Türev

Fonksiyonun grafiğine çizilen teğetin eğimini hesaplama tekniğidir.

Türev, diğer sayı kümeleri üzerindeki fonksiyonlar için de genellenmiş olmasına rağmen öncelikle reel değerli, yani reel sayılardan reel sayılara giden tek değişkenli fonksiyonlar için tanımlanmış, herhangi bir teğetin herhangi bir eğriye x ekseniyle yaptığı pozitif yönlü açının tanjant değeridir.

Birinci tanımı (h türevi)Düzenle

 
Türevin sezgisel fikrini veren animasyon: argümanın değişmesiyle fonksiyonun "salınımı" değişir

Bu türden bir f fonksiyonunun a noktasındaki türevin

  =
 
 
Türevin geometrik tarifi

limiti olarak tanımlanır. Bu limit eğer var ise, yani bir reel sayıysa, f fonksiyonu a noktasında türevlenebilirdir denir. Limitin sonsuz olması veya var olmaması durumunda, f'ye a noktasında türevlenemez denir. Bu limitin temsil ettiği oran aşağıdaki grafikte gösterilmiştir. Limiti alınan oran, yani   oranı, Newtonsal oran olarak adlandırılır.

Yukarıdaki grafikte h değeri sıfıra yaklaştıkça, d doğrusu da y = f(a) eğrisine (a, f(a)) noktasındaki teğete yaklaşır. Burada :  ifadesinin de d doğrusunun eğimini verdiğine dikkat etmek gerekir.

  noktasında türevlenebilen bir fonksiyon,   civarında sürekli olmak zorundadır. Fakat bunun tersi doğru değildir. Başka bir ifadeyle   civarında sürekli olan fakat türevlenemeyen fonksiyon bulmak mümkündür. Örnek olarak Weierstrass fonksiyonu reel sayılar kümesinin her noktasında sürekli olmasına karşın hiçbir noktasında türevlenebilir değildir.

Yukarıdaki limit a civarında doğrudur. Başka bir deyişle h sayısı 0 civarında 0'a yaklaştıkça a + h sayısı a civarında a'ya yaklaşır. Bu sebepten dolayı eğer uç noktalarda türev alınacaksa, limit sembolü soldan limit veya sağdan limit olarak yazılmalıdır. Analiz kitapları, genellikle sürekli fonksiyonları kapalı aralıklarda, türevlenebilir fonksiyonları ise açık aralıklarda tanımladıklarından sol ve sağ limit tanımlamazlar.

İkinci tanımı (q türevi)Düzenle

Türevin birinci tanımını örnekleyerek bir ikinci tanım daha yapılabilir.

  ifadesinin mantığında {h} sonsuz küçüğünü ekleme işlemi yapılmıştır. Genelleştirilmiş şekliyle sonsuz küçük artırımı yerine sonsuz küçük katının artırımı da yapılabilir.

Bir f(x) fonksiyonunu q türevi

 

sıklıkla   şeklinde yazılır, q-türev Jackson türevi olarak bilinir.

 
 =  

ayrıca;

 =   elde edilebilir.

Yönlü türevDüzenle

Eğer f bir Rn üzerinde gerçek değerli fonksiyon ise koordinat eksenlerinin yönü içinde f in kısmî türevi içinde çeşitli ölçmeler ise (mesela f bir x ve y fonksiyonunun x yönü ve y yönü içinde f 'nin kısmî türevinde çeşitli ölçmeler ise) buna yönlü türev denir.

Bununla birlikte köşegen çizgi y = x boyunca gibi herhangi diğer yön içinde f in yönlü ölçü çeşitleri yoktur.

Burada yönlü türev ölçüsü kullanılıyor.

 

bir vektörse vnin yönü içinde fin yönlü türevinin x noktasında sınırıdır.

 

Bâzı durumlarda bu vektörün uzunluğunu değiştirme sonrası yön türevi hesaplamak veya tahmin etmek daha kolay olabilir. Genellikle bu bir birim vektör yönünde bir yönde türevinin hesaplanması içinde sorunu açmak için yapılır. Bunun nasıl çalıştığını görmek için bunu v = λu varsayalım.h = k fark katsayısı içinde yerine konur.Aradaki fark katsayısı:

 

Bu u sırasıyla fin yönlü türevi için λ zaman içinde farklı katsayısıdır. Dahası sıfıra yönelen k olarak alınan limit olarak aynı h ve k için herhangi diğerinin çarpımıdır. Bunun için Dv(f) = λDu(f). Bu nedenle yeniden ölçeklendirme özelliği, yönlü türevler sık sık sadece birim vektörler için kabul edilir.

Eğer f'in tüm kısmî türevleri var ve x'de sürekli ve formülü ile v yönünde f içinde belirlenen yönlü türev ise

 

Bu toplam türevin tanımının bir sonucudur. Bu yönlü türev, aşağıda v içinde doğrusaldır. Bu da

Dv + w(f) = Dv(f) + Dw(f).

demektir. Aynı tanım, ayrıca f olduğunda Rm içindeki değerleri ile bir fonksiyondur. Yukardaki tanım, vektörlerin her bir bileşeni için uygulanır. Bu durum içinde yönlü türev Rm içinde bir vektördür.

Kesirli türevDüzenle

 
fonksiyon  (mavi eğri) için yarı türev (mor eğri) ve birinci türev (kırmızı eğri).
  tek terimli olduğunu varsayalım
 .

Burada kullanılan türev

 

tekrarlanarak şu sonuca ulaşılır:

 

faktöriyel yerine Gama fonksiyonu alınırsa

 

x'in yarı türeviDüzenle

 

Bu durumu tekrarlarsak

 

Gerçekten burada beklenen sonuç aynıdır.

 

Buradaki türev alma işlemi sadece reel sayılarla sınırlı değildir. Mesela (1 + i)inci türev, (1 - i)inci türev iki türevlidir. Ancak negatif değerler için alınan a, integrali verir.

Laplace dönüşümüDüzenle

Laplace dönüşümünün ifadesi

 

ve

 

v.s. Beklentimiz

 .

Mesela

 

beklentisi doğrudur. Gerçekten verilen konvolüsyon kök   (ve kısaca   doğrulama için) bulunur

 

Cauchy serisini verir. Laplace transformu bâzı fonksiyonların kullanılabilmesi ile ilişkilidir. Sıklıkla kesirli diferansiyel denklemler çözümünde kullanılır.

Kısmî türevDüzenle

Kısmî türev, çok değişkenli bir fonksiyonun sadece ilgili değişkeni sabit değilken alınan türevdir. Bu tarz türevleri içeren denklemlere kısmî diferansiyel denklem denir.

Kısmî türevin tanımıDüzenle

 

 

şeklinde tanımlanan n tane bağımsız değişkene bağlı z fonksiyonunun diğer değişkenler sabit tutularak herhangi bir değişkendeki   değişimine karşılık fonksiyonun değişim hızı

 

 

 

ifadesine   fonksiyonunun   değişkenine göre kısmî türevi denir.

 

şeklinde gösterilir.

  ise;

 

 

Örnek:

 

Ayrıca q türevinin tanımına uygun olarak kısmî türev içinde kesirli kısmî türev tanımı yapılabilir.

Türev almaDüzenle

Fonksiyonlar, en genel biçimde cebirsel, trigonometrik üstel veya logaritmik olarak üçe ayrılırlar. Bu ayrımın kombinasyonları da olabilir. Her üç genel şeklin türev alma biçimleri farklılık gösterir. Ama türevin tanımının mantığı değişmez, yani türevlenebilir bir f fonksiyonu için her a noktasındaki değeri f fonksiyonun a noktasındaki türevi olan fonksiyona f fonksiyonun türevi denir ve bu fonksiyon f' sembolüyle gösterilir. Ayrıca

 

formülü, f'nin türevlenebildiği her  'te bu durumu ifade etmek için kullanılır. Burada f' bir fonksiyon olduğundan f' 'nün tanım kümesi, f'nin türevlenebildiği noktaların kümesidir.

ÖrneklerDüzenle

Türevlenebilir fonksiyonlar ve türevleriDüzenle

CebirselDüzenle

  • Herhangi bir sıfırdan farklı n reel sayısı için   fonksiyonu,
 

Bu eşitlik Binom Teoremi'nin bir sonucudur. (Bu formül yalnızca reel sayılarda kullanılır!)

TrigonometrikDüzenle

 
 

Üstel veya logaritmikDüzenle

  •   üstel fonksiyonu,
 
  •   logaritmik fonksiyonu,
 
 

Türevlenemeyen fonksiyonlarDüzenle

  • Mutlak değer fonksiyonu 0 noktasında türevli değildir. Nedeni, 0'da türevi tanımlayan
 

limitinin bulunamamasıdır. Diğer her noktada türevlidir.

  •   fonksiyonu da 0'da türevli olmayıp da başka her yerde türevli olan bir fonksiyondur. Bu fonksiyonun 0'da türevlenebilir olmayışının nedeni
 

limitinin  , yani sonsuz olmasıdır. Dolayısıyla mutlak değer fonksiyonunun grafiği 0 noktasında kırıkken,   fonksiyonunun grafiği 0'da da kırılmasızdır.

Temel teoremlerDüzenle

Çok karmaşık görünümlü fonksiyonların da türevlerini almamızı kolaylaştıracak teknikler (teoremler) mevcuttur.

  • (f ± g)'(a) = f'(a) ± g'(a),
  • (f × g)'(a) = f'(a) × g(a) + g'(a) × f(a) (Çarpım Kuralı olarak bilinir),
  • (f o g)'(a) = f'(g(a)) × g'(a) ( Bileşke fonksiyonun türevi, zincir kuralı olarak bilinir).
  • (f / g)'(a) = [f'(a) × g(a) - g'(a) × f(a)] / g²(a) (Fark Kuralı).

GenellemelerDüzenle

  • Türev alma operasyonunu birden çok kez uygulamak mümkündür. Eğer f' , f fonksiyonunun türeviyse ve de f", f' fonksiyonunun türeviyse o zaman f" fonksiyonuna f fonksiyonunun ikinci türevi denir. Daha yüksek dereceden türevler de benzer şekilde tanımlanır.
  • Türevi alınan f fonksiyonunun reel değerli olması şart değildir. Mesela f kompleks sayılar veya p-sel sayılar üzerinde tanımlı bir fonksiyon olabileceği gibi aldığı değerleri de reel sayılar dışındaki uygun bir kümeden (kompleks sayılar kümesi gibi) alıyor olabilir.
  • Tek değişkenli olmayan fonksiyonların da türevlerinden bahsetmek mümkündür. Ancak önce yukardaki limitli tanımı ve teğet doğrusu argümanını bu duruma uyarlamak gereklidir. Bu konu, kısmî türev maddesinde bulunur.

Türevin uygulamalarıDüzenle

  • f fonksiyonunun a noktasında türevi, f'nin grafiğine a noktasında çizilen teğetin eğimini verdiğinden bir fonksiyonun birinci ve ikinci türevlerine bakarak o fonksiyonun grafiğinin davranışları hakkında grafiği kaba taslak çizmemize yetecek kadar bilgi edinmemiz mümkündür.
  • Hesabın temel teoremi'ne göre türev almakla integral almak, birbirlerinin tersi olan iki operasyondur.
  • Taylor açılımları, bir fonksiyonun bir noktadaki ilk birkaç dereceden türevini kullanarak o fonksiyona yakın bir polinom ifadeli fonksiyon bulmamıza yararlar. Çoğu zaman polinom ifadeli olmayan bir fonksiyonun bir noktadaki tam değerini bulmak sonsuz sayıda işlem gerektirdiğinden buna karşılık polinom değerli fonksiyonların değerini hesaplamak sonlu bir işlem olduğundan bu açılımlar ve türev kavramı vazgeçilmezdir.
  • Yaygın doğa felsefesi görüşüne göre, doğada gerçekleşen fiziksel olayların tümü sürekli yumuşak geçişlidir. Tıpkı buzluktan çıkardığımız bir buzun aniden değil de yavaş yavaş erimesinde olduğu gibi. Dolayısıyla fiziksel olayları tarif etmekte kullanılan fonksiyonların hemen hepsinin türevlenebilir olması beklenir. Matematiğin diferansiyel denklemler dalı, doğada gözlenen verilerden bu tür fonksiyonlar çıkartma yöntemleri bulmak amacıyla geliştirilmiştir.
  • Matematiğin diferansiyel geometri ve diferansiyel topoloji alanları öncelikle türevlenebilir fonksiyonlar aracılığıyla tarif edilebilen geometrik yapılarla ilgilenirler.

Çarpım ve bölüm fonksiyonlarının türeviDüzenle

  • Çarpım fonksiyonunun türevi:

  olsun

 'dir

İspat:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  • Bölüm fonksiyonunun türevi:

  olsun

 'dir

İspat: