5.2: Derivatives of Extended-Real Functions
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
For a while (in ยงยง2 and 3), we limit ourselves to extended-real functions. Below,
If
implies
for all
Similarly, if
- Proof
-
If
the "0" case in Definition 1 of ยง1, is excluded, so๐ โฒ โก ( ๐ ) > 0 , ๐ โฒ โก ( ๐ ) = l i m ๐ฅ โ ๐ โก ฮ โข ๐ ฮ โข ๐ฅ > 0 . ( 5 . 2 . 3 ) Hence we must also have
forฮ โข ๐ โก / ฮ โข ๐ฅ > 0 in some๐ฅ .๐บ ๐ โก ( ๐ฟ ) It follows that
andฮ โข ๐ have the same sign inฮ โข ๐ฅ i.e.,๐บ ๐ โก ( ๐ฟ ) ; ๐ โก ( ๐ฅ ) โ ๐ โก ( ๐ ) > 0 i f ๐ฅ > ๐ a n d ๐ โก ( ๐ฅ ) โ ๐ โก ( ๐ ) < 0 i f ๐ฅ < ๐ . ( 5 . 2 . 4 ) (This implies
Why? Hence๐ โก ( ๐ ) โ ยฑ โ . ๐ฅ < ๐ < ๐ฆ โน ๐ โก ( ๐ฅ ) < ๐ โก ( ๐ ) < ๐ โก ( ๐ฆ ) , ( 5 . 2 . 5 ) as claimed; similarly in case
๐ โฒ โก ( ๐ ) < 0 . โป
If
For, by Lemma 1,
Note 1. Thus
Figure 22 illustrates these facts at the points
Geometrically,
Let
- Proof
-
By Theorem 2 of Chapter 4, ยง8,
attains a least value๐ and a largest value๐ , at some points of๐ , However, neither can occur at an interior point[ ๐ , ๐ ] . for, by Corollary 1, this would imply๐ โ ( ๐ , ๐ ) , contrary to our assumption.๐ โฒ โก ( ๐ ) = 0 , Thus
or๐ = ๐ โก ( ๐ ) for the moment we assume๐ = ๐ โก ( ๐ ) ; and๐ = ๐ โก ( ๐ ) We must have๐ = ๐ โก ( ๐ ) . for๐ < ๐ , would make๐ = ๐ constant on๐ , implying[ ๐ , ๐ ] Thus๐ โฒ = 0 . ๐ = ๐ โก ( ๐ ) < ๐ โก ( ๐ ) = ๐ . Now let
. Applying the previous argument to each of the intervals๐ โค ๐ฅ < ๐ฆ โค ๐ and[ ๐ , ๐ฅ ] , [ ๐ , ๐ฆ ] , [ ๐ฅ , ๐ฆ ] , (now using that[ ๐ฅ , ๐ ] , we find that๐ = ๐ โก ( ๐ ) < ๐ โก ( ๐ ) = ๐ ) ๐ โก ( ๐ ) โค ๐ โก ( ๐ฅ ) < ๐ โก ( ๐ฆ ) โค ๐ โก ( ๐ ) . ( W h y ? ) ( 5 . 2 . 6 ) Thus
implies๐ โค ๐ฅ < ๐ฆ โค ๐ i.e.,๐ โก ( ๐ฅ ) < ๐ โก ( ๐ฆ ) ; increases on๐ Hence[ ๐ , ๐ ] . cannot be negative at any๐ โฒ for, otherwise, by Lemma 1,๐ โ [ ๐ , ๐ ] , would decrease at๐ Thus๐ . on๐ โฒ โฅ 0 [ ๐ , ๐ ] . In the case
we would obtain๐ = ๐ โก ( ๐ ) > ๐ โก ( ๐ ) = ๐ , .๐ โฒ โค 0 โป
Caution: The function
See Note 1.
If :
For, if
Figure 22 illustrates this on the intervals
Note 2. Theorem 1 and Corollary 2 hold even if
Let the functions
- Proof
-
Let
and๐ด = ๐ โก ( ๐ ) โ ๐ โก ( ๐ ) We must show that๐ต = ๐ โก ( ๐ ) โ ๐ โก ( ๐ ) . for some๐ด โข ๐ โฒ โก ( ๐ ) = ๐ต โข ๐ โฒ โก ( ๐ ) . For this purpose, consider the function๐ โ ( ๐ , ๐ ) . It is relatively continuous and finite onโ = ๐ด โข ๐ โ ๐ต โข ๐ as are[ ๐ , ๐ ] , and๐ Also,๐ . โ โก ( ๐ ) = ๐ โก ( ๐ ) โข ๐ โก ( ๐ ) โ ๐ โก ( ๐ ) โข ๐ โก ( ๐ ) = โ โก ( ๐ ) . ( V e r i f y ! ) ( 5 . 2 . 8 ) Thus by Corollary 2,
for someโ โฒ โก ( ๐ ) = 0 Here, by Theorem 4 of ยง1,๐ โ ( ๐ , ๐ ) . (This is legitimate, for, by assumption,โ โฒ = ( ๐ด โข ๐ โ ๐ต โข ๐ ) โฒ = ๐ด โข ๐ โฒ โ ๐ต โข ๐ โฒ . and๐ โฒ never both become infinite, so no indeterminate limits occur.) Thus๐ โฒ and (1) follows.โ โฒ โก ( ๐ ) = ๐ด โข ๐ โฒ โก ( ๐ ) โ ๐ต โข ๐ โฒ โก ( ๐ ) = 0 , โป
If
- Proof
-
Take
in Theorem 2, so๐ โก ( ๐ฅ ) = ๐ฅ on๐ โฒ = 1 ๐ธ 1 . โป
Note 3. Geometrically,
is the slope of the secant through
Let
(i)
(ii)
(iii)
- Proof
-
Let
on๐ โฒ = 0 If( ๐ , ๐ ) . apply Corollary 3 to the interval๐ โค ๐ฅ โค ๐ฆ โค ๐ , to obtain[ ๐ฅ , ๐ฆ ] ๐ โก ( ๐ฆ ) โ ๐ โก ( ๐ฅ ) = ๐ โฒ โก ( ๐ ) โข ( ๐ฆ โ ๐ฅ ) f o r s o m e ๐ โ ( ๐ , ๐ ) a n d ๐ โฒ โก ( ๐ ) = 0 . ( 5 . 2 . 1 1 ) Thus
for๐ โก ( ๐ฆ ) โ ๐ โก ( ๐ฅ ) = 0 so๐ฅ , ๐ฆ โ [ ๐ , ๐ ] , is constant.๐ The rest is left to the reader.
โป
Let
(If
- Proof
-
By Theorem 3 of Chapter 4, ยง9,
is strictly monotone and relatively continuous on๐ = ๐ โ 1 itself an interval. If๐ โก [ ๐ผ ] , is interior to๐ then๐ผ , is interior to๐ = ๐ โก ( ๐ ) (Why?)๐ โก [ ๐ผ ] . Now if
we set๐ฆ โ ๐ โก [ ๐ผ ] , ฮ โข ๐ = ๐ โก ( ๐ฆ ) โ ๐ โก ( ๐ ) , ฮ โข ๐ฆ = ๐ฆ โ ๐ , ๐ฅ = ๐ โ 1 โก ( ๐ฆ ) = ๐ โก ( ๐ฆ ) , a n d ๐ โก ( ๐ฅ ) = ๐ฆ ( 5 . 2 . 1 3 ) and obtain
ฮ โข ๐ ฮ โข ๐ฆ = ๐ โก ( ๐ฆ ) โ ๐ โก ( ๐ ) ๐ฆ โ ๐ = ๐ฅ โ ๐ ๐ โก ( ๐ฅ ) โ ๐ โก ( ๐ ) = ฮ โข ๐ฅ ฮ โข ๐ f o r ๐ฅ โ ๐ . ( 5 . 2 . 1 4 ) Now if
the continuity of๐ฆ โ ๐ , at๐ yields๐ i.e.,๐ โก ( ๐ฆ ) โ ๐ โก ( ๐ ) ; Also,๐ฅ โ ๐ . iff๐ฅ โ ๐ , for๐ฆ โ ๐ and๐ are one-to-one functions. Thus we may substitute๐ or๐ฆ = ๐ โก ( ๐ฅ ) to get๐ฅ = ๐ โก ( ๐ฆ ) ๐ โฒ โก ( ๐ ) = l i m ๐ฆ โ ๐ โก ฮ โข ๐ ฮ โข ๐ฆ = l i m ๐ฅ โ ๐ โก ฮ โข ๐ฅ ฮ โข ๐ = 1 l i m ๐ฅ โ ๐ โก ( ฮ โข ๐ โก / ฮ โข ๐ฅ ) = 1 ๐ โฒ โก ( ๐ ) , ( 5 . 2 . 1 5 ) where we use the convention
if1 โ = 0 ๐ โฒ โก ( ๐ ) = โ . โป
(A) Let
Let
Thus
Now let
and the continuity of the log and power functions, we obtain
The same formula results also if
(B) The inverse of the log
By Theorem 3, we have
Thus
Symbolically,
In particular, if
(C) The power function
By the chain rule (ยง1, Theorem 3), we obtain
Thus we have the symbolic formula
If
- Proof
-
Let
and๐ , ๐ โ ๐ผ Put๐ โฒ โก ( ๐ ) < ๐ < ๐ โฒ โก ( ๐ ) . Assume๐ โก ( ๐ฅ ) = ๐ โก ( ๐ฅ ) โ ๐ โข ๐ฅ . on๐ โฒ โ 0 and find a contradiction to Theorem 1. Details are left to the reader.( ๐ , ๐ ) โป