CHAPTER TRANSCENDENTAL FUNCTIONSkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/...Calculus &...

34
Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 1 CHAPTER 7 TRANSCENDENTAL FUNCTIONS 7.1 Inverse Functions and Their Derivatives 7.2 Natural Logarithms 7.3 Exponential Functions 7.5 Indeterminate Forms and L’Hôpital’s Rule 7.6 Inverse Trigonometric Functions 7.7 Hyperbolic Functions Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 2 7.1 Inverse Functions and Their Derivatives OnetoOne Functions Note that some functions f may have same value for different number in its domain. Consider 2 () f x x : There are distinct points in the same domain that have the same square: f (2) = 4 and f (2) =4. Hence 2 () f x x is not onetoone function. A function that has distinct values at distinct elements in its domain is called onetoone. These functions take on any value in their range exactly once.

Transcript of CHAPTER TRANSCENDENTAL FUNCTIONSkdirectory1213.weebly.com/uploads/8/1/0/3/8103000/...Calculus &...

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 1

CHAPTER 7  TRANSCENDENTAL               FUNCTIONS  

 7.1 Inverse Functions and Their Derivatives 7.2 Natural Logarithms 7.3 Exponential Functions 7.5 Indeterminate Forms and L’Hôpital’s Rule 7.6 Inverse Trigonometric Functions 7.7 Hyperbolic Functions  

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 2

7.1   Inverse Functions and Their Derivatives  One‐to‐One Functions  Note that some functions f may have same value for different number in its domain. Consider   2( )f x x  :   

          There are distinct points in the same domain that have the same square:           f (‐2) = 4 and f (2) =4. Hence  2( )f x x is not one‐to‐one function.      A function that has distinct values at distinct elements in its domain is called one‐to‐one. These functions take on any value in their range exactly once.  

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 3

  

    

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 4

Inverse Functions  Since each output of a one‐to‐one function comes from just one input, the effect of the function can be inverted to send an output back to the input from which it came.  

  Note: The symbol f ‐1 for the inverse of f is read “f inverse”.             The “‐1” in f ‐1 is not an exponent and f ‐1 (x) does not mean  1/ f(x).    

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 5

Graph of f ‐1  Let f be a one‐to‐one function on [a, b]. If the point (c, d) is on the graph of f, then the point (d, c) is on the graph of f ‐1. 

 The graph of f ‐1 is symmetric to the graph of f with respect to the line y = x.    

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 6

Example 7.1.1:  In each case, find f ‐1(x) and identify the domain and range of f ‐1 . As a check, show that f ( f ‐1 (x)) = f ‐1 (f(x)) = x.  

a) 5( )f x x                   b) 3

( )2

xf x

x

 

c) 3

( )x

xf x

                  d)  2( ) 2 ,       1f x x x x  

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 7

7.2   Natural Logarithms  Definition:  The Natural Logarithm Function   

1

1ln        ,    0x

x dt xt

Recall:  

1

( )  area under the curve  ( ) from   to 

1 1         area under the curve   from  1 to  , 0

b

a

x

A f x dx y f x x a x b

dt y t t x xt t

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 8

t

a) x > 1             

b)  0< x < 1           

1y

t

1

1ln       for       1,    ln 0

x

A dt x x xt

y

1 x

1y

t

1

1

1 1= ln

x

xA dt dt x

t t

y

x 1

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 9

Note:  When    x > 1  ,  ln x > 0    0 < x < 1  ,  ln x <0   

When    x  = 1,   1

1

1ln1 0        (No area)dt

t i.e  ln 1 = 0 

Since   

       

1

1

,         

1    (ln ) ,         

1(ln ) 0

ln    is always increasing on  0

1    ln 0        

1 0

x

xd dx

dx dx x

dx

dx xx x

x dt xt

dt xt

 

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 10

Since   

       2

2 2

1    (ln ) ,         

1(ln ) ,     0

ln    is always concave down

  0dx

dx x

dx x

dx xx

x

 

Conclusion: Graph of y  = lnx for x > 0 1)      1,    ln 0

2)    0 1,    ln 0

3)    ln 0 when  1

4)    ln   is always increasing and concave down on  0

x x

x x

x x

x x

lny x

y

x1

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 11

Properties of Logarithms  

  

Note:  ln lnrrx x  

 * Use these properties of logarithms to simplify/expand ‘ln’ functions so that differentiation process is simpler.   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 12

Example 7.2.1:  1. Express the following in terms of ln 5 and ln 7: 

 

a) ln7 7         b)

1ln35 ln

7

ln25

 

   

2. Simplify: 

a) lnsec lncos     b) ln 8 4 2ln2x     c) 3 23ln 1 ln( 1)t t  

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 13

The Derivatives of y = ln x  By the first part of the Fundamental Theorem of Calculus, 

1

1 1ln

xd dx dt

dx dx t x  

For every positive value of x, we have 1

lnd

xdx x

 

And the Chain rule extends this formula for positive functions u(x): 

ln lnd d du

udx du dx

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 14

Example 7.2.2:  Find the derivative of y with respect to x, t or :  

a) 4ln 1y x  

b) ln sin , sin 0y x x  

c) 3lny x  

d) lny t t  

e) ln

1 ln

x xy

x

 

 f) ln ln lny x  

 

g) sin cos

ln1 2ln

y

  

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 15

The Integral 1du

u  

  Example: 

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 16

Example 7.2.3:  

a) 0

1

3

3 2dx

x  

  

b) /3

0

4sin

1 4cosd

 

  

c) 16

2 2 ln

dx

x x  

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 17

The Integrals of tan x and cot x  

  

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 18

   

Example 7.2.4:  

a) sec tan

2 sec

y ydy

y  

  

b) /12

06tan3xdx

 

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 19

Logarithmic Differentiation  In some cases, differentiation of complicated functions can be made easier by applying logarithms. The process is called logarithmic differentiation. Example: 

Given  2( ) 2 1 3 1 4 1f x x x x , find dy/dx . 

Solution:  

2

Apply ln on both sides:

ln ( ) ln 2 1 3 1 4 1

1ln ( ) ln 2 1 ln 3 1 2ln 4 1

2Differentiate both sides with respect to 

1ln ( ) ln 2 1 ln 3 1 2ln 4 1

2

f x x x x

f x x x x

x

d df x x x x

dx dx

 

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 20

2

1 1 1 2( ) (2) (3) (4)

( ) 2 1 3 1 4 1

( ) 2 3 8

( ) 2 1 3 1 4 1

2 3 8( ) ( )

2 1 3 1 4 1

2 3 8             2 1 3 1 4 1

2 1 3 1 4 1

f xf x x x x

f x

f x x x x

f x f xx x x

x x xx x x

Example 7.2.5: Find dy/dx for the following functions: 

a) 1

( 1)y

t t

 

 

b) tan 2 1y  

 

c)

3 2

1 2

1 2 3

x x xy

x x

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 21

7.3   Exponential Functions  Recall:  1. ln x is always increasing with domain  0,  and range  ,  . 

2. ln x is one‐to‐one , hence its inverse exists.  Notation:  If  ( ) lnf x x  then, 

   1( )  natural exponential function in 

           x

f x x

e

  

 

1

( ) ln          :    D f 0,

                               R f ,

( )        :    D f ,

                               R f 0,

x

f x x

f x e

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 22

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 23

 

  

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 24

Law of Exponents 

        

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 25

Example 7.3.1:  Solve for t: 

a)  0.01 1000te          b)   (ln2) 1

2te    

c)  2 2 1( ) xx te e e

    d)  80 1te

  Example 7.3.2:  Solve for y in terms of t or x.  a)  ln(1 2 )y t

b)  2ln( 1) ln( 1) ln(sin )y y x     

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 26

The Derivative and Integral of ex  We calculate its derivative using the inverse relationships and Chain Rule: 

Inverse relationship

Differentiate both 

ln               

ln 1         

11     

sides

Chain Rule

Solve for the de

   

      riva     tiv   e

x

x

x

x

x x

e x

de

dx

de

e dx

de e

dx

  

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 27

  Example 7.3.3:  

a)     24 x x

y e

        b)  ln 3y e  

c)     ln1

y

                          d)     sin 2ln 1ty e t  

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 28

Since ex is its own deritive, it is also its own antiderivative. 

 

 

 

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 29

Example 7.3.4:  

a)      22 3x xe e dx  

 

b) ln16

/4

0

xe dx  

  

c) 43 tt e dt  

 

d) /2cot 2

/41 csce d

 

  

e) 2 2ln

02 cosx xxe e dx

 

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 30

The General Exponential Function ax  

  When a = e, the definition gives  

ax = e x lna = e x lne = ex(1) = ex The Derivative of au 

    

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 31

Proof: 

ln

ln          ln

          ln

x x a

x a

x

d da e

dx dxd

e x adx

a a

 

Example 7.3.5:  Differentiate:  

a) 22

sy              b)  1 ey t  

 

b) lny             d)

1xy x  

 

e)  sinxy x             f)  lnlnx

y x  

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 32

The Integral of au If  1a , so that ln1 0 then,  

 Example 7.3.6:  

a) 0

25 d

     

 

b)

4

1

2 x

dx

 

c) ln2

1

2 x

dxx

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 33

Logarithms with Base a 

If a is any positive number other than 1, the function ax is one‐to‐one function and has a nonzero derivative at every point. 

It therefore has a differentiable inverse. 

We call the inverse the logarithm of x with base a and denote it by loga x. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 34

The graph of y = loga x can be obtained by reflecting the graph of y = ax across the 

450 line y = x . 

 

 

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 35

Example 7.3.7:  Simplify the expression:  

a) 2log 32           b)  log 7         c) 3log 1/9  

 

d)  2525log 3x       e) sin4log 2

xe x 

    

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 36

The function loga x is actually just a numerical multiple of ln x. To see this, we let y = loga x then take the natural log of both sides.  

log

log

log

                 

                         Inverse   =x

ln ln                       Take natural log on both sides

ln ln

ln                     Solve for 

ln

a

a

a

xy

xy

y

y x

a a

a x a

a x

y a x

xy y

a

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 37

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 38

Derivatives and Integrals Involving loga x 

To find the derivatives or integrals involving base a logarithms, we convert them to natural logarithms.  

If u is a positive differentiable function of x, then 

ln 1 1 1log ln

ln ln ln lna

d d u d duu u

dx dx a adx a u dx

 

 

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 39

Example 7.3.8:  Differentiate:  a) 3log 1 ln3y       b)  3 9log logy r r       c)  8 23log logy t  

     

d) ln5

57

log3 2

xy

x

              e) 

2 2

2log2 1

x ey

x

 

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 40

Example 7.3.9:  Integrate:  

a) ln2 1

1

ex         b) 

42

1

log xdx

x       c)  10

10

1/10

log 10xdx

x  

     

d) 28log

dx

x x               e) 1

1xe

dtt  

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 41

7.5   Indeterminate Forms and L’Hôpital’s Rule  Indeterminate Form 0/0 If the continuous function f(x) and g(x) are both zero at x = a, then 

( )lim

( )x a

f x

g x 

cannot be found by substituting x = a. The substitution produces 0/0, a meaningless expression which we cannot evaluate. We use 0/0 as a notation for an expression known as an indeterminate form. Other indeterminate forms are:  

0/ , 0, ,0  and 1    

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 42

L’Hôpital’s Rule enables us to evaluate limit that involves indeterminate form.  

  

     

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 43

    

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 44

  Example 7.5.1: Find the limits :  

a) 3

23

4 15lim

12t

t t

t t

        b) 2

0

sinlimt

t

t      c) 

0

3 1lim

2 1

x

xx

 

d) sin

0

3 1lim

          e) 

2

0lim

ln secx

x

x    f)

1

1lim

ln sinx

x

x x

 

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 45

 

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 46

    

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 47

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 48

 Example 7.5.2: Find the limits :  

a)

2

ln 1lim

logx

x

x

       b) 

2

0

ln 2lim

lnx

x x

x

      c)  lim ln2 ln 1

xx x

 

d) 0

lim ln lnsinx

x x

    e)  22

1lim sin

4xx

x

      f)  2lim 3x

x x x

   

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 49

Indeterminate Powers 

 Example 8:    Apply L’Hôpital’s Rule to show that  1/

0lim 1

x

xx e

 . 

Solution: Apply natural log on both sides; 

1/ 1ln ( ) ln 1 ln 1

xf x x x

x  

L’Hôpital’s Rule now applies to give 

0 0

0

1

ln 1 0lim ln ( ) lim                

0

1/(1 )                  lim

1                  1

          ( ) 

x x

x

xf x

x

x

f x e e

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 50

Example 9:    Find  1/lim x

xx

 . 

Solution: Apply natural log on both sides; 

1/ 1ln ( ) ln lnxf x x x

x  

L’Hôpital’s Rule now applies to give 

0

lnlimln ( ) lim                

1/                  lim

1                  0

          ( )  1

x x

x

xf x

xx

f x e

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 51

Example 7.5.3: Find the limits :  

a) 1/ 1

1lim x

xx

        b)  1/

lim lnx e

x ex

      c)  1/

0lim

xx

xe x

 

 

d) 0

lim x

xx

          e)  2

0lim lnx

x x

        f)  20

lim lnx

x x

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 52

7.6   Inverse Trigonometric Functions Note: Trigonometric functions are not one‐to‐one.  

Eg: y = sin x 

 Restrict the domain so that f (x) = sin x is one‐to‐one.  i.e Domain: /2, /2  

     Range   : 1,1  

 Now f (x) = sin x is one‐to‐one and f ‐1(x) exists, denoted by sin‐1x or arc sin x.  

Note :  1 1sin

sinx

x    

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 53

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 54

Consider: 

1

1 1

1

sin sin 3/2 ?      of the form :  sin sin      if   Dom sin                                                             i.e   1,1sin sin 3/2 3/2

                            if  

x x xx

1

3/2 1,1Hence, sin sin 3/2  is undefined.

 Examples: 

1

1

1

cot cot /4

Compare with definition:

cot cot         0      

since cot /4      /4 0,

cot /4  is undefined

cot cot /4  is also undefined

y x x y y x

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 55

1

1

11 4

1

1sin ,         find y

2

Note:  sin sin

                      /2, /2 ,       1 1

1 1sin      sin ,    y ,

2 2

1Since sin       y

2

y

x y x y

y x

y y Q Q

y Q

Example: Use reference triangle to find:  

a)  1 1sin

2

                     b)  1 1sin

2

      c)

1 3sin

2

 

Solution for (a): 

2 1

3

1

306

1sin

2 6

y

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 56

Example 7.6.1:  1.  Evaluate the following expressions:  

a)  1 3cos

2

                     b)  1cos cos3       c)

1 1sin sin

2

  

 2.  a) Suppose                          . Find                           .    b) Find an alternative form for                              in terms of x.     

1sin 2/5 cos   and   tan

1cot cos /4x

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 57

Derivatives of the Inverse Trigonometric Functions 

 

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 58

Example 7.6.2:  Find the derivatives:  

a)  1 1cosy

x

        b)  1sec 5y s       c)  1tan lny x

d)    2 11 secy s s       e)  2 1ln 4 tan2

xy x x

 

    

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 59

Integration Formulas 

        

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 60

Example 7.6.3:  Integrate the following:  

a) 29 3

dx

x         b) 

3 2

4

20 9 4

ds

s      c)  23 3 25

dx

x x

d)   

/4

21

4

1 ln

e dt

t t

     e) 22

dx

x x       f) 

2 6 10

dy

y y

 

g) 1

2

tan

1

xdx

x

 

 

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 61

7.7   Hyperbolic Functions  

The hyperbolic functions are formed by taking combinations of the two exponential functions ex and e‐x. 

               

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 62

Identities for Hyperbolic Functions  

     

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 63

Example 7.7.1:  1. Given sinh x = 4/3. Find the values of the remaining 5 hyperbola functions. 

     

2. Rewrite the following in terms of exponential and simplify: a) sinh 2lnx  

b) ln cosh sinh ln cosh sinhx x x x  

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 64

Derivatives of Hyperbolic Functions  

     

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 65

Example 7.7.2:  Differentiate the following:  

a)  1sinh 2 1

2y x        b)  ln coshy z       c)  21

lnsinh coth2

y v v

   

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 66

Integral Formulas for Hyperbola Functions  

    

Calculus & Analytic Geometry I (MATF 126) 67

 Example 7.7.3:  Integrate the following:  

a)  sinh5

xdx         b) 

csc ln coth lnh t tdt

t       c) ln2

0tanh2x dx

d)    /2

02sinh sin cos d

  e) 

ln102

04sinh

2

xdx