22.11 Funkcja złożona. Pochodna funkcji złożonej
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Dane są wzory funkcji $f$ i $g$. Wyznacz złożenia $g \circ f$, $f \circ g$ oraz dziedziny tych złożeń.
a) $f(x) = x + 5, g(x) = 2x$
b) $f(x) = 2x^2, g(x) = 5x$
c) $f(x) = \frac{2}{x-3}, g(x) = \frac{3}{x}$
a) $g \circ f(x) = 2x + 10$, $D = \mathbb{R}$; $f \circ g(x) = 2x + 5$, $D = \mathbb{R}$
b) $g \circ f(x) = 10x^2$, $D = \mathbb{R}$; $f \circ g(x) = 50x^2$, $D = \mathbb{R}$
c) $g \circ f(x) = \frac{3x-9}{2}$, $D = \mathbb{R} \setminus \{3\}$; $f \circ g(x) = \frac{2x}{3-3x}$, $D = \mathbb{R} \setminus \{0, 1\}$
Wskazówki:
1. Pamiętaj, że złożenie $g \circ f$ oznacza $g(f(x))$, a $f \circ g$ oznacza $f(g(x))$. Zawsze podstawiaj wzór funkcji wewnętrznej do argumentu funkcji zewnętrznej.
2. Dziedzina złożenia $h(x) = g(f(x))$ jest zbiorem tych $x$, które należą do dziedziny funkcji wewnętrznej $f$ ORAZ dla których wartość $f(x)$ należy do dziedziny funkcji zewnętrznej $g$.
3. Dla funkcji wymiernych (podpunkt c) musisz wykluczyć te $x$, dla których mianownik jest równy zero, zarówno w funkcji wewnętrznej $f(x)$, jak i w funkcji złożonej $g(f(x))$.
Rozwiązanie:
Wprowadzenie: Złożenie funkcji $h = g \circ f$ jest zdefiniowane jako $h(x) = g(f(x))$. Oznacza to, że najpierw obliczamy wartość funkcji $f(x)$, a następnie tę wartość podstawiamy do funkcji $g$.
a) $f(x) = x + 5, g(x) = 2x$
1. Wyznaczanie złożenia $g \circ f$:
Funkcja zewnętrzna to $g(y) = 2y$. Zamiast $y$ podstawiamy wzór funkcji $f(x)$, czyli $x + 5$.$$g(f(x)) = 2 \cdot (x + 5)$$Wykonujemy mnożenie:$$g(f(x)) = 2x + 10$$2. Wyznaczanie dziedziny $D_{g \circ f}$:
Obie funkcje $f$ i $g$ są wielomianami. Ich dziedziny to $\mathbb{R}$.
Dziedzina złożenia $D_{g \circ f} = \mathbb{R}$.
3. Wyznaczanie złożenia $f \circ g$:
Funkcja zewnętrzna to $f(y) = y + 5$. Zamiast $y$ podstawiamy wzór funkcji $g(x)$, czyli $2x$.$$f(g(x)) = (2x) + 5$$Złożenie $f \circ g$ to funkcja $2x + 5$.
4. Wyznaczanie dziedziny $D_{f \circ g}$:
Obie funkcje są wielomianami.
Dziedzina złożenia $D_{f \circ g} = \mathbb{R}$.
b) $f(x) = 2x^2, g(x) = 5x$
1. Wyznaczanie złożenia $g \circ f$:
Funkcja zewnętrzna to $g(y) = 5y$. Zamiast $y$ podstawiamy $f(x) = 2x^2$.$$g(f(x)) = 5 \cdot (2x^2)$$$$g(f(x)) = 10x^2$$2. Wyznaczanie dziedziny $D_{g \circ f}$:
Obie funkcje są wielomianami, więc $D_{g \circ f} = \mathbb{R}$.
3. Wyznaczanie złożenia $f \circ g$:
Funkcja zewnętrzna to $f(y) = 2y^2$. Zamiast $y$ podstawiamy $g(x) = 5x$.$$f(g(x)) = 2 \cdot (5x)^2$$Najpierw obliczamy kwadrat funkcji wewnętrznej: $(5x)^2 = 25x^2$.
Następnie mnożymy przez 2:$$f(g(x)) = 2 \cdot (25x^2) = 50x^2$$4. Wyznaczanie dziedziny $D_{f \circ g}$:
Obie funkcje są wielomianami.
Dziedzina złożenia $D_{f \circ g} = \mathbb{R}$.
c) $f(x) = \frac{2}{x-3}, g(x) = \frac{3}{x}$
1. Wyznaczanie złożenia $g \circ f$:
Funkcja zewnętrzna to $g(y) = \frac{3}{y}$. Zamiast $y$ podstawiamy $f(x) = \frac{2}{x-3}$.$$g(f(x)) = \frac{3}{\frac{2}{x-3}}$$Dzielenie przez ułamek to mnożenie przez jego odwrotność:$$g(f(x)) = 3 \cdot \frac{x-3}{2} = \frac{3(x-3)}{2}$$$$g(f(x)) = \frac{3x-9}{2}$$2. Wyznaczanie dziedziny $D_{g \circ f}$:
Musimy sprawdzić dwa warunki:
Warunek 1 (Dziedzina funkcji wewnętrznej $f$): Mianownik $x-3$ musi być różny od zera. $x-3 \neq 0$, czyli $x \neq 3$.
Warunek 2 (Dziedzina funkcji zewnętrznej $g$): Argument $f(x)$ musi być różny od zera. $f(x) = \frac{2}{x-3}$. Licznik 2 nigdy nie jest zerem, więc $f(x) \neq 0$ zawsze.
Jedynym ograniczeniem jest $x \neq 3$.
Dziedzina złożenia $D_{g \circ f} = \mathbb{R} \setminus \{3\}$.
3. Wyznaczanie złożenia $f \circ g$:
Funkcja zewnętrzna to $f(y) = \frac{2}{y-3}$. Zamiast $y$ podstawiamy $g(x) = \frac{3}{x}$.$$f(g(x)) = \frac{2}{\frac{3}{x} - 3}$$Sprowadzamy mianownik do wspólnego mianownika $x$. Pamiętamy, że $3 = \frac{3x}{x}$.$$f(g(x)) = \frac{2}{\frac{3}{x} - \frac{3x}{x}} = \frac{2}{\frac{3-3x}{x}}$$Dzielenie przez ułamek to mnożenie przez jego odwrotność:$$f(g(x)) = 2 \cdot \frac{x}{3-3x} = \frac{2x}{3-3x}$$Możemy wyłączyć 3 z mianownika: $f(g(x)) = \frac{2x}{3(1-x)}$.
4. Wyznaczanie dziedziny $D_{f \circ g}$:
Musimy sprawdzić dwa warunki:
Warunek 1 (Dziedzina funkcji wewnętrznej $g$): Mianownik $x$ musi być różny od zera. $x \neq 0$.
Warunek 2 (Dziedzina funkcji złożonej): Mianownik końcowego wzoru $3-3x$ musi być różny od zera. $3-3x \neq 0$. Przenosimy $3x$ na drugą stronę: $3 \neq 3x$. Dzielimy przez 3: $1 \neq x$.
Łączymy ograniczenia: $x \neq 0$ i $x \neq 1$.
Dziedzina złożenia $D_{f \circ g} = \mathbb{R} \setminus \{0, 1\}$.
Zadanie 2 (3 pkt)
Dane są wzory funkcji $f$ i $g$. Wyznacz złożenia $g \circ f$, $f \circ g$ oraz dziedziny tych złożeń.
a) $f(x) = \left(x + 2\right)^2$, $g(x) = \sqrt{x-4}$
b) $f(x) = \sqrt{x}$, $g(x) = 3x + 9$
c) $f(x) = \frac{x-2}{x+3}$, $g(x) = \frac{2}{\sqrt{x}}$
a) $g \circ f(x) = \sqrt{\left(x+2\right)^2 - 4}$, $D_{g \circ f} = \left(-\infty, -4\right] \cup \left[0, \infty\right)$. $f \circ g(x) = \left(\sqrt{x-4} + 2\right)^2$, $D_{f \circ g} = \left[4, \infty\right)$.
b) $g \circ f(x) = 3\sqrt{x} + 9$, $D_{g \circ f} = \left[0, \infty\right)$. $f \circ g(x) = \sqrt{3x + 9}$, $D_{f \circ g} = \left[-3, \infty\right)$.
c) $g \circ f(x) = \frac{2}{\sqrt{\frac{x-2}{x+3}}}$, $D_{g \circ f} = \left(-\infty, -3\right) \cup \left(2, \infty\right)$. $f \circ g(x) = \frac{\frac{2}{\sqrt{x}}-2}{\frac{2}{\sqrt{x}}+3}$, $D_{f \circ g} = \left(0, \infty\right)$.
Wskazówki:
a) Dziedzina $g(x)$ wymaga, aby $x \ge 4$. Zatem dla $g \circ f$, $f(x)$ musi być większe lub równe 4. Rozwiąż nierówność $\left(x+2\right)^2 \ge 4$, używając różnicy kwadratów.
b) Pamiętaj, że dla $f \circ g$, argument funkcji $f$ (czyli $g(x)$) musi być nieujemny. Rozwiąż $3x+9 \ge 0$.
c) Dziedzina $g(x)$ to $x>0$. Dla $g \circ f$ musisz rozwiązać nierówność wymierną $f(x) > 0$. Dla $f \circ g$ musisz wykluczyć $x$ takie, że $g(x) = -3$ (bo $D_f$ wymaga $x \ne -3$).
Rozwiązanie:
Rozwiązanie dla a) $f(x) = \left(x + 2\right)^2$, $g(x) = \sqrt{x-4}$
1. Wyznaczanie dziedzin funkcji bazowych.
$D_f = \mathbb{R}$.
$D_g$: $x - 4 \ge 0$, czyli $x \ge 4$.$$D_g = \left[4, \infty\right)$$2. Wyznaczanie złożenia $h_1(x) = g \circ f = g(f(x))$.
Podstawiamy wzór funkcji $f(x)$ do funkcji $g(x)$:$$h_1(x) = g\left(\left(x+2\right)^2\right) = \sqrt{\left(x+2\right)^2 - 4}$$3. Wyznaczanie dziedziny $D_{h_1}$.
Musimy spełnić warunek $f(x) \in D_g$, czyli $f(x) \ge 4$.
Rozwiązujemy nierówność:$$\left(x+2\right)^2 \ge 4$$Przenosimy 4 na lewą stronę:$$\left(x+2\right)^2 - 4 \ge 0$$Stosujemy wzór na różnicę kwadratów $a^2 - b^2 = (a-b)(a+b)$, gdzie $a=\left(x+2\right)$ i $b=2$.$$\left(\left(x+2\right) - 2\right)\left(\left(x+2\right) + 2\right) \ge 0$$Upraszczamy nawiasy:$$\left(x\right)\left(x+4\right) \ge 0$$Szukamy miejsc zerowych: $x=0$ i $x=-4$. Jest to nierówność kwadratowa z ramionami skierowanymi w górę. Jest ona spełniona na zewnątrz pierwiastków.$$D_{h_1} = \left(-\infty, -4\right] \cup \left[0, \infty\right)$$4. Wyznaczanie złożenia $h_2(x) = f \circ g = f(g(x))$.
Podstawiamy wzór funkcji $g(x)$ do funkcji $f(x)$:$$h_2(x) = f\left(\sqrt{x-4}\right) = \left(\sqrt{x-4} + 2\right)^2$$5. Wyznaczanie dziedziny $D_{h_2}$.
$x$ musi należeć do dziedziny $g$, czyli $x \ge 4$. Ponieważ $D_f = \mathbb{R}$, drugi warunek jest zawsze spełniony.$$D_{h_2} = \left[4, \infty\right)$$Rozwiązanie dla b) $f(x) = \sqrt{x}$, $g(x) = 3x + 9$
1. Wyznaczanie dziedzin funkcji bazowych.$$D_f = \left[0, \infty\right)$$$$D_g = \mathbb{R}$$2. Wyznaczanie złożenia $h_1(x) = g \circ f = g(f(x))$.$$h_1(x) = g\left(\sqrt{x}\right) = 3\sqrt{x} + 9$$3. Wyznaczanie dziedziny $D_{h_1}$.
$x \in D_f$, czyli $x \ge 0$. Oraz $f(x) \in D_g$, co jest zawsze prawdą dla $x \ge 0$.$$D_{h_1} = \left[0, \infty\right)$$4. Wyznaczanie złożenia $h_2(x) = f \circ g = f(g(x))$.$$h_2(x) = f\left(3x + 9\right) = \sqrt{3x + 9}$$5. Wyznaczanie dziedziny $D_{h_2}$.
$g(x)$ musi należeć do $D_f$, czyli $g(x) \ge 0$.
Rozwiązujemy nierówność:$$3x + 9 \ge 0$$Odejmujemy 9 od obu stron:$$3x \ge -9$$Dzielimy przez 3:$$x \ge -3$$$$D_{h_2} = \left[-3, \infty\right)$$Rozwiązanie dla c) $f(x) = \frac{x-2}{x+3}$, $g(x) = \frac{2}{\sqrt{x}}$
1. Wyznaczanie dziedzin funkcji bazowych.
$D_f$: $x + 3 \ne 0$, czyli $x \ne -3$.$$D_f = \mathbb{R} \setminus \left\{-3\right\}$$$D_g$: $x > 0$.$$D_g = \left(0, \infty\right)$$2. Wyznaczanie złożenia $h_1(x) = g \circ f = g(f(x))$.$$h_1(x) = g\left(\frac{x-2}{x+3}\right) = \frac{2}{\sqrt{\frac{x-2}{x+3}}}$$3. Wyznaczanie dziedziny $D_{h_1}$.
$x \in D_f$, czyli $x \ne -3$. Oraz $f(x) \in D_g$, czyli $f(x) > 0$.
Musimy rozwiązać nierówność wymierną:$$\frac{x-2}{x+3} > 0$$Iloczyn $\left(x-2\right)\left(x+3\right)$ musi być większy od zera. Miejsca zerowe to $x=2$ i $x=-3$. Nierówność jest spełniona na zewnątrz pierwiastków.$$D_{h_1} = \left(-\infty, -3\right) \cup \left(2, \infty\right)$$4. Wyznaczanie złożenia $h_2(x) = f \circ g = f(g(x))$.$$h_2(x) = f\left(\frac{2}{\sqrt{x}}\right) = \frac{\frac{2}{\sqrt{x}}-2}{\frac{2}{\sqrt{x}}+3}$$5. Wyznaczanie dziedziny $D_{h_2}$.
$x \in D_g$, czyli $x > 0$. Oraz $g(x) \in D_f$, czyli $g(x) \ne -3$.
Musimy sprawdzić, kiedy $g(x) = -3$:$$\frac{2}{\sqrt{x}} = -3$$Ponieważ $\sqrt{x}$ jest zawsze dodatnie (dla $x>0$), to $\frac{2}{\sqrt{x}}$ jest zawsze dodatnie. Liczba dodatnia nigdy nie może być równa liczbie ujemnej ($-3$). Zatem ten warunek jest spełniony dla wszystkich $x \in D_g$.$$D_{h_2} = \left(0, \infty\right)$$
Zadanie 3 (3 pkt)
Wyznacz pochodną funkcji:
a) $f(x) = (5x + 3)^6$
b) $f(x) = (2x^4 - 5x^3 + 1)^3$
c) $f(x) = (x^2 + 4x)^5 - (2x + 5)^2$
a) $f'(x) = 30(5x + 3)^5$
b) $f'(x) = 3(2x^4 - 5x^3 + 1)^2 (8x^3 - 15x^2)$
c) $f'(x) = 5(x^2 + 4x)^4 (2x + 4) - 4(2x + 5)$
Wskazówki:
1. Pamiętaj o regule łańcuchowej (różniczkowaniu funkcji złożonej). Jeśli $f(x) = g(h(x))$, to $f'(x) = g'(h(x)) \cdot h'(x)$.
2. W podpunktach a) i b) funkcją zewnętrzną jest potęga $u^n$, a wewnętrzną jest wyrażenie w nawiasie.
3. W podpunkcie c) zastosuj regułę łańcuchową do obu składników osobno, a następnie odejmij wyniki. Pochodna wewnętrzna w pierwszym składniku to $(x^2 + 4x)'$, a w drugim $(2x + 5)'$.
Rozwiązanie:
1. Wstęp: Reguła łańcuchowa.
Aby obliczyć pochodną funkcji złożonej $f(x) = g(h(x))$, stosujemy regułę łańcuchową: $f'(x) = g'(h(x)) \cdot h'(x)$.
2. a) Obliczanie pochodnej $f(x) = (5x + 3)^6$
Krok 1: Identyfikacja funkcji.
Funkcja zewnętrzna: $g(u) = u^6$.
Funkcja wewnętrzna: $h(x) = 5x + 3$.
Krok 2: Obliczanie pochodnej funkcji zewnętrznej.
Pochodna $g(u) = u^6$ to $g'(u) = 6u^5$.
Podstawiając $h(x)$: $6(5x + 3)^5$.
Krok 3: Obliczanie pochodnej funkcji wewnętrznej.
Pochodna $h(x) = 5x + 3$ to:$$h'(x) = (5x)' + (3)'$$Pochodna $5x$ wynosi $5$.
Pochodna stałej $3$ wynosi $0$.
Zatem $h'(x) = 5 + 0 = 5$.
Krok 4: Zastosowanie reguły łańcuchowej.
Mnożymy wynik z Kroku 2 przez wynik z Kroku 3:$$f'(x) = 6(5x + 3)^5 \cdot 5$$Mnożymy stałe $6 \cdot 5 = 30$.
Ostatecznie:$$f'(x) = 30(5x + 3)^5$$3. b) Obliczanie pochodnej $f(x) = (2x^4 - 5x^3 + 1)^3$
Krok 1: Identyfikacja funkcji.
Funkcja zewnętrzna: $g(u) = u^3$.
Funkcja wewnętrzna: $h(x) = 2x^4 - 5x^3 + 1$.
Krok 2: Obliczanie pochodnej funkcji zewnętrznej.
Pochodna $g(u) = u^3$ to $g'(u) = 3u^2$.
Podstawiając $h(x)$: $3(2x^4 - 5x^3 + 1)^2$.
Krok 3: Obliczanie pochodnej funkcji wewnętrznej.
Różniczkujemy każdy składnik:$$h'(x) = (2x^4)' - (5x^3)' + (1)'$$Pochodna $(2x^4)'$: $2 \cdot 4x^{4-1} = 8x^3$.
Pochodna $(5x^3)'$: $5 \cdot 3x^{3-1} = 15x^2$.
Pochodna stałej $(1)'$: $0$.
Zatem $h'(x) = 8x^3 - 15x^2$.
Krok 4: Zastosowanie reguły łańcuchowej.
Mnożymy wynik z Kroku 2 przez wynik z Kroku 3:$$f'(x) = 3(2x^4 - 5x^3 + 1)^2 \cdot (8x^3 - 15x^2)$$4. c) Obliczanie pochodnej $f(x) = (x^2 + 4x)^5 - (2x + 5)^2$
Krok 1: Różniczkowanie różnicy.
Musimy obliczyć pochodną pierwszego składnika $A = (x^2 + 4x)^5$ i odjąć pochodną drugiego składnika $B = (2x + 5)^2$.
Krok 2: Obliczanie pochodnej pierwszego składnika $A = (x^2 + 4x)^5$.
Pochodna zewnętrzna: $5u^4$. Zatem $5(x^2 + 4x)^4$.
Pochodna wewnętrzna: $(x^2 + 4x)' = 2x + 4$.$$A' = 5(x^2 + 4x)^4 \cdot (2x + 4)$$Krok 3: Obliczanie pochodnej drugiego składnika $B = (2x + 5)^2$.
Pochodna zewnętrzna: $2u^1$. Zatem $2(2x + 5)^1$.
Pochodna wewnętrzna: $(2x + 5)' = 2$.$$B' = 2(2x + 5) \cdot 2$$Upraszczamy: $B' = 4(2x + 5)$.
Krok 4: Zsumowanie wyników.
$f'(x) = A' - B'$.
Ostatecznie:$$f'(x) = 5(x^2 + 4x)^4 (2x + 4) - 4(2x + 5)$$
Zadanie 4 (3 pkt)
Wyznacz pochodną funkcji:
a) $f(x) = 2x^4(3x + 1)^4$
b) $f(x) = (x^3 + 3x)^2 \cdot (5x + 1)$
c) $f(x) = \frac{(x^3 - 4)^2}{(x + 3)^3}$
a) $f'(x) = 8x^3(3x + 1)^3 (6x + 1)$
b) $f'(x) = (x^3 + 3x) (35x^3 + 6x^2 + 45x + 6)$
c) $f'(x) = \frac{3(x^3 - 4) (x^3 + 6x^2 + 4)}{(x + 3)^4}$
Wskazówki:
1. Pamiętaj o wzorze na pochodną iloczynu: $(u \cdot v)' = u'v + uv'$.
2. W podpunktach a, b i c musisz zastosować regułę łańcuchową (pochodna funkcji złożonej). Pamiętaj, że pochodna zewnętrzna to pochodna potęgi, a wewnętrzna to pochodna wyrażenia w nawiasie.
3. W podpunkcie c) zastosuj wzór na pochodną ilorazu: $\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}$.
4. Po obliczeniu pochodnych $u'$ i $v'$, wstaw je do wzoru i wyciągnij wspólne czynniki z licznika, aby uprościć wyrażenie.
Rozwiązanie:
Rozwiązanie krok po kroku:
a) $f(x) = 2x^4(3x + 1)^4$
1. Identyfikujemy funkcje $u$ i $v$: $u = 2x^4$ oraz $v = (3x + 1)^4$.
2. Obliczamy pochodną $u$: $u' = (2x^4)' = 2 \cdot 4x^{4-1} = 8x^3$.
3. Obliczamy pochodną $v$: $v' = ((3x + 1)^4)'$. Stosujemy regułę łańcuchową. Pochodna zewnętrzna (potęga 4) to $4(3x + 1)^3$. Pochodna wewnętrzna (z $3x + 1$) to $3$. Zatem $v' = 4(3x + 1)^3 \cdot 3 = 12(3x + 1)^3$.
4. Stosujemy wzór na pochodną iloczynu $(u \cdot v)' = u'v + uv'$:$$f'(x) = (8x^3)(3x + 1)^4 + (2x^4)(12(3x + 1)^3)$$5. Upraszczamy drugi człon: $2x^4 \cdot 12(3x + 1)^3 = 24x^4(3x + 1)^3$.$$f'(x) = 8x^3(3x + 1)^4 + 24x^4(3x + 1)^3$$6. Wyciągamy wspólny czynnik przed nawias. Wspólne czynniki to $8x^3$ oraz $(3x + 1)^3$.$$f'(x) = 8x^3(3x + 1)^3 \left[ (3x + 1)^1 + 3x \right]$$7. Upraszczamy wyrażenie w nawiasie kwadratowym: $3x + 1 + 3x = 6x + 1$.
Ostateczny wynik:$$f'(x) = 8x^3(3x + 1)^3 (6x + 1)$$b) $f(x) = (x^3 + 3x)^2 \cdot (5x + 1)$
1. Identyfikujemy funkcje $u = (x^3 + 3x)^2$ oraz $v = 5x + 1$.
2. Obliczamy pochodną $u$: $u' = ((x^3 + 3x)^2)'$. Stosujemy regułę łańcuchową. Pochodna zewnętrzna to $2(x^3 + 3x)^1$. Pochodna wewnętrzna to $(x^3 + 3x)' = 3x^2 + 3$. Zatem $u' = 2(x^3 + 3x)(3x^2 + 3)$.
3. Obliczamy pochodną $v$: $v' = (5x + 1)'$. Pochodna $5x$ to $5$, pochodna $1$ to $0$. Zatem $v' = 5$.
4. Stosujemy wzór na pochodną iloczynu $(u \cdot v)' = u'v + uv'$:$$f'(x) = \left[ 2(x^3 + 3x)(3x^2 + 3) \right] \cdot (5x + 1) + \left[ (x^3 + 3x)^2 \right] \cdot 5$$5. Wyciągamy wspólny czynnik $(x^3 + 3x)$ przed nawias:$$f'(x) = (x^3 + 3x) \left[ 2(3x^2 + 3)(5x + 1) + 5(x^3 + 3x) \right]$$6. Upraszczamy wyrażenie w nawiasie kwadratowym. Najpierw wymnażamy $2(3x^2 + 3)(5x + 1)$:
$2(15x^3 + 3x^2 + 15x + 3) = 30x^3 + 6x^2 + 30x + 6$.
7. Dodajemy $5(x^3 + 3x) = 5x^3 + 15x$:
$(30x^3 + 6x^2 + 30x + 6) + (5x^3 + 15x)$.
8. Redukujemy wyrazy podobne:
$(30x^3 + 5x^3) + 6x^2 + (30x + 15x) + 6 = 35x^3 + 6x^2 + 45x + 6$.
9. Ostateczny wynik:$$f'(x) = (x^3 + 3x) (35x^3 + 6x^2 + 45x + 6)$$c) $f(x) = \frac{(x^3 - 4)^2}{(x + 3)^3}$
1. Identyfikujemy funkcje $u = (x^3 - 4)^2$ oraz $v = (x + 3)^3$.
2. Obliczamy pochodną $u$: $u' = ((x^3 - 4)^2)'$. Reguła łańcuchowa: $2(x^3 - 4)^1 \cdot (3x^2) = 6x^2(x^3 - 4)$.
3. Obliczamy pochodną $v$: $v' = ((x + 3)^3)'$. Reguła łańcuchowa: $3(x + 3)^2 \cdot (1) = 3(x + 3)^2$.
4. Stosujemy wzór na pochodną ilorazu $\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}$:$$f'(x) = \frac{\left[6x^2(x^3 - 4)\right] \cdot \left[(x + 3)^3\right] - \left[(x^3 - 4)^2\right] \cdot \left[3(x + 3)^2\right]}{\left((x + 3)^3\right)^2}$$5. Upraszczamy mianownik: $((x + 3)^3)^2 = (x + 3)^6$.
6. Wyciągamy wspólne czynniki z licznika. Wspólne czynniki to $(x^3 - 4)$ oraz $(x + 3)^2$.$$f'(x) = \frac{(x^3 - 4)(x + 3)^2 \left[ 6x^2(x + 3) - (x^3 - 4) \cdot 3 \right]}{(x + 3)^6}$$7. Skracamy $(x + 3)^2$ w liczniku i mianowniku (zostaje $(x + 3)^4$ w mianowniku).
8. Upraszczamy wyrażenie w nawiasie kwadratowym w liczniku:
$6x^2(x + 3) - 3(x^3 - 4) = 6x^3 + 18x^2 - 3x^3 + 12$.
9. Redukujemy wyrazy podobne: $6x^3 - 3x^3 + 18x^2 + 12 = 3x^3 + 18x^2 + 12$.
10. Ostateczny wynik. Możemy wyciągnąć 3 z trójmianu sześciennego:$$f'(x) = \frac{3(x^3 - 4) (x^3 + 6x^2 + 4)}{(x + 3)^4}$$
Zadanie 5 (3 pkt)
Wyznacz pochodne funkcji:
a) $f(x)=\sqrt{3x}$
b) $f(x)=4\sqrt{x^2+2x+5}$
c) $f(x)=\sqrt{\frac{4-x}{2x+3}}$
a) $f'(x) = \frac{3}{2\sqrt{3x}}$
b) $f'(x) = \frac{4x+4}{\sqrt{x^2+2x+5}}$
c) $f'(x) = \frac{-11}{2(2x+3)^{3/2} \sqrt{4-x}}$
Wskazówki:
1. Pamiętaj o wzorze na pochodną funkcji złożonej (reguła łańcuchowa): $(f(g(x)))' = f'(g(x)) \cdot g'(x)$.
2. Pochodna pierwiastka kwadratowego to $(\sqrt{u})' = \frac{u'}{2\sqrt{u}}$.
3. W podpunkcie c) musisz zastosować regułę łańcuchową, a następnie do obliczenia pochodnej funkcji wewnętrznej (ułamka) użyć wzoru na pochodną ilorazu: $(\frac{g}{h})' = \frac{g'h - gh'}{h^2}$.
4. W podpunkcie b) stała $4$ czeka na zewnątrz, a pochodna $4\sqrt{u}$ to $4 \cdot \frac{u'}{2\sqrt{u}}$.
Rozwiązanie:
Rozwiązanie opiera się na zastosowaniu reguły łańcuchowej oraz wzorów na pochodną pierwiastka i ilorazu.
a) $f(x)=\sqrt{3x}$
1. Identyfikacja funkcji: Mamy funkcję złożoną postaci $f(x) = \sqrt{u}$, gdzie $u = 3x$.
2. Obliczenie pochodnej funkcji wewnętrznej (u): Pochodna funkcji $u=3x$ wynosi $u' = 3$.
3. Zastosowanie wzoru na pochodną pierwiastka (reguła łańcuchowa): Wzór to $(\sqrt{u})' = \frac{u'}{2\sqrt{u}}$.$$f'(x) = \frac{(3x)'}{2\sqrt{3x}}$$4. Podstawienie i wynik: Podstawiamy obliczoną pochodną wewnętrzną $u'=3$ do wzoru:$$f'(x) = \frac{3}{2\sqrt{3x}}$$b) $f(x)=4\sqrt{x^2+2x+5}$
1. Identyfikacja funkcji i stałej: Mamy stałą $4$ pomnożoną przez funkcję złożoną $g(x) = \sqrt{u}$, gdzie $u = x^2+2x+5$.
2. Obliczenie pochodnej funkcji wewnętrznej (u): Pochodna funkcji $u = x^2+2x+5$ wynosi $u' = (x^2)' + (2x)' + (5)'$. Pochodna $x^2$ to $2x$, pochodna $2x$ to $2$, a pochodna stałej $5$ to $0$. Zatem:$$u' = 2x + 2$$3. Zastosowanie wzoru na pochodną pierwiastka: Stosujemy wzór $(\sqrt{u})' = \frac{u'}{2\sqrt{u}}$ i mnożymy przez stałą $4$:$$f'(x) = 4 \cdot \frac{u'}{2\sqrt{u}} = 4 \cdot \frac{2x+2}{2\sqrt{x^2+2x+5}}$$4. Uproszczenie: Skracamy $4$ i $2$ (zostaje $2$ w liczniku):$$f'(x) = 2 \cdot \frac{2x+2}{\sqrt{x^2+2x+5}} = \frac{4x+4}{\sqrt{x^2+2x+5}}$$c) $f(x)=\sqrt{\frac{4-x}{2x+3}}$
1. Identyfikacja funkcji złożonej: Jest to funkcja postaci $f(x) = \sqrt{u}$, gdzie funkcja wewnętrzna $u$ jest ilorazem: $u = \frac{4-x}{2x+3}$.
2. Obliczenie pochodnej funkcji wewnętrznej (u) – reguła ilorazu: Musimy obliczyć $u' = (\frac{g}{h})'$, gdzie $g=4-x$ i $h=2x+3$.
- Pochodna licznika: $g' = (4-x)' = -1$.
- Pochodna mianownika: $h' = (2x+3)' = 2$.
- Wzór na pochodną ilorazu: $u' = \frac{g'h - gh'}{h^2}$.$$u' = \frac{(-1)(2x+3) - (4-x)(2)}{(2x+3)^2}$$3. Uproszczenie licznika pochodnej u: Wykonujemy mnożenie w liczniku:$$u' = \frac{(-2x-3) - (8-2x)}{(2x+3)^2}$$Usuwamy nawiasy, pamiętając o zmianie znaków po odejmowaniu:$$u' = \frac{-2x-3 - 8 + 2x}{(2x+3)^2}$$Redukujemy wyrazy podobne ($-2x$ i $+2x$ się kasują):$$u' = \frac{-11}{(2x+3)^2}$$4. Zastosowanie reguły łańcuchowej: Stosujemy wzór $f'(x) = (\sqrt{u})' = \frac{1}{2\sqrt{u}} \cdot u'$.$$f'(x) = \frac{1}{2\sqrt{\frac{4-x}{2x+3}}} \cdot \frac{-11}{(2x+3)^2}$$5. Uproszczenie: Mnożymy i odwracamy pierwiastek:$$f'(x) = \frac{-11}{2(2x+3)^2} \cdot \sqrt{\frac{2x+3}{4-x}}$$6. Ostateczne przekształcenie: Łączymy potęgi $(2x+3)$:$$f'(x) = \frac{-11}{2(2x+3)^{3/2} \sqrt{4-x}}$$
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Dane są wzory funkcji $f$ i $g$. Wyznacz złożenia $g \circ f$, $f \circ g$ oraz dziedziny tych złożeń.
a) $f(x) = x + 1, g(x) = -5x$
b) $f(x) = 3x^2, g(x) = -2x$
c) $f(x) = \frac{1}{x-2}, g(x) = \frac{4}{x}$
a) $g \circ f(x) = -5x - 5$, $D = \mathbb{R}$; $f \circ g(x) = -5x + 1$, $D = \mathbb{R}$
b) $g \circ f(x) = -6x^2$, $D = \mathbb{R}$; $f \circ g(x) = 12x^2$, $D = \mathbb{R}$
c) $g \circ f(x) = 4x - 8$, $D = \mathbb{R} \setminus \{2\}$; $f \circ g(x) = \frac{x}{4-2x}$, $D = \mathbb{R} \setminus \{0, 2\}$
Zadanie 2 (3 pkt)
Dane są wzory funkcji $f$ i $g$. Wyznacz złożenia $g \circ f$, $f \circ g$ oraz dziedziny tych złożeń.
a) $f(x) = \left(x + 3\right)^2$, $g(x) = \sqrt{x-2}$
b) $f(x) = \sqrt{x}$, $g(x) = 4x - 8$
c) $f(x) = \frac{x-4}{x+2}$, $g(x) = \frac{3}{\sqrt{x}}$
a) $g \circ f(x) = \sqrt{\left(x+3\right)^2 - 2}$, $D_{g \circ f} = \left(-\infty, -3 - \sqrt{2}\right] \cup \left[-3 + \sqrt{2}, \infty\right)$. $f \circ g(x) = \left(\sqrt{x-2} + 3\right)^2$, $D_{f \circ g} = \left[2, \infty\right)$.
b) $g \circ f(x) = 4\sqrt{x} - 8$, $D_{g \circ f} = \left[0, \infty\right)$. $f \circ g(x) = \sqrt{4x - 8}$, $D_{f \circ g} = \left[2, \infty\right)$.
c) $g \circ f(x) = \frac{3}{\sqrt{\frac{x-4}{x+2}}}$, $D_{g \circ f} = \left(-\infty, -2\right) \cup \left(4, \infty\right)$. $f \circ g(x) = \frac{\frac{3}{\sqrt{x}}-4}{\frac{3}{\sqrt{x}}+2}$, $D_{f \circ g} = \left(0, \infty\right)$.
Zadanie 3 (3 pkt)
Wyznacz pochodną funkcji:
a) $f(x) = (2 - 3x)^5$
b) $f(x) = (4x^3 + x^2 - 10)^4$
c) $f(x) = (7x^2 - x)^2 + (3x - 2)^3$
a) $f'(x) = -15(2 - 3x)^4$
b) $f'(x) = 4(4x^3 + x^2 - 10)^3 (12x^2 + 2x)$
c) $f'(x) = 2(7x^2 - x)(14x - 1) + 9(3x - 2)^2$
Zadanie 4 (3 pkt)
Wyznacz pochodną funkcji:
a) $f(x) = 7x^2(2x - 5)^6$
b) $f(x) = (4x^2 - 5x)^4 \cdot (1 - 3x)$
c) $f(x) = \frac{(3x + 5)^4}{(x^2 - 1)^3}$
a) $f'(x) = 14x(2x - 5)^5 (8x - 5)$
b) $f'(x) = (4x^2 - 5x)^3 (-108x^2 + 107x - 20)$
c) $f'(x) = \frac{-6(3x + 5)^3 (x^2 + 5x + 2)}{(x^2 - 1)^4}$
Zadanie 5 (3 pkt)
Wyznacz pochodne funkcji:
a) $f(x)=\sqrt{7x}$
b) $f(x)=3\sqrt{x^2-4x+1}$
c) $f(x)=\sqrt{\frac{2x+1}{x-6}}$
a) $f'(x) = \frac{7}{2\sqrt{7x}}$
b) $f'(x) = \frac{3x-6}{\sqrt{x^2-4x+1}}$
c) $f'(x) = \frac{-13}{2(x-6)^{3/2} \sqrt{2x+1}}$
