Derivazione di funzioni composte, quozienti e inverse; derivate laterali e classificazione dei punti di non derivabilità.
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1 Derivazione della funzione composta
Teorema 1 (Regola della catena). Sia g derivabile in x0 e sia f derivabile in y0=g(x0). Supponiamo che la funzione composta h(x)=f(g(x)),h=f∘g,h(x)=f(g(x)),h=f∘g, sia definita in un intorno di x0. Allora h è derivabile in x0 e h′(x0)=f′(g(x0))g′(x0).
Dimostrazione. Poniamo y0=g(x0) e consideriamo il rapporto incrementale esteso A(y)=⎩⎨⎧y−y0f(y)−f(y0),f′(y0),y=y0,y=y0. Per la derivabilità di f in y0, si ha A(y)→f′(y0) per y→y0. Inoltre, g è continua in x0, poiché è derivabile; pertanto g(x)→g(x0)=y0 per x→x0.
Per x=x0 possiamo dunque scrivere x−x0h(x)−h(x0)=A(g(x))x−x0g(x)−g(x0). Questa identità vale anche quando g(x)=g(x0), perché entrambi i membri sono nulli. Passando al limite, h′(x0)=f′(y0)g′(x0)=f′(g(x0))g′(x0). ◻
Esempio: composizione con il seno
Siano f(x)=sinx e g(x)=x2+3x+2. La funzione composta è h(x)=sin(x2+3x+2). Applicando la regola della catena, si ottiene h′(x)=cos(x2+3x+2)(2x+3).
2 Derivazione di un quoziente
Teorema 2 (Regola del quoziente). Siano f e g derivabili in x0, con g(x0)=0. Allora la funzione h(x)=g(x)f(x) è derivabile in x0 e h′(x0)=g2(x0)f′(x0)g(x0)−f(x0)g′(x0).
Dimostrazione. Poiché g è continua in x0 e g(x0)=0, il denominatore non si annulla in un opportuno intorno di x0. Scriviamo h(x)=f(x)k(g(x)),k(t)=t1.h(x)=f(x)k(g(x)),k(t)=t1. Essendo k′(t)=−1/t2, per la regola della catena si ha (k∘g)′(x0)=k′(g(x0))g′(x0)=−g2(x0)g′(x0). Applicando la regola di derivazione del prodotto, h′(x0)=f′(x0)k(g(x0))+f(x0)(k∘g)′(x0)=g(x0)f′(x0)−g2(x0)f(x0)g′(x0)=g2(x0)f′(x0)g(x0)−f(x0)g′(x0). ◻
2.1 Esempio: derivata della tangente
Per x=π/2+kπ, con k∈Z, si ha f(x)=tanx=cosxsinx. Pertanto f′(x)=cos2xcosxcosx−sinx(−sinx)=cos2xcos2x+sin2x=cos2x1=1+tan2x. Quindi (tanx)′=cos2x1=1+tan2x.
3 Derivazione della funzione inversa
Teorema 3 (Derivata della funzione inversa). Sia f:I→J una funzione invertibile tra intervalli, e sia g=f−1 la sua inversa. Sia x0 un punto interno di J. Se g è continua in x0, f è derivabile in g(x0) e f′(g(x0))=0, allora g è derivabile in x0 e g′(x0)=f′(g(x0))1.
Dimostrazione. Poiché f(g(x))=x, ponendo y=g(x) e y0=g(x0) si ottiene, per x=x0, x−x0g(x)−g(x0)=f(y)−f(y0)y−y0=y−y0f(y)−f(y0)1. Per la continuità di g, da x→x0 segue y→y0. Il denominatore tende a f′(y0)=0, dunque g′(x0)=f′(y0)1=f′(g(x0))1. La formula corrisponde all’identità ottenuta derivando f(g(x))=x: f′(g(x0))g′(x0)=1. ◻
3.1 Esempio: derivata dell’arcotangente
Consideriamo f(t)=tant,−2π<t<2π,g(x)=arctgx.f(t)=tant,−2π<t<2π,g(x)=arctgx. Poiché f′(t)=1+tan2t, applicando la regola della funzione inversa si ottiene g′(x)=f′(g(x))1=1+tan2(arctgx)1=1+x21, avendo usato tan(arctgx)=x. Pertanto (arctgx)′=1+x21,x∈R.
3.2 Esempio: derivata della radice cubica
La funzione g(x)=3x=x1/3 è l’inversa di f(t)=t3, la cui derivata è f′(t)=3t2. Per x=0 risulta quindi g′(x)=f′(g(x))1=3(3x)21=33x21. In conclusione, (3x)′=33x21,x=0.
Studio in x0=0. Calcoliamo direttamente il limite del rapporto incrementale: x→0limx−0g(x)−g(0)=x→0limx3x=x→0lim3x21=+∞. Poiché il limite non è finito, g non è derivabile in 0.
3.3 Esempio: derivata di 3x2
Per x=0 consideriamo h(x)=3x2=x2/3=(3x)2. Scrivendo h=f∘k, con f(t)=3t,k(x)=x2,f(t)=3t,k(x)=x2, la regola della catena fornisce h′(x)=f′(k(x))k′(x)=33(x2)22x=33x42x=33x2. Quindi (3x2)′=33x2,x=0. Per le potenze razionali, con q∈Q e x>0, vale la regola (xq)′=qxq−1.
Studio in x0=0. Il rapporto incrementale è x−0h(x)−h(0)=x3x2=3x1,x=0.x−0h(x)−h(0)=x3x2=3x1,x=0. I suoi limiti laterali sono x→0+lim3x1=+∞,x→0−lim3x1=−∞.x→0+lim3x1=+∞,x→0−lim3x1=−∞. Pertanto h non è derivabile in 0.
3.4 Esempio: prodotto con una funzione composta
Consideriamo f(x)=sin(3x)sinx.Caso x=0. Applicando la regola del prodotto e quella della catena, f′(x)=(sin(3x))′sinx+sin(3x)cosx=cos(3x)(3x)′sinx+sin(3x)cosx=33x2cos(3x)sinx+sin(3x)cosx. Questa formula vale soltanto per x=0.
Caso x0=0. Poiché f(0)=0, si calcola direttamente f′(0)=x→0limx−0f(x)−f(0)=x→0limsin(3x)xsinx=0⋅1=0. La funzione è dunque derivabile anche in 0, con f′(0)=0.
4 Derivate laterali e punti di non derivabilità
Definizione 4 (Derivata destra e derivata sinistra). La derivata destra di f in x0 è f+′(x0)=x→x0+limx−x0f(x)−f(x0), quando il limite esiste ed è finito. La derivata sinistra è f−′(x0)=x→x0−limx−x0f(x)−f(x0), quando il limite esiste ed è finito.
Se f è definita in un intorno di x0, la derivabilità si caratterizza con f derivabile in x0⟺∃L∈R:f+′(x0)=f−′(x0)=L.f derivabile in x0⟺∃L∈R:f+′(x0)=f−′(x0)=L. Occorrono entrambe le derivate laterali, finite e uguali.
Quando questi limiti sono infiniti, le notazioni f+′(x0) e f−′(x0) vengono usate in senso esteso; non indicano derivate finite.
Esempio: limiti laterali infiniti in 0
Per f(x)=3x, si ha f+′(0)=+∞,f−′(0)=+∞.f+′(0)=+∞,f−′(0)=+∞.
Per f(x)=3x2, si ha f+′(0)=+∞,f−′(0)=−∞.f+′(0)=+∞,f−′(0)=−∞.
4.1 Radice cubica: flesso a tangente verticale
Il grafico di f(x)=3x presenta nell’origine un punto di flesso a tangente verticale. La tangente è la retta x=0, che non si può rappresentare nella forma y=mx+q.
4.2 Radice cubica del quadrato: cuspide
Il grafico di f(x)=3x2 presenta nell’origine un punto di cuspide: il rapporto incrementale tende a −∞ da sinistra e a +∞ da destra.
4.3 Valore assoluto: punto angoloso
Consideriamo f(x)=∣x∣={x,−x,x≥0,x<0. Per x=0 la derivata è f′(x)={1,−1,x>0,x<0. In 0 si deve invece studiare il rapporto incrementale: x−0f(x)−f(0)=x∣x∣,x=0.x−0f(x)−f(0)=x∣x∣,x=0. Si ottiene f+′(0)f−′(0)=x→0+limxx=1,=x→0−limx−x=−1. Poiché le due derivate laterali sono diverse, f′(0) non esiste: l’origine è un punto angoloso.
4.4 Esempio conclusivo: funzione definita a tratti
Consideriamo la funzione f(x)={x2−x,x2+x,x≤0,x>0. Per x=0, derivando separatamente le due espressioni, f′(x)={2x−1,2x+1,x<0,x>0.