مشتق تابع معكوس

آخرین ویرایش: 02 اسفند 1402
دسته‌بندی: مشتق در ریاضی
امتیاز:

مقدمه 

مفهوم تابع معکوس را به‌طور مختصر یادآوری می‌کنیم:

تابع f=x,yy=fx مفروض است، از تعویض جای مولفه‌های اول و دوم زوج مرتب‌ها به رابطه جدیدی می‌رسیم که آن را معکوس تابع f می‌نامیم.

اگر این رابطه را g بنامیم، آنگاه:

g=y,xx,y∈f

شرط لازم و کافی برای آن‌که f-1 تابع باشد، آن است که f یک به یک باشد. بنابراین اگر f از Df به Rf تابعی یک به یک باشد، آنگاه:

y=fx⇔f−1y=x    ;    Df=Rf−1Rf=Df−1 

مشتق تابع معكوس - پیمان گردلو 

در این حالت آنچه تغییر کرده است فقط جای دو محور متغیر مستقل و تابع است که عوض شده است، لذا معادله f و f-1 و حتی نمودارهای آنها یکی هستند، فقط در y=fx ، متغیر x متغیر مستقل است و y تابع است.

ولی در x=f−1y، متغیر y متغیر مستقل است و x تابع است یعنی در f-1 محور متغیر مستقل محور yهاست.

تمرین

تابع fx=x3 را در نظر بگیرید.

قرینه نمودار این تابع را نسبت به نیمساز ربع اول و سوم رسم کنید. 

مشتق تابع معكوس - پیمان گردلو

x=f−1y=y3

تفاروت این دو تابع در چیست؟

دو تابع y=x3x=y3 هیچ تفاوتی ندارند فقط در تابع اولی متغیر x است و در تابع دومی متغیر y است.


این کاملا مفهوم تابع معکوس را روشن می‌کند، اما مشکلی که وجود دارد آن است که در این حالت محورهای مختصات در f-1 در وضعیت طبیعی نمی‌باشند، محور متغیر مستقل قائم و محور متغیر وابسته افقی است.


این با وضعیت طبیعی محورها در f متفاوت است.


برای آن که به وضعیت طبیعی محورها برگردیم، نقش x و y را تعویض می‌کنیم. 

با تعویض نقش x و y، دو تابع به چه شکل های در می‌آید؟  

دو تابع به صورت های x=f−1y و y=f−1x تبدیل می‌شود. 


عملی که در اینجا انجام شد، معادل قرینه پیدا کردن نسبت به خط x=y است، اکنون دو تابع و دو نمودار f و f-1 نسبت به خط y=x قرینه می‌باشند. 

قضیه

ضریب زاویه هر خط، تانژانت زاوایه‌ای است که آن خط با جهت مثبت محور متغیر مستقل می‌سازد.

اثبات

مشتق تابع معكوس - پیمان گردلو


اگر خط y=mx+n مماس بر تابع y=fx در نقطه به ‌طول x باشد، آنگاه: 

خط y=mx+n مماس بر تابع معکوس در نقطه‌ای به طول y روی تابع معکوس می‌باشد.

مماس بر تابع و تابع معکوس یکی است فقط متغیر مستقل در آنها متفاوت است.

اگر تابع y=fx در نقطه به ‌طول x مشتق پذیر باشد و f'x=tanα و در این‌صورت f-1 در نقطه ای به‌ طول y مشتق‌پذیر است: 

f−1'y=tanβ

در شکل فوق داریم:

α+β=π2                   ⇒β=π2−α                 ⇒tanβ=tanπ2−α   ⇒tanβ=cotα              ⇒tanβ=1tanα                ⇒f−1'y=1f'x           

 مشتق تابع معکوس

قضیه

اگر f-1 مشتق ‌پذیر باشد، آنگاه مشتق تابع معکوس f به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

f−1'y=1f'x

اثبات

روش اول:

f−1ofx=x⇒f−1fx=x⇒f−1fx'=x'⇒f'xf−1'fx=1⇒f−1'fx=1f'x⇒f−1'y=1f'x


روش دوم:

fof−1x=x⇒ff−1x=x⇒ff−1x'=x'⇒f−1x'⋅f'f−1x=1⇒f−1x'=1f'f−1x

یادآوری

اگر a,b∈f آنگاه b,a∈f-1 و با شرط وجود مشتق ‌ها داریم: 


1- شیب مماس بر تابع معکوس در نقطه ای به طول b روی تابع معکوس برابرعکس شیب مماس بر تابع در نقطه ای به طول a روی تابع می‌باشد.

f−1'b=1f'a   ;    f'a≠0


مشتق تابع معكوس - پیمان گردلو


اگر f'a=0 خط مماس بر نمودار f در نقطه Aa,b موازی محور x ها خواهد بود و درنتیجه خط مماس بر نمودار f-1 در نقطه Bb,a موازی محور y ها خواهد بود که به معنای آن است که f-1 در b مشتق پذیر نیست. 


2- شیب قائم بر تابع معکوس در نقطه به طول b روی تابع معکوس برابر قرینه شیب مماس بر تابع در نقطه ای به طول a روی تابع می‌باشد:

−1f−1'b=−f'a

مشتق در نقطه به طول b روی تابع معکوس، عکس مشتق خود تابع در نقطه به طول a روی تابع است.

تذکر

اگر f تابعی پیوسته و یک به یک و f'a=0 آنگاه f-1 در نقطه b دارای مشتق متناهی نمی‌باشد و مشتق‌پذیر نیست. 

تمرین

نمودار توابع fx=x−1    ;    x∈1,5f−1x=x2+1   ;    x∈0,2 را در نظر بگیرید.

نمودار توابع فوق را در یک دستگاه مختصات رسم کنید.

مشتق تابع معكوس - پیمان گردلو


اگر خطوط مماس بر نمودارهای این دو تابع را در نقاط A و B بر f و f-1 رسم کنیم، خواهیم دید که دو خط d و d' نسبت به نیمساز ناحیه‌ اول قرینه‌ اند و شیب‌ های d و d' وارون یکدیگرند. 

مشتق تابع معکوس f را در نقطه x=2 بدست آورید.

fx=x−1f'x=x−1'2x−1⇒f'x=12x−1⇒f'5=125−1⇒f'5=14

f−1x=gxgx=x2+1⇒g'x=2x⇒g'2=22⇒g'2=4

g'2=1f'5

دریافت مثال

نکته

برای محاسبه مشتق دوم f-1 به‌صورت زیر عمل می‌کنیم: 

f−1'x=1f'f−1x

⇒f−1'​'x=−f−1'xf''f−1xf'f−1x2

⇒f−1'​'x=−1f'f−1x⋅f''f−1xf'f−1x2

⇒f−1'​'x=−f''f−1xf'f−1x3

⇒f−1'​'x=−f''yf'y3

دریافت مثال

 زاویه بین تابع و تابع معکوس در نقاط تلاقی

بنابر خاصیت تابع معکوس، اگر تابعی خط y=x را در نقطه‌ای قطع کند، تابع معکوس آن نیز خط y=x را در همان نقطه قطع می‌کند.

اما توجه داشته باشیم که ممکن است تابعی، تابع معکوس خود را در نقطه یا نقاطی قطع کند که روی خط y=x نباشند.

برای پیدا کردن زاویه بین تابع و تابع معکوس وقتی روی خط y=x متقاطع باشند، می‌توانیم زاویه بین تابع و خط y=x را پیدا کرده سپس آن را دو برابر کنیم.

به طور کلی اگر نمودار تابع f نمودار تابع معکوس خود را در نقطه‌ ای به مختصات a,b قطع کند، a,b هم روی تابع و هم روی تابع معکوس است.

تعریف

شیب مماس بر تابع در نقطه a,b برابر m1=f'a و شیب مماس بر تابع معکوس در همان نقطه a,b یعنی f−1'a برابر m2=1f'b است.

بنابراین زاویه بین دو تابع به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

tanα=m1−m21+m1m2

تمرین

زاویه بین تابع fx=-x3 و معکوس آن را در نقطه تلاقی با طول مثبت پیدا کنید.

y=−x3⇒x3=−y⇒x=−y3⇒f−1x=−x3


معادله تقاطع دو تابع فوق و مختصات نقاط تلاقی آنها را بدست می‌آوریم:

y=−x3y=−x3

−x3=−x3⇒x3=x3⇒x9=x⇒x9−x=0⇒xx8−1=0⇒x=0x8=1⇒x=±1


مشتق تابع معكوس - پیمان گردلو

چون طول نقطه مثبت اختیار شده است پس 1,-1 نقطه مورد نظر است:

fx=−x3⇒f'x=−3x2→x=1f'1=m1=−3

m2=f−1'1=1f'−1=−13

tanα=m1−m21+m1m2⇒tanα=−3+131+1=43⇒α=Arctan43

خرید پاسخ‌ها

مشتق تابع معكوس

12,000تومان
خرید فایل PDF مثال ها و جواب ها

برای ارسال نظر وارد سایت شوید