Türev

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)
Bu türden bir f fonksiyonunun a noktasındaki türevin
=
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 yukarıdaki 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)
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 türev
Eğer f bir Rn üzerinde gerçek değerli fonksiyon ise koordinat eksenlerinin yönü içinde f in kısmi türevi içinde çeşitli ölçmeler ise (mesela f bir x ve y fonksiyonunun x yönü ve y yönü içinde f 'nin kısmi türevinde çeşitli ölçmeler ise) buna yönlü türev denir.
Bununla birlikte köşegen çizgi 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.
Bazı 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 varsayalım. 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. Bu nedenle yeniden ölçeklendirme özelliği, yönlü türevler sık sık sadece birim vektörler için kabul edilir.
Eğer fin tüm kısmi 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
.
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 türev
tek terimli olduğunu varsayalım
.
Burada kullanılan türev
tekrarlanarak şu sonuca ulaşılır:
faktöriyel yerine Gama fonksiyonu alınırsa
=== xin yarı türevi ===
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 dönüşümü
Laplace dönüşümünün ifadesi
ve
v. s. Beklentimiz
.
Mesela
beklentisi doğrudur. Gerçekten verilen konvolüsyon kök (ve kısaca doğrulama için) bulunur
Cauchy serisini verir. Laplace transformu bazı fonksiyonların kullanılabilmesi ile ilişkilidir. Sıklıkla kesirli diferansiyel denklemler çözümünde kullanılır.
Kısmi türev Kısmi türev, çok değişkenli bir fonksiyonun sadece ilgili değişkeni sabit değilken alınan türevdir. Bu tarz türevleri içeren denklemlere kısmi diferansiyel denklem denir.
Kısmi türevin tanımı
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 kısmi türevi denir.
şeklinde gösterilir.
ise;
Örnek:
Ayrıca q türevinin tanımına uygun olarak kısmi türev içinde kesirli kısmi türev tanımı yapılabilir.
Türev alma
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.
Örnekler
Türevlenebilir fonksiyonlar ve türevleri
Cebirsel
Herhangi bir sıfırdan farklı n reel sayısı için fonksiyonu,
Bu eşitlik Binom Teoremi'nin bir sonucudur. (Bu formül yalnızca reel sayılarda kullanılır!)
Trigonometrik
sin(x) ve cos(x) trigonometrik fonksiyonları,
Üstel veya logaritmik
üstel fonksiyonu,

logaritmik fonksiyonu,
Türevlenemeyen fonksiyonlar
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 teoremler
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).
Genellemeler
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, kısmi türev maddesinde bulunur.
Türevin uygulamaları
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 türevi
Çarpım fonksiyonunun türevi: olsun
'dirİspat:
Bölüm fonksiyonunun türevi:
olsun
'dir
İspat:

Matematiksel analiz
Diferansiyel kalkülüs
İşlevler