Задание 9 · Производная и первообразная
9.1. Физический смысл производной
Для репетитора: показать ответы
1. Производная и скорость изменения
Если при изменении аргумента \(x\) на \(\Delta x\) функция \(f\) изменяется на \(\Delta f=f(x+\Delta x)-f(x)\), то производная — это предел отношения этих приращений, когда \(\Delta x\) стремится к нулю:
\(f'(x)=\lim\limits_{\Delta x\to0}\dfrac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}\).
Производная показывает, как быстро меняется величина \(y=f(x)\) в данной точке. Обозначения: \(f'(x)\), \(y'\), \(\dfrac{dy}{dx}\).
2. Физический (механический) смысл производной
Пусть тело (материальная точка) движется по прямой и известен закон движения — зависимость координаты или пути от времени: \(x(t)\), \(s(t)\) (иногда угол поворота \(\varphi(t)\)).
- Средняя скорость за промежуток \(\Delta t\) равна \(\dfrac{\Delta s}{\Delta t}\). Чтобы получить скорость в конкретный момент, переходят к пределу при \(\Delta t\to0\).
- Мгновенная скорость в момент \(t\) — это производная координаты (пути) по времени: \(v(t)=x'(t)=s'(t)\).
- Ускорение — скорость изменения скорости, поэтому оно равно производной скорости, то есть второй производной координаты: \(a(t)=v'(t)=x''(t)\).
Вообще, если \(y\) и \(x\) — физические величины, то производная \(f'(x)\) задаёт скорость изменения \(y\) относительно \(x\). Так, если \(V(t)\) — объём работы, выполненной за время \(t\), то производительность \(\Pi(t)=V'(t)\).
| Что дано | Что получить | Как |
|---|---|---|
| закон движения \(x(t)\) | скорость \(v(t)\) | \(v(t)=x'(t)\) |
| закон движения \(x(t)\) | ускорение \(a(t)\) | \(a(t)=x''(t)\) |
| скорость \(v(t)\) | ускорение \(a(t)\) | \(a(t)=v'(t)\) |
3. Таблица производных
| Функция | Производная |
|---|---|
| \(c\) (число) | \(0\) |
| \(x^\alpha\) | \(\alpha x^{\alpha-1}\) |
| \(\sqrt{x}\) | \(\dfrac{1}{2\sqrt x}\) |
| \(\dfrac1x\) | \(-\dfrac1{x^2}\) |
| \(e^x\) | \(e^x\) |
| \(a^x\) | \(a^x\ln a\) |
| \(\ln x\) | \(\dfrac1x\) |
| \(\log_ax\) | \(\dfrac{1}{x\ln a}\) |
| \(\sin x\) | \(\cos x\) |
| \(\cos x\) | \(-\sin x\) |
| \(\operatorname{tg}x\) | \(\dfrac{1}{\cos^2x}\) |
| \(\operatorname{ctg}x\) | \(-\dfrac{1}{\sin^2x}\) |
4. Правила дифференцирования
Пусть \(u\) и \(v\) — дифференцируемые функции, \(c\) — число.
| Правило | Формула |
|---|---|
| Постоянный множитель | \((cu)'=cu'\) |
| Сумма и разность | \((u\pm v)'=u'\pm v'\) |
| Произведение | \((uv)'=u'v+uv'\) |
| Частное | \(\left(\dfrac uv\right)'=\dfrac{u'v-uv'}{v^2}\), \(v\ne0\) |
| Сложная функция | \(\left(f(g(x))\right)'=f'(g(x))\cdot g'(x)\) |
Например, \((\ln(3x^2+5))'=\dfrac{6x}{3x^2+5}\), \(\left((1+2x^5)^{15}\right)'=150x^4(1+2x^5)^{14}\).
5. Алгоритм решения задач на физический смысл производной
- Определите, что задано: закон движения \(x(t)\), \(s(t)\) или \(\varphi(t)\) — или скорость \(v(t)\).
- Найдите производную по правилам дифференцирования: получите \(v(t)=x'(t)\).
- Если требуется ускорение, продифференцируйте ещё раз: \(a(t)=v'(t)\).
- Ответьте на вопрос:
- скорость (ускорение) в момент \(t_0\): подставьте \(t_0\) в \(v(t)\) (в \(a(t)\));
- момент времени, когда скорость равна \(v_0\): решите уравнение \(v(t)=v_0\) и выберите корень, подходящий по смыслу задачи (время не может быть отрицательным: \(t\ge0\)).
- Проверьте единицы измерения и запишите ответ.
Иногда в условии дан не закон движения, а скорость или объём работы: тогда производная \(V'(t)\) задаёт производительность, и задача решается по тому же алгоритму.
- Незнание правила дифференцирования сложной функции.
- Незнание производной натурального логарифма.
- Ошибки в формулах производной частного и произведения.
Разобранные примеры
Пример 1
Материальная точка M начинает движение из точки A и движется по прямой на протяжении 12 секунд. График показывает, как менялось расстояние от точки A до точки M со временем. На оси абсцисс откладывается время t в секундах, на оси ординат — расстояние s.
Определите, сколько раз за время движения скорость точки M обращалась в ноль (начало и конец движения не учитывайте).
Решение
Мгновенная скорость равна производной перемещения по времени. Значение производной равно нулю в точках экстремума функции Точек экстремума на графике 6.
Ответ: 6.
Пример 2
Материальная точка движется прямолинейно по закону где х — расстояние от точки отсчёта (в метрах), t — время движения (в секундах). Найдите её скорость (в метрах в секунду) в момент времени t = 2 с.
Решение
Найдем закон изменения скорости: При t = 2 c имеем:
м/с
Ответ: 19.
Пример 3
Материальная точка движется прямолинейно по закону (где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
Решение
Найдем закон изменения скорости:
При t = 7 c имеем:
м/с.
Ответ: 2.
- И. В. Шеремета, методический материал по заданиям на физический смысл производной, iro23.ru, 2024
- А. Н. Семакин, «Математический анализ. Модуль 3. Текст 3.1», МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017
- Е. Ю. Попова, «Математика (профиль). ЕГЭ-2024 (задания № 8, № 12)», вебинар ЦОКО, togirro.ru
- Т. И. Козак, «Проверочная работа по алгебре для 11 класса по теме „Геометрический и физический смысл производной“», 2014
- «Лайфхаки для ЕГЭ по математике 2024», НОМЦ ТГУ (nomc.math.tsu.ru)
- У1
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость
(в м/с) в момент времени t = 6 с. - У2
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 2 м/с?
- У3
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени t = 3 с.
- У4
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 5 м/с?
- У5
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени t = 3 с.
- У6
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 4 м/с?
- У7
Материальная точка движется прямолинейно по закону
где x — расстояние от точки отсчёта в метрах, t — время в секундах, прошедшее с начала движения. В какой момент времени (в секундах) её скорость была равна 2 м/c?
- У8
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 71 м/с?
- У9
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 3 м/с?
- У10
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- У11
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- У12
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- У13
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- У14
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- У15
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- У16
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- У17
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 1 м/с?
- У18
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- У19
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 14 м/с?
- У20
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- У21
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- У22
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 15 м/с?
- У23
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- У24
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 8 м/с?
- У25
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д1
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д2
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени t = 1 с.
- Д3
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
- Д4
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 38 м/с?
- Д5
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени t = 4 с.
- Д6
Материальная точка движется прямолинейно по закону
где х — расстояние от точки отсчёта (в метрах), t — время движения (в секундах). Найдите её скорость (в метрах в секунду) в момент времени t = 6 с.
- Д7
Материальная точка движется прямолинейно по закону
где x — расстояние от точки отсчёта в метрах, t — время в секундах, прошедшее с начала движения. В какой момент времени (в секундах) её скорость была равна 8 м/с?
- Д8
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 48 м/с?
- Д9
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д10
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д11
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д12
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д13
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д14
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 6 м/с?
- Д15
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д16
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 3 м/с?
- Д17
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д18
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д19
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 93 м/с?
- Д20
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д21
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 4 м/с?
- Д22
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д23
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). Найдите ее скорость (в м/с) в момент времени
с.
- Д24
Материальная точка движется прямолинейно по закону
(где x — расстояние от точки отсчета в метрах, t — время в секундах, измеренное с начала движения). В какой момент времени (в секундах) ее скорость была равна 96 м/с?