. На gif-изображении ниже можно видеть, что после нескольких приближений к точке x=0
график функции сливается с хордой, превращаясь в прямую линию. Соответствующая разность с каждой итерацией на всем выбранном отрезке становится все ближе к нулю. Эта ситуация соответствует устремлению приращения к нулю.
![9 гифок, наглядно иллюстрирующих дифференцируемость функции](https://media.proglib.io/posts/2019/10/05/1b1f9bab9c9a08b0745249635e0d0e1e.gif)
Модуль гармонической функции
Существует бесконечное число примеров, когда подобного приближения указанной разности к нулю представить нельзя. То есть нельзя говорить и о дифференцируемости функции.
Возьмем, например, функцию модуля гармонической функции f(x) = |sinx|
. Легко доказать, что эта функция не дифференцируема во всех точках, в которых значение синуса обращается в ноль.
Пусть x = 0
. На анимации ниже заметно, что какой бы малый отрезок вокруг этой точки мы ни брали, рассматриваемая разность не устремляется к нулю.
![9 гифок, наглядно иллюстрирующих дифференцируемость функции](https://media.proglib.io/posts/2019/10/05/4b02279a2ef0007e01e5c93e55cf4a0a.gif)
Композиции степенных и гармонических функций
Указанный подход позволяет визуализировать и более сложные примеры композиций нескольких функций.
Рассмотрим две родственные функции:
и
Первая функция дифференцируема при x=0
, вторая – нет. Это хорошо видно на анимациях ниже.
![9 гифок, наглядно иллюстрирующих дифференцируемость функции](https://media.proglib.io/posts/2019/10/05/23b8bf751189bb1995e3bedb6d9a34f4.gif)
![9 гифок, наглядно иллюстрирующих дифференцируемость функции](https://media.proglib.io/posts/2019/10/05/e6c64dbf086d74ddf7f52491e5bb2461.gif)
Обсудим теперь поведение подобных функций с немного другой точки зрения. Для этого рассмотрим функцию
, домноженную на степенные функции с различным показателем.
Простейший вариант –
Эта функция имеет разрыв в x=0
. Проиллюстрируем ситуацию точкой, движущейся по графику данной функции.
При приближении к началу координат рассматриваемая точка начинает скакать и дёргаться, то есть не стремится к какому-то определенному значению. Функция
терпит в x=0
разрыв.
![9 гифок, наглядно иллюстрирующих дифференцируемость функции](https://media.proglib.io/posts/2019/10/05/790deb0b6f7ed87186dc8ad750ab98e2.gif)
Следующая функция
уже непрерывна в нуле, но, как было понятно из вышеприведенной анимации, она не дифференцируема в этой точке.
Проиллюстрируем это, нарисовав хорду. Угловой коэффициент этой хорды сильно осциллирует при подходе движущейся точки к началу координат. Отсюда видно, что функция не является дифференцируемой в точке x=0
![9 гифок, наглядно иллюстрирующих дифференцируемость функции](https://media.proglib.io/posts/2019/10/05/a1984b9086d09d72ecf8450902c777d2.gif)
Рассмотрим далее функцию:
Угловой коэффициент хорды стабилизируется при подходе к 0, но касательная беспорядочно меняет своё положение (постоянно меняется её угловой коэффициент). Это происходит из-за того, что функция
не является непрерывно дифференцируемой, т.е. её производная терпит разрыв в точке x=0
.
![9 гифок, наглядно иллюстрирующих дифференцируемость функции](https://media.proglib.io/posts/2019/10/05/5fcc6dc46b543394bd2493a18fdfbffb.gif)
В заключение рассмотрим функцию:
Эта функция непрерывно дифференцируема в точке x=0
. Изобразим на графике этой функции движущуюся точку, хорду и касательную. На нижеприведённой анимации видно, что здесь стабилизируется и хорда, и касательная.
![9 гифок, наглядно иллюстрирующих дифференцируемость функции](https://media.proglib.io/posts/2019/10/05/47736ee59ee3a898e657b1dae84f0cf3.gif)
Заключение
Таким образом, на наглядных примерах гармонических, степенных функций и их композиций мы рассмотрели природу дифференцируемости различных числовых функций. При этом мы опирались на на стандартные подходы рассмотрения взятия производной в окрестностях точек различного вида, а на «практическом» подходе, при котором производная решает вопрос замены оригинальной функции ее упрощенным линейным представлением.
Выражаем большую признательность за работу Алексею Никитину, Матвею Грицаеву и Алексею Карпову
Комментарии