MAT1051 · 5. hafta · Introduction to the Derivative, the Product Rule and the Quotient Rule

Türevin tanımı, çarpım ve bölüm kuralları

Türevi limit tanımından hesaplama, teğet doğrusu, türevlenebilirlik, kuvvet kuralı, çarpım ve bölüm kuralları. 'Use the definition' sorusu vizede neredeyse kesin.

derivativedifference quotienttangent linedifferentiablepower ruleproduct rulequotient rulehigher-order derivativevelocityacceleration

Türev (derivative), “anlık değişim hızı” ve “teğet doğrusunun eğimi” demek. Bu hafta iki şey öğreniyorsun: türevi tanımdan (limit olarak) hesaplamak ve kurallarla hızlıca hesaplamak. Sınavda ikisi ayrı ayrı sorulur. “Use the definition” yazıyorsa kuralla bulduğun cevaba puan verilmez. Önemli noktalar:

  1. Tanım: f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)hf'(x)=\lim_{h\to0}\dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}. Her zaman 00\tfrac00 verir, cebirle hh‘yi sadeleştirirsin.
  2. Teğet doğrusu: y−f(a)=f′(a)(x−a)y-f(a)=f'(a)(x-a).
  3. Kökleri ve kesirleri önce kuvvet olarak yaz, sonra kuvvet kuralı.
  4. Çarpımın türevi türevlerin çarpımı değildir. (fg)′=f′g+fg′(fg)'=f'g+fg'.
  5. Bölüm kuralında sıra önemli: f′g−fg′g2\dfrac{f'g-fg'}{g^2}.

Türevin tanımı

ff‘in aa noktasındaki türevi:

f′(a)=lim⁡h→0f(a+h)−f(a)hf'(a)=\lim_{h\to0}\frac{f(a+h)-f(a)}{h}

Kesir, aa ile a+ha+h noktalarından geçen kesen doğrunun (secant line) eğimi. hh sıfıra giderken kesen doğru teğete (tangent line) dönüşür. Limit varsa ff, aa‘da türevlenebilirdir (differentiable).

Gösterimler: f′(x)f'(x), y′y', dydx\dfrac{dy}{dx}, ddxf(x)\dfrac{d}{dx}f(x).

Tanımdan hesaplama: üç tip

Örnek 1 (polinom). f(x)=x2f(x)=x^2, a=3a=3.

f(3+h) = 9 + 6h + h^2
f(3+h) - f(3) = 6h + h^2
[ ... ] / h = 6 + h
h -> 0:  f'(3) = 6

Teğet doğrusu (3,9)(3,9)‘dan geçer, eğimi 66: y−9=6(x−3)y-9=6(x-3), yani y=6x−9y=6x-9.

Örnek 2 (kesir). f(x)=1xf(x)=\dfrac1x. Paydaları eşitle:

1h(1x+h−1x)=1h⋅x−(x+h)x(x+h)=−1x(x+h) →h→0 −1x2\frac{1}{h}\left(\frac{1}{x+h}-\frac1x\right)=\frac1h\cdot\frac{x-(x+h)}{x(x+h)}=\frac{-1}{x(x+h)}\ \xrightarrow{h\to0}\ -\frac{1}{x^2}

Örnek 3 (kök). f(x)=xf(x)=\sqrt x. Eşlenikle çarp:

x+h−xh⋅x+h+xx+h+x=hh(x+h+x) →h→0 12x\frac{\sqrt{x+h}-\sqrt x}{h}\cdot\frac{\sqrt{x+h}+\sqrt x}{\sqrt{x+h}+\sqrt x}=\frac{h}{h(\sqrt{x+h}+\sqrt x)}\ \xrightarrow{h\to0}\ \frac{1}{2\sqrt x}

TUZAK · hh‘yi erken sıfırlamak. hh paydadan tamamen gitmeden h=0h=0 koyarsan 00\tfrac00 elde edersin. Önce sadeleştir, sonra limit al.

Türev de bir fonksiyon

aa yerine değişken xx koyduğunda f′(x)f'(x) yeni bir fonksiyon olur: her noktaya o noktadaki eğimi atar. Bu yüzden türevin grafiğini ff‘in grafiğinden okuyabilirsin:

  • ff artıyorsa f′>0f'>0 (grafik eksenin üstünde),
  • ff azalıyorsa f′<0f'<0,
  • ff‘in tepe ya da çukur noktasında yatay teğet var, f′=0f'=0.

Sınavda “aşağıdaki grafiklerden hangisi f′f'‘nün grafiği?” sorusu bu üç cümleyle çözülür. 9. haftada aynı fikri tersine kullanıp f′f'‘nün işaretinden ff‘in şeklini çizeceksin.

Bir de ortalama ve anlık değişim farkı var. [a,b][a,b] aralığındaki ortalama değişim hızı f(b)−f(a)b−a\dfrac{f(b)-f(a)}{b-a}, yani kesen eğimi. Anlık değişim hızı f′(a)f'(a). Fizikte ortalama hız ile o andaki hız farkı bu.

Türevlenebilirlik ve süreklilik

Teorem: ff, aa‘da türevlenebilir ise aa‘da süreklidir. Tersi doğru değil.

f(x)=∣x∣f(x)=|x| fonksiyonu 00‘da sürekli. Ama

lim⁡h→0+∣h∣h=1,lim⁡h→0−∣h∣h=−1\lim_{h\to0^+}\frac{|h|}{h}=1,\qquad \lim_{h\to0^-}\frac{|h|}{h}=-1

Tek taraflı türevler farklı, f′(0)f'(0) yok. Grafikte sivri köşe (corner) var.

Türevin olmadığı tipik yerler: köşe, sivri uç (cusp, örneğin x2/3x^{2/3}‘te 00), dikey teğet (x3\sqrt[3]{x}‘te 00), süreksizlik noktası.

Türev kuralları

KuralFormül
Sabit(c)′=0(c)'=0
Kuvvet (power rule)(xn)′=nxn−1(x^n)'=nx^{n-1}, her reel nn için
Sabitle çarpım(cf)′=cf′(cf)'=cf'
Toplam/fark(f±g)′=f′±g′(f\pm g)'=f'\pm g'
Çarpım (product rule)(fg)′=f′g+fg′(fg)'=f'g+fg'
Bölüm (quotient rule)(fg)′=f′g−fg′g2\left(\dfrac fg\right)'=\dfrac{f'g-fg'}{g^2}

Örnek 4 (kuvvet kuralı). y=3x4−2x+5x23y=3x^4-\dfrac2x+5\sqrt[3]{x^2}.

Önce kuvvet olarak yaz: y=3x4−2x−1+5x2/3y=3x^4-2x^{-1}+5x^{2/3}. Sonra:

y′=12x3+2x−2+103x−1/3=12x3+2x2+103x3y'=12x^3+2x^{-2}+\frac{10}{3}x^{-1/3}=12x^3+\frac{2}{x^2}+\frac{10}{3\sqrt[3]{x}}

Örnek 5 (çarpım). y=(2x+1)(x2−3)y=(2x+1)(x^2-3).

y′=2⏟f′(x2−3)+(2x+1)2x⏟g′=2x2−6+4x2+2x=6x2+2x−6y'=\underbrace{2}_{f'}(x^2-3)+(2x+1)\underbrace{2x}_{g'}=2x^2-6+4x^2+2x=6x^2+2x-6

Örnek 6 (bölüm). y=x2x+1y=\dfrac{x^2}{x+1}.

y′=2x(x+1)−x2⋅1(x+1)2=x2+2x(x+1)2y'=\frac{2x(x+1)-x^2\cdot1}{(x+1)^2}=\frac{x^2+2x}{(x+1)^2}

Bölüm kuralını hatırlamak için: “alt çarpı üstün türevi, eksi üst çarpı altın türevi, bölü alt kare”.

Kurallar nereden geliyor?

Kuvvet kuralı, tanıma binom açılımı uygulanınca çıkar: (x+h)n=xn+nxn−1h+(…)(x+h)^n=x^n+nx^{n-1}h+(\ldots), parantezin içi h2h^2 ve daha yüksek kuvvetleri içeren terimler. Farkı hh‘ye bölünce nxn−1nx^{n-1} kalır, geri kalan her terimde hh olduğu için sıfıra gider.

Çarpım kuralında ise tanımda f(x+h)g(x)f(x+h)g(x) terimini bir ekleyip bir çıkarırsın:

f(x+h)g(x+h)−f(x)g(x)h=f(x+h)g(x+h)−g(x)h+g(x)f(x+h)−f(x)h\frac{f(x+h)g(x+h)-f(x)g(x)}{h}=f(x+h)\frac{g(x+h)-g(x)}{h}+g(x)\frac{f(x+h)-f(x)}{h}

h→0h\to0 iken ilk terim f(x)g′(x)f(x)g'(x), ikincisi g(x)f′(x)g(x)f'(x) olur. (f(x+h)→f(x)f(x+h)\to f(x) kısmı, türevlenebilir fonksiyonun sürekli olmasından geliyor.) İspatı sınavda nadiren sorarlar ama “neden f′g′f'g' değil” sorusunun cevabı bu.

Üç çarpan için kural aynı mantıkla uzar: her seferinde bir çarpanın türevini al, diğerlerini olduğu gibi bırak.

(fgh)′=f′gh+fg′h+fgh′(fgh)'=f'gh+fg'h+fgh'

Örnek 7. y=x(x+1)(x−2)y=x(x+1)(x-2) için y′=(x+1)(x−2)+x(x−2)+x(x+1)=3x2−2x−2y'=(x+1)(x-2)+x(x-2)+x(x+1)=3x^2-2x-2. Kontrol için aç: y=x3−x2−2xy=x^3-x^2-2x, y′=3x2−2x−2y'=3x^2-2x-2. Aynı.

TUZAK · gereksiz bölüm kuralı. y=x3+1xy=\dfrac{x^3+1}{x} için bölüm kuralı yerine önce böl: y=x2+x−1y=x^2+x^{-1}, y′=2x−x−2y'=2x-x^{-2}. Daha kısa, hata riski az. Payda sabitse (x25\tfrac{x^2}{5}) asla bölüm kuralı kullanma.

Yüksek mertebeden türevler

y′′=d2ydx2y''=\dfrac{d^2y}{dx^2}, türevin türevi. y′′′y''', y(4)y^{(4)}, … böyle devam eder.

Örnek 8. y=x4−2x3y=x^4-2x^3: y′=4x3−6x2y'=4x^3-6x^2, y′′=12x2−12xy''=12x^2-12x, y′′′=24x−12y'''=24x-12, y(4)=24y^{(4)}=24, y(5)=0y^{(5)}=0. Polinomda her türev dereceyi bir düşürür; nn. dereceden polinomun (n+1)(n+1). türevi sıfırdır.

Fiziksel anlam: hız ve ivme

Konum s(t)s(t) ise hız (velocity) v(t)=s′(t)v(t)=s'(t), ivme (acceleration) a(t)=v′(t)=s′′(t)a(t)=v'(t)=s''(t). Hızın işareti yönü verir: v>0v>0 ileri, v<0v<0 geri. Sürat (speed) ise ∣v∣|v|.

Örnek 9. s(t)=t3−6t2+9ts(t)=t^3-6t^2+9t (metre, saniye). v(t)=3t2−12t+9v(t)=3t^2-12t+9, a(t)=6t−12a(t)=6t-12. t=2t=2‘de v=12−24+9=−3v=12-24+9=-3 m/s (geri gidiyor), a=0a=0. Cisim v=0v=0 olduğunda, yani 3(t−1)(t−3)=0⇒t=13(t-1)(t-3)=0 \Rightarrow t=1 ve t=3t=3‘te durur.

Teğet ve normal doğrusu

x=ax=a noktasında:

  • Teğet (tangent): y−f(a)=f′(a)(x−a)y-f(a)=f'(a)(x-a)
  • Normal (teğete dik): y−f(a)=−1f′(a)(x−a)y-f(a)=-\dfrac{1}{f'(a)}(x-a), f′(a)≠0f'(a)\ne0 ise

“Yatay teğet nerede?” sorusu f′(x)=0f'(x)=0 denklemidir. “Teğeti verilen doğruya paralel” ise eğimleri eşitlersin.

Örnek 10. y=x2−3x+4y=x^2-3x+4 eğrisinin hangi noktasındaki teğet y=5x−2y=5x-2 doğrusuna paraleldir?

paralel -> eğimler eşit:  y' = 2x - 3 = 5   ->  x = 4
nokta:  y(4) = 16 - 12 + 4 = 8    ->  (4, 8)
teğet:  y - 8 = 5(x - 4)          ->  y = 5x - 12

Örnek 11. y=xy=\sqrt x eğrisine x=4x=4‘te normal doğrusu. Nokta (4,2)(4,2). Teğet eğimi 124=14\tfrac{1}{2\sqrt4}=\tfrac14, normal eğimi −4-4. Normal: y−2=−4(x−4)y-2=-4(x-4), yani y=−4x+18y=-4x+18.

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
(fg)′=f′g′(fg)'=f'g'f′g+fg′f'g+fg'
(fg)′=f′g′\left(\dfrac fg\right)'=\dfrac{f'}{g'}f′g−fg′g2\dfrac{f'g-fg'}{g^2}
Bölümde fg′−f′gfg'-f'g sırasıÖnce üstün türevi: f′g−fg′f'g-fg'; sıra ters olursa işaret ters
(1x2)′=12x\left(\dfrac{1}{x^2}\right)'=\dfrac{1}{2x}(x−2)′=−2x−3(x^{-2})'=-2x^{-3}
(x)′=x/2(\sqrt x)'=\sqrt{x}/212x−1/2=12x\tfrac12x^{-1/2}=\dfrac{1}{2\sqrt x}
(π2)′=2π(\pi^2)'=2\piSabit, türevi 00
Tanımdan sorulmuş, kuralla çözmek“Use the definition” ise limitle göster
Sürekli ise türevlenebilir∣x∣\lvert x\rvert sürekli ama 00‘da türevi yok
Teğet denkleminde f(a)f(a) yerine f′(a)f'(a) koymakNokta f(a)f(a)‘dan, eğim f′(a)f'(a)‘dan

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

Use the definition of the derivative to find f′(x)f'(x) for f(x)=3x2−5xf(x)=3x^2-5x.

Cevabı göster
f'(x) = 6x - 5

f(x+h)=3(x+h)2−5(x+h)=3x2+6xh+3h2−5x−5hf(x+h)=3(x+h)^2-5(x+h)=3x^2+6xh+3h^2-5x-5h. Fark: f(x+h)−f(x)=6xh+3h2−5hf(x+h)-f(x)=6xh+3h^2-5h. hh'ye böl: 6x+3h−56x+3h-5. h→0h\to0: f′(x)=6x−5f'(x)=6x-5.

Soru 2orta

Use the definition of the derivative to find f′(x)f'(x) for f(x)=1x+2f(x)=\dfrac{1}{x+2}.

Cevabı göster
f′(x)=−1(x+2)2f'(x)=-\dfrac{1}{(x+2)^2}

f(x+h)−f(x)h=1h(1x+h+2−1x+2)=1h⋅(x+2)−(x+h+2)(x+h+2)(x+2)=−1(x+h+2)(x+2)\dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}=\dfrac{1}{h}\left(\dfrac{1}{x+h+2}-\dfrac{1}{x+2}\right)=\dfrac{1}{h}\cdot\dfrac{(x+2)-(x+h+2)}{(x+h+2)(x+2)}=\dfrac{-1}{(x+h+2)(x+2)}. h→0h\to0: −1(x+2)2-\dfrac{1}{(x+2)^2}.

Soru 3orta

Use the definition of the derivative to find f′(x)f'(x) for f(x)=2x+1f(x)=\sqrt{2x+1}.

Cevabı göster
f′(x)=12x+1f'(x)=\dfrac{1}{\sqrt{2x+1}}

Eşlenikle çarp: 2x+2h+1−2x+1h⋅2x+2h+1+2x+12x+2h+1+2x+1=2hh(2x+2h+1+2x+1)\dfrac{\sqrt{2x+2h+1}-\sqrt{2x+1}}{h}\cdot\dfrac{\sqrt{2x+2h+1}+\sqrt{2x+1}}{\sqrt{2x+2h+1}+\sqrt{2x+1}}=\dfrac{2h}{h(\sqrt{2x+2h+1}+\sqrt{2x+1})}. hh sadeleşir, h→0h\to0: 222x+1=12x+1\dfrac{2}{2\sqrt{2x+1}}=\dfrac{1}{\sqrt{2x+1}}.

Soru 4kolay

Differentiate y=4x5−3x2+6xy=4x^5-\dfrac{3}{x^2}+6\sqrt{x}.

Cevabı göster
y′=20x4+6x3+3xy'=20x^4+\dfrac{6}{x^3}+\dfrac{3}{\sqrt x}

Önce kuvvet olarak yaz: y=4x5−3x−2+6x1/2y=4x^5-3x^{-2}+6x^{1/2}. Kuvvet kuralı: 20x4−3(−2)x−3+6⋅12x−1/2=20x4+6x−3+3x−1/220x^4-3(-2)x^{-3}+6\cdot\tfrac12x^{-1/2}=20x^4+6x^{-3}+3x^{-1/2}.

Soru 5kolay

Differentiate y=(x2+1)(x3−2x)y=(x^2+1)(x^3-2x).

Cevabı göster
y′=5x4−3x2−2y'=5x^4-3x^2-2

Çarpım kuralı: y′=2x(x3−2x)+(x2+1)(3x2−2)=2x4−4x2+3x4−2x2+3x2−2=5x4−3x2−2y'=2x(x^3-2x)+(x^2+1)(3x^2-2)=2x^4-4x^2+3x^4-2x^2+3x^2-2=5x^4-3x^2-2. Kontrol: önce açarsan y=x5−x3−2xy=x^5-x^3-2x, türevi aynı.

Soru 6orta

Differentiate y=3x−1x2+4y=\dfrac{3x-1}{x^2+4}.

Cevabı göster
y′=−3x2+2x+12(x2+4)2y'=\dfrac{-3x^2+2x+12}{(x^2+4)^2}

Bölüm kuralı: (pay)′⋅payda−pay⋅(payda)′(payda)2=3(x2+4)−(3x−1)(2x)(x2+4)2=3x2+12−6x2+2x(x2+4)2=−3x2+2x+12(x2+4)2\dfrac{(\text{pay})'\cdot\text{payda}-\text{pay}\cdot(\text{payda})'}{(\text{payda})^2}=\dfrac{3(x^2+4)-(3x-1)(2x)}{(x^2+4)^2}=\dfrac{3x^2+12-6x^2+2x}{(x^2+4)^2}=\dfrac{-3x^2+2x+12}{(x^2+4)^2}.

Soru 7kolay

Find the equation of the tangent line to y=x3−2x+1y=x^3-2x+1 at x=2x=2.

Cevabı göster
y = 10x - 15

Nokta: y(2)=8−4+1=5y(2)=8-4+1=5, yani (2,5)(2,5). Eğim: y′=3x2−2y'=3x^2-2, y′(2)=10y'(2)=10. Doğru: y−5=10(x−2)⇒y=10x−15y-5=10(x-2) \Rightarrow y=10x-15.

Soru 8kolay

At which xx-values does y=x3−3x2−9x+2y=x^3-3x^2-9x+2 have a horizontal tangent line?

Cevabı göster
x = -1 and x = 3

Yatay teğet: eğim sıfır. y′=3x2−6x−9=3(x2−2x−3)=3(x−3)(x+1)=0y'=3x^2-6x-9=3(x^2-2x-3)=3(x-3)(x+1)=0. x=3x=3 ve x=−1x=-1.

Soru 9orta

Suppose f(2)=3f(2)=3, f′(2)=−1f'(2)=-1, g(2)=4g(2)=4, g′(2)=5g'(2)=5. Find (fg)′(2)(fg)'(2) and (fg)′(2)\left(\dfrac fg\right)'(2).

Cevabı göster
(fg)′(2)=11(fg)'(2)=11, (f/g)′(2)=−1916(f/g)'(2)=-\dfrac{19}{16}

(fg)′=f′g+fg′=(−1)(4)+(3)(5)=11(fg)'=f'g+fg'=(-1)(4)+(3)(5)=11. (fg)′=f′g−fg′g2=(−1)(4)−(3)(5)16=−1916\left(\dfrac fg\right)'=\dfrac{f'g-fg'}{g^2}=\dfrac{(-1)(4)-(3)(5)}{16}=-\dfrac{19}{16}.

Soru 10zor

Find aa and bb so that f(x)={x2,x≤1ax+b,x>1f(x)=\begin{cases}x^2, & x\le 1\\ ax+b, & x>1\end{cases} is differentiable at x=1x=1.

Cevabı göster
a = 2, b = -1

Türevlenebilir olması için önce sürekli olmalı: 1=a+b1=a+b. Sonra sol ve sağ türevler eşit olmalı: soldan (x2)′=2x→2(x^2)'=2x\to 2, sağdan (ax+b)′=a(ax+b)'=a. Yani a=2a=2, b=−1b=-1. (y=2x−1y=2x-1, parabolün x=1x=1'deki teğeti.)

Soru 11orta

Show that f(x)=∣x−3∣f(x)=|x-3| is continuous but not differentiable at x=3x=3.

Cevabı göster
Left derivative -1, right derivative 1; they differ.

Süreklilik: lim⁡x→3∣x−3∣=0=f(3)\lim_{x\to3}|x-3|=0=f(3). Türev: f(3+h)−f(3)h=∣h∣h\dfrac{f(3+h)-f(3)}{h}=\dfrac{|h|}{h}. h→0+h\to0^+ iken 11, h→0−h\to0^- iken −1-1. Tek taraflı limitler farklı, f′(3)f'(3) yok. Grafikte x=3x=3'te sivri köşe var.

Soru 12zor

Find y′′y'' for y=xx+1y=\dfrac{x}{x+1} and evaluate y′′(1)y''(1).

Cevabı göster
y′′=−2(x+1)3y''=-\dfrac{2}{(x+1)^3}, y′′(1)=−14y''(1)=-\dfrac14

y′=1⋅(x+1)−x⋅1(x+1)2=1(x+1)2=(x+1)−2y'=\dfrac{1\cdot(x+1)-x\cdot1}{(x+1)^2}=\dfrac{1}{(x+1)^2}=(x+1)^{-2}. y′′=−2(x+1)−3=−2(x+1)3y''=-2(x+1)^{-3}=-\dfrac{2}{(x+1)^3}. x=1x=1: −28=−14-\dfrac{2}{8}=-\dfrac14.

Doğrulama: Tüm türevler node ile kontrol edildi (verify/MAT1051/05.mjs): sembolik cevap, merkezi fark (h = 1e-5) ile hesaplanan sayısal türevle beş farklı noktada karşılaştırıldı; ikinci türevler ikinci fark formülüyle, tek taraflı türevler fark bölümünün tek taraflı limitiyle.

Deftere not kartı

f'(x) = lim (h->0) [f(x+h) - f(x)] / h (tanımdan: aç, h sadeleştir, h = 0 koy) Kesirli f: payda eşitle Köklü f: eşlenikle çarp Teğet doğrusu: y - f(a) = f'(a)(x - a) yatay teğet: f'(x) = 0 Türevlenebilir => sürekli (tersi YANLIŞ: |x| sürekli, 0'da türevi yok) Köşe, sivri uç, dikey teğet, süreksizlik -> türev yok (x^n)' = n x^(n-1) her reel n için; 1/x^2 = x^(-2), √x = x^(1/2) (c)' = 0 (cf)' = c f' (f ± g)' = f' ± g' ÇARPIM: (fg)' = f'g + fg' BÖLÜM: (f/g)' = (f'g - fg') / g^2 (sıra: ÜST türev önce, eksi!) s(t) konum -> v = s' hız -> a = v' = s'' ivme