TASSI DI ACCRESCIMENTO
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- Adamo Angelini
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1 TASSI DI ACCRESCIMENTO Sia N il numero di individui di una data popolazione. N varia col tempo: N= f(t) Se indichiamo con t 1 e t 2 due istanti distinti di tempo, allora f(t 1 ) ed f(t 2 ) sono i numeri di individui corrispondenti. La differenza ΔN= f(t 2 ) - f(t 1 ) è la variazione totale dell ampiezza della popolazione nell intervallo di tempo da t 1 a t 2. Per ΔN>0 si ha un aumento, per ΔN<0 si ha una diminuzione. E rilevante anche la lunghezza dell intervallo di tempo Δt = t 2 - t 1
2 Il rapporto TASSI DI ACCRESCIMENTO ΔN Δt = f(t 2 ) - f(t 1 ) t 2 -t 1 rappresenta la variazione media per unità di tempo nell intervallo da t 1 a t 2. Diremo tale quantità tasso medio di variazione, detto anche tasso di accrescimento o, in termini matematici, rapporto incrementale. Si osserva che l accrescimento può essere talvolta una quantità negativa.
3 TASSI DI ACCRESCIMENTO Sia M=f(t) la massa di un certo alimento nutriente in funzione del tempo, supponiamo che l alimento si disgreghi chimicamente e, quindi M diminuisca nel tempo ΔM= f(t 2 ) - f(t 1 ) indica la diminuzione della massa nel passare dal tempo t 1 a t 2 ΔM Δt = f(t 2 ) - f(t 1 ) t 2 -t 1 Rappresenta il tasso medio di reazione. Per quanto supposto, se t 1 < t 2, tale tasso è negativo
4 TASSI DI ACCRESCIMENTO OSSERVAZIONE Non è necessario che la variabile libera sia il tempo, ad esempio potremmo pensare al tasso di variazione del volume di una cellula, supposta approssimativamente sferica, in funzione del raggio: V(r ) e considerare ΔV/Δr. Indichiamo, più in generale, y=f(x). Il tasso di variazione, o rapporto incrementale è Δy f(x 2 ) - f(x 1 ) Δx = x 2 - x 1
5 DERIVATE La variazione media è il coefficiente angolare della retta che collega i punti (x 1, f(x 1 )) e (x 2,f(x 2 )), che ha equazione y = f(x 1 ) + Δf Δx (x-x 1 ) Facciamo tendere x 2 a x 1 e consideriamo la variazione istantanea, che indicheremo indifferentemente lim x2 x 1 Δy Δx lim x 2 x 1 Δf Δx
6 DERIVATE Genericamente si indica il punto verso cui si fa tendere x con x 0 Δf f(x 1 ) - f(x 0 ) lim x1 x 0 Δx =lim x 1 x 0 x 1 - x 0 f(x 0 +Δx) - f(x 0 ) f(x 0 +h) - f(x 0 ) =lim Δx 0 Δx = lim h 0 h
7 DERIVATE Se il limite del rapporto incrementale esiste ed è finito, diremo che la funzione è derivabile in x 0. Il valore del limite viene detto derivata di f in x 0, ed indicato con varie simbologie lim x x0 Δy Δx = y'= f '(x 0 ) = dy dx = df dx = Df(x 0 )
8 DERIVATE In effetti il limite del rapporto incrementale non è detto che esista. Per esempio, scriviamo f(x) - f(x 0 ) = (x-x 0 ) f(x) - f(x 0 ) x-x 0 Se f è derivabile in x 0, allora per x x 0 il secondo membro tende a 0 (perché?); quindi f(x) tende a f(x 0 ), cioè f è continua in x 0
9 DERIVATE Possiamo quindi affermare che se la funzione non è continua in x 0 allora non può essere derivabile in x 0, vale a dire: f(x) derivabile in x 0 f(x) continua in x 0 Tuttavia la continuità in x 0 non assicura la derivabilità in x 0
10 DERIVATE Geometricamente l esistenza del limite del rapporto incrementale significa che le rette secanti per x e x 0 tendono ad una retta limite quando x tende a x 0. Questa retta è detta retta tangente al grafico di f in x 0 ed ha equazione y=f(x 0 ) + f (x 0 )(x-x 0 )
11 La derivata di una funzione costante, f(x)=c per ogni x, è 0, infatti [f(x+h)-f(x)]/h = (c - c)/h = 0 Pensando in termini geometrici non stupisce! Vale anche il viceversa Una funzione derivabile con derivata identicamente nulla su un intervallo è necessariamente costante su quell intervallo
12 La derivata di una funzione lineare, f(x)=mx+q costante, infatti [f(x+h)-f(x)]/h = [m(x+h) +q - (mx+q)]/h = mh/h =m è Pensando in termini geometrici non stupisce! La funzione valore assoluto f(x)= x non è derivabile in x=0, infatti il rapporto incrementale è h h, ed ha limite destro, per x che tende a 0, 1 e limite sinistro -1
13 Se le funzioni f e g sono derivabili in x anche la loro somma (o la loro differenza) è derivabile in x e si ha Provalo per esercizio! (f ± g) (x) = f (x) ± g (x) Due funzioni derivabili che hanno la stessa derivata differiscono per una costante additiva, infatti se f =g allora (f-g) = f -g =0, per cui f-g è una costante c e quindi f=g+c
14 La derivata di f(x)=ax 2 è f (x)= 2ax, infatti il rapporto incrementale [a(x+h) 2 - ax 2 ]/h = (2axh + ah 2 )/h = 2ax +ah quindi per h 0, si ottiene il limite f (x)=2ax La derivata di una funzione quadratica f(x) = ax 2 +bx+c è quindi f (x)= 2ax + b
15 Più in generale, si dimostra che la derivata di f(x)=ax n è f (x)= nax n-1 La derivata di un prodotto fg di due funzioni derivabili: [(fg)(x+h)-(fg)(x)]/h =[f(x+h)g(x+h)-f(x)g(x)]/h = [f(x+h)g(x+h) -f(x)g(x+h) +f(x)g(x+h)-f(x)g(x)]/h= [(f(x+h)-f(x))/h]g(x+h) + [(g(x+h)-g(x))/h]f(x) Passando al limite per h 0, si ha (fg) (x) = f (x)g(x) + f(x)g (x)
16 Supponiamo che f:i R sia una funzione derivabile in un punto x con f(x) 0 allora 1/f è derivabile in x e si ha (1/f) = -f / f 2 Dimostriamolo: [1/f(x+h) - 1/f(x)]/h = (f(x) - f(x+h))/(f(x+h)f(x)h)= -[(f(x+h)-f(x))/h] 1/(f(x+h)f(x) da cui, passando al limite per h 0, si ottiene il risultato annunciato Esempio: deriviamo 1/x 3, si ha (1/x 3 ) =-3x 2 /x 6 =-3x -4
17 Più in generale deriviamo 1/x n, si ha (1/x n ) =-nx n-1 /x 2n =-nx -n-1 Si osserva che poiché 1/x n = x -n, e si è ottenuto (x -n ) =-nx -n-1 la regola di derivazione per le potenze ad esponente naturale si estende anche alle potenze intere
18 Supponiamo che f e g siano funzioni derivabili in un punto x con g(x) 0 allora f/g è derivabile in x e si ha (f/g) = (f g-fg )/ g 2 Infatti, per la regola del prodotto, si ha (f/g) = (f 1/g) =f (1/g) + f (1/g) =f (1/g) +f (-g /g 2 )= = (f g-fg )/g 2
19 Esempio: deriviamo la seguente funzione razionale (x 2-3x+6)/(3x+2) per x -2/3 ((x 2-3x+6) (3x+2) - (x 2-3x+6)(3x+2) )/(3x+2) 2 = ((2x-3) (3x+2) - 3(x 2-3x+6))/(3x+2) 2 = (6x 2-5x -6-3x 2 +9x -18)/(9x 2 +12x+4)= (3x 2 +4x-24)/(9x 2 +12x+4)
20 Vogliamo determinare la derivata di una funzione composta go f, supponendo f derivabile in x e g derivabile in f(x), e la composizione go f definita vicino ad x, si ha (go f(x+h)- go f(x))/h = [g(f(x+h)) -g(f(x))]/h= [g(f(x)+f(x+h)-f(x))-g(f(x))]/(f(x+h)-f(x)) (f(x+h)-f(x))/h= [g(y+h 1 )-g(y)]/h 1 (f(x+h)-f(x))/h dove si è posto y=f(x) ed h 1 =f(x+h)-f(x). Poiché f, essendo derivabile, è anche continua, quando h tende a 0 anche h 1 tende a 0, e quindi passando al limite, otteniamo (go f) (x)=g (f(x))f (x)
21 Sia f una funzione invertibile, derivabile in un punto x, tale che f(x)=y, con f (x) 0, allora la funzione inversa f -1 è derivabile nel punto y=f(x) e vale (f -1 ) (y) = 1/f (f -1 (y)) Infatti, dal rapporto incrementale [f -1 (y+h)- f -1 (y)]/h= [f -1 (y+h)- x]/(y+h-y) = (x 1 -x)/[f(x 1 )-f(x)] = h 1 /[f(x+h 1 )-f(x)] dove si è posto x 1 = f -1 (y+h) ed h 1 = x 1 -x Poiché f -1 è continua in y, per h 0 anche h 1 0, quindi si ottiene la regola enunciata
22 Siamo in grado ora di calcolare la derivata della funzione potenza con esponente razionale x p/q. Tale funzione può essere vista come funzione composta go f(x), dove f(x)= x 1/q e g è la funzione potenza di esponente p, quindi, utilizzando la relazione vista per la derivata di una funzione composta, abbiamo (x p/q ) =((x 1/q ) p ) =p (x 1/q ) p-1 (x 1/q ) Dobbiamo calcolare la derivata di x 1/q che possiamo vedere come funzione inversa della funzione potenza con esponente q, si ottiene (x 1/q ) =1/[q (x 1/q ) q-1 ]=(1/q) (x (1-q)/q )
23 Ed infine (x p/q ) =((x 1/q ) p ) =p (x 1/q ) p-1 (x 1/q ) = p (x 1/q ) p-1 (1/q) (x (1-q)/q )= (p/q) x (p/q)-1 Possiamo quindi concludere che, anche per le potenze con esponente razionale, vale la stessa regola di derivazione delle potenze con esponente naturale.
24 Calcoliamo la derivata della funzione logaritmo in base naturale, si ha [log(x+h) - logx]/h =(log[(x+h)/x])/h = log(1+h/x) 1/h Ricordiamo che lim n (1+a/n) n = e a quindi, indicando con a=1/x, e ponendo h=1/n, si ottiene che lim h 0 (1+h/x) 1/h = e 1/x per cui il limite del rapporto incrementale esiste ed è uguale a log( e 1/x )= 1/x La derivata del logaritmo in base naturale è 1/x
25 Si osserva che il calcolo della derivata per un logaritmo in una base b diversa dalla naturale procederebbe in modo analogo e si avrebbe (log b x) =log b ( e 1/x )=(1/x) log b e =1/(x logb) dove, nell ultima uguaglianza, si è applicato il cambiamento di base, ripordandoci alla base naturale
26 Per ottenere la derivata della funzione exp(x)=e x, possiamo applicare il teorema per la derivata della funzione inversa, considerando e x come funzione inversa di logx, si ha (e x ) = 1/(1/ e x ) = e x per cui la derivata della funzione esponenziale con base e è uguale alla funzione stessa Per una funzione esponenziale di base b>0, possiamo considerare la relazione b x =exp(xlogb), per cui, utilizzando la derivata di una funzione composta, si ha (b x ) =(logb) b x
27 Possiamo analogamente calcolare la derivata di una qualsiasi funzione potenza x α, dalla relazione x α =exp(log x α )=exp(αlogx), per cui (x α ) = x α (α/x)= αx α 1 Tale regola di derivazione per una funzione potenza vale, quindi, per ogni esponente reale
28 Calcoliamo la derivata della funzione sinx: Scriviamo il rapporto incrementale e usiamo le formule di prostaferesi [sin(x+h)-sinx]/h= [2cos((x+h+x)/2)sin((x+h)-x)/2)]/h= [2cos(2x+h)sin(h/2)]/h =cos(2h+x)sin(h/2)/(h/2) Passando al limite per h 0 e ricordando che lim x 0 (sinx)/x =1, otteniamo (sinx) = cosx In modo analogo si ottiene (cosx) = - sinx
29 Per la derivata della funzione tanx, teniamo conto che tanx=sinx/cosx, applichiamo quindi la regola di derivazione per il rapporto tra due funzioni (tanx) = [cosxcosx-sinx(-sinx)]/(cosx) 2 =1/ (cosx) 2 Per la derivata della funzione arcsinx, usiamo la derivata della funzione inversa (arcsinx) = 1/cos(arcsinx), poiché cost=sqr(1-sin 2 t) nell intervallo [-π/2, π/2] dove è possibile invertire sint, si ottiene (arcsinx) =1/sqr(1-sin 2 (arcsinx))=1/sqr(1-x 2 )
30 Analogamente per la derivata della funzione arccosx, si ottiene (arccosx) = -1/sqr(1-x 2 ) Per la derivata della funzione arctanx, si ha (arctanx) = cos 2 (arctanx) scrivendo 1+tan 2 x=1+sin 2 x/cos 2 x=1/cos 2 x, si ha cos 2 x=1/(1+tan 2 x), da cui (arctanx) =1/(1+ tan 2 (arctanx))=1/(1+x 2 )
CALCOLO DI DERIVATE. Passando al limite per h 0, si ha (fg) (x) = f (x)g(x) + f(x)g (x)
La derivata di un prodotto fg di due funzioni derivabili: [(fg)(x+h)-(fg)(x)]/h =[f(x+h)g(x+h)-f(x)g(x)]/h = [f(x+h)g(x+h) -f(x)g(x+h) +f(x)g(x+h)-f(x)g(x)]/h= [(f(x+h)-f(x))/h]g(x+h) + [(g(x+h)-g(x))/h]f(x)
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