ربط قابلية الاشتقاق بالاتصال: متى توجد المشتقات ومتى لا توجد
مُقدَّم| English | المعنى |
|---|---|
| differentiability/ˌdɪfəˌrenʃɪəˈbɪlɪti/ | قابلية الاشتقاق |
| continuous/kənˈtɪnjuːəs/ | متصل |
| corner/ˈkɔːnə/ | زاوية حادة |
| cusp/kʌsp/ | نقطة حادة |
| vertical tangent/ˈvɜːtɪkl ˈtændʒənt/ | مماس عمودي |
الاستمرارية توصل الاتصال — لكن العكس غير صحيح
- إذا كانت لدالة مشتقة عند نقطة، فإن رسمها البياني ليس فقط متصل هناك — بل هو سلس.
- الاختلافية عند نقطة هي شرط أقوى من الاستمرارية.
- حقيقة أساسية: قابل للاختلاف $\Rightarrow$ مستمر. لا يمكن وجود خط مماس عند انقطاع.
- لكن العكس يفشل: رسم بياني متصل يمكن أن يحتوي على نقطة حادة بدون مشتقة.
منحنى ناعم وقابل للاشتقاق
y = ax² + bx
هذه القطع المكافئ ناعم في كل مكان — يوجد مماس عند كل نقطة، عكس الزاوية حيث يقفز الميل.
لماذا الإمكانية الاختلافية تفرض الاستمرارية
- المشتقة هي نهاية ميول الأوتار؛ لكي تكون هذه النهاية محدودة، لا يمكن للدالة القفز.
- لو قفزت $f$ عند $c$، لتفجرت ميول القطع بالقرب من $c$ — ولا يوجد ميل مماس منتهٍ.
- لذا فإن وجود $f'(c)$ يضمن أن $f$ متصلة عند $c$.
- المعاكس (مفيد في الامتحانات): إذا كانت $f$ غير مستمرة عند $c$، فهي غير قابلة للاختلاف هناك.
أي استنتاج هو صحيح؟
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
قابلية الاشتقاق تفرض الاتصال؛ العكس غير صحيح.
إذا كان $f$ غير متصل عند $c$، فإن $f$ عند $c$ يكون...
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
المخالف للمقابل لـ "قابلية الاشتقاق $\Rightarrow$ continuity": غير متصلة $\Rightarrow$ غير قابلة للاشتقاق.
حيث تفشل المشتقة في الوجود
- الاستمرارية ليست كافية — ثلاثة أشكال تكسر الاختلافية حتى بدون فجوة:
- زاوية حادة: ميول اليسار واليمين مختلفة (مثل $|x|$ عند $0$).
- النقطة الحادة: تتجه الميول نحو $+\infty$ و$-\infty$ (مثل $x^{2/3}$ عند $0$).
- المماس العمودي: المماس عمودي، لذا يكون ميله غير معرّف (مثل $\sqrt[3]{x}$ عند $0$).
في أي ميزات تفشل المشتقة حتى لو كانت الدالة متصلة؟
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
الزوايا الحادة والذروات والمماسات العمودية تلغي المشتقة؛ نقطة الانعطاع الناعمة لا تزال لديها $f'=0$.
عند المماس ____، خط المماس عمودي، لذا ميله (المشتقة) غير معرف.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
الخط العمودي له ميل غير معرف؛ مثال: $\sqrt[3]{x}$ عند $0$.
كل شيء يعود إلى المماس
- توجد المشتقة فقط عندما يكون هناك خط مماس واحد محدد بميل محدود.
- الزاوية الحادة لها ماسان مختلفان؛ القمة الحادة/المماس الرأسي له ميل لا نهائي — neither gives a single finite value.
- $|x|$ متصلة في كل مكان لكنها لا تمتلك مشتقة عند $0$ — المثال المضاد الكلاسيكي.
- لذا: تحقق من الاستمرارية أولاً (شرط ضروري)، ثم تحقق من وجود ميل مماس واحد محدود (باقي الشروط).
$f(x)=|x|$ متصلة عند $0$ لكنها ليست قابلة للاشتقاق هناك.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
الزاوية تعطيك ميل يسار $-1$، ميل يمين $+1$ — لا يوجد ميل مماس واحد.
بالنسبة لـ $f(x)=|x|$، ما هو الميل من اليمين (لـ $x>0$) عند $0$؟
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
بالنسبة لـ $x>0$، $f(x)=x$، لذا الميل هو $+1$ (الميل الأيسر هو $-1$، ومن هنا الزاوية).
لا تقلب الاستلزام. الدالة القابلة للاشتقاق $\Rightarrow$ مستمرة هي عبارة صحيحة، لكن الدالة المستمرة $\Rightarrow$ قابلة للاشتقاق هي عبارة خاطئة. $f(x)=|x|$ يثبت ذلك: الدالة مستمرة تمامًا عند $0$، ولكن الزاوية الحادة تعني أن $f'(0)$ غير موجودة (الميل الأيسر $-1$، والميل الأيمن $+1$).
هل $f(x)=|x|$ قابلة للاشتقاق عند $x=0$؟
- مستمرة عند $0$؟ نعم — لا يوجد انقطاع. ✓
- الميل الأيسر: بالنسبة لـ $x<0$، $f(x)=-x$، الميل هو $-1$. الميل الأيمن: بالنسبة لـ $x>0$، $f(x)=x$، الميل هو $+1$.
- الميول أحادية الجانب تتعارض ($-1\neq1$) — مما يشكل زاوية حادة.
- لذا $f'(0)$ غير موجود، على الرغم من أن $f$ مستمرة عندها.
القابلية للاشتقاق $\Rightarrow$ الاستمرارية (حيث يتطلب المماس رسمًا بيانيًا متصلًا)، لكن الاستمرارية لا تستلزم قابلية الاشتقاق. تفشل المشتقة في وجودها عند الزاوية الحادة (اختلاف الميل)، أو النقطة الحادة، أو المماس العمودي (ميل لانهائي) — أي مكان لا يوجد فيه مماس واحد محدود.