求导前先认清外层运算,再逐层处理。复杂表达式经代数化简后往往更容易求导。
基本函数导数逐项表
下表在函数有定义且可导的区间内使用,三角函数自变量用弧度。
| 函数 |
导数 |
条件 |
| C |
0 |
C 为常数 |
| xα |
αxα−1 |
任意实指数可统一在 x>0 上使用;整数及有理指数可按定义域另扩展 |
| ax |
axlna |
a>0;a=1 时导数为零 |
| ex |
ex |
x∈R |
| logax |
1/(xlna) |
a>0,a=1,x>0 |
| lnx |
1/x |
x>0 |
| sinx |
cosx |
x∈R |
| cosx |
−sinx |
x∈R |
| tanx |
1/cos2x |
cosx=0 |
| cotx |
−1/sin2x |
sinx=0 |
负整数幂需 x=0;例如 x1/3 在零点有定义但没有有限导数,不能仅检查原函数有定义。整数幂公式由差商展开并约去 h 得到;正弦公式利用和角公式及 sinh/h→1,(cosh−1)/h→0,余弦类似。指数、对数基本导数作为高中常用公式使用。
基本导数公式的证明依据
下面使用导数定义、极限四则运算及两个基本极限:
h→0limhsinh=1,u→0lim(1+u)1/u=e.
第一个极限中角以弧度计;它可由单位圆面积比较得到 cosh≤sinh/h≤1(0<∣h∣<π/2)再夹逼。第二个极限是自然底数 e 的基本性质,本页将其作为基础结论使用。
整数幂与三角函数
对正整数 n,由二项式展开,
h(x+h)n−xn=nxn−1+(2n)xn−2h+⋯+hn−1,
令 h→0,得 (xn)′=nxn−1。常数导数由零差商得到;负整数幂可再用倒数法则。
由和角公式,
hsin(x+h)−sinx=sinxhcosh−1+cosxhsinh.
又 (cosh−1)/h=−sin(h/2)[sin(h/2)/(h/2)]→0,所以极限为 cosx。对余弦作同样展开,得 (cosx)′=−sinx。用商法则进一步得到
(tanx)′=cos2x1(cosx=0),(cotx)′=−sin2x1(sinx=0).
对数、指数与实数幂
对 x>0,令 u=h/x,利用对数的连续性和第二个基本极限,
hln(x+h)−lnx=x1ln(1+u)1/u⟶x1.
因此 (lnx)′=1/x,再由换底式 logax=lnx/lna 得 1/(xlna)。指数与对数互逆,反函数求导给 (ex)′=ex。最后用 ax=exlna、xα=eαlnx 和链式法则,得到表中的指数与实幂公式。任意实指数统一要求 x>0;其他定义域应另行核对。
求导的运算法则及乘积公式的证明
设 u,v 在所讨论点可导,c 为常数。则
(u+v)′=u′+v′,(u−v)′=u′−v′,(cu)′=cu′,
(uv)′=u′v+uv′,
(v1)′=−v2v′,(vu)′=v2u′v−uv′(v=0).
非零条件只对倒数和商有要求;和、差、积并不要求函数值非零。
乘积公式为何有两个加项
在 x 处考察增量,将分子拆成两部分:
u(x+h)v(x+h)−u(x)v(x)=[u(x+h)−u(x)]v(x+h)+u(x)[v(x+h)−v(x)].
除以 h=0。当 h→0 时,两个差商分别趋于 u′(x) 和 v′(x);可导蕴含连续,故 v(x+h)→v(x)。于是得到 u′(x)v(x)+u(x)v′(x)。
倒数的差商可写为
h1/v(x+h)−1/v(x)=−hv(x+h)v(x)v(x+h)−v(x).
v(x)=0 且连续保证充分靠近该点时分母非零,取趋近值得 −v′(x)/v(x)2。再把商写成 u⋅(1/v),应用乘积公式即得商法则。
复合函数求导
若内函数 g 在 x 可导,外函数 f 在 g(x) 可导,则
[f(g(x))]′=f′(g(x))g′(x).
这是本页采用的基本求导定理。先对外层求导并保留内层表达式,再乘内层导数。例如 [sin(x2)]′=cos(x2)⋅2x。漏掉 2x,就只计算了对中间变量 x2 的变化率。
链式法则的证明、反函数与隐式求导
链式法则在内层增量为零时仍然有效
设 g 在 x0 可导,f 在 u0=g(x0) 可导。在 v=0 时定义
ε(v)=vf(u0+v)−f(u0)−f′(u0),
并令 ε(0)=0。于是 ε(v)→0,且对所有充分小的 v(包括零)都有
f(u0+v)−f(u0)=[f′(u0)+ε(v)]v.
取 v=g(x0+h)−g(x0)。可导蕴含连续,所以 v→0;将上式除以 h,得到
hf(g(x0+h))−f(g(x0))=[f′(u0)+ε(v)]hg(x0+h)−g(x0)⟶f′(u0)g′(x0).
这证明链式法则,也避免了直接除以内层增量时遗漏 v=0 的问题。三层复合逐层应用得到
[f(g(h(x)))]′=f′(g(h(x)))g′(h(x))h′(x).
反函数求导
若 f 在相应区间一一对应,逆函数在所论点可导且 f′(x)=0,对 f(f−1(y))=y 求导,得
(f−1)′(y)=f′(x)1,x=f−1(y).
常用充分条件是原函数在邻域连续可导且该点导数非零。说明如下:设 f′(x0)=0,由导数连续性,可取一个小区间使导数保持同一严格符号,中值定理保证 f 在该区间严格单调。因此它有连续的逆函数。令 y0=f(x0)、x=f−1(y),当 y→y0 时 x→x0,并且 y=y0 对应 x=x0,故
y−y0f−1(y)−f−1(y0)=f(x)−f(x0)x−x0⟶f′(x0)1.
这直接证明逆函数可导并给出公式,无须先假定它可导。此处逆函数连续的依据是:在 x0 两侧取任意靠近的点,严格单调性使其函数值将 y0 夹在中间,足够接近 y0 的输出只能来自这两个点之间。
导数为零时不能直接取倒数,如 x3 的反函数在零点没有有限导数。
隐式关系
若已知可导分支 y=y(x) 满足 F(x,y)=0,把每个 y 视为关于 x 的函数再求导。例如椭圆
a2x2+b2y2=1
给出 2x/a2+2yy′/b2=0,因此 y′=−b2x/(a2y)(y=0)。y=0 的两个顶点对应竖直切线,须用无斜率的直线方程处理。单纯给出一个方程并不保证每处都能唯一地解成可导的 y(x)。
多因子乘积的求导
设 f1,…,fn 在所论点都可导,n≥2。则
(j=1∏nfj)′=i=1∑nfi′1≤j≤nj=i∏fj.
每个加项只对一个因子求导,其他因子保持原样;各函数值允许为零。
证明。 n=2 即乘积法则。若对 n 个因子成立,将前 n 个因子的积记为 G,则 (Gfn+1)′=G′fn+1+Gfn+1′。前一项按归纳假设展开,给出前 n 个因子分别求导的项,后一项给出第 n+1 个因子求导的项,完成归纳。
仅当所有因子都非零时,才可进一步写成
f1⋯fn(f1⋯fn)′=i=1∑nfifi′.
因此“对数求导”形式有额外非零条件;若某因子为零,使用前一个无除法公式。
对数求导
若 y=f(x) 在一个区间上可导且不为零,则
(ln∣y∣)′=yy′.
因此乘积、商或含变量指数的正值函数,可以先取对数再求导。若 u(x)>0,u,v 可导,y=u(x)v(x),则
y′=uv(v′lnu+vuu′).
例如 x>0 时 (xx)′=xx(lnx+1)。不能把变量指数当作常数而写成 x⋅xx−1。若原函数存在零点,对数变换在零点处失效,需要回到原式单独计算;负底数的实数变指数也不能直接套用本式。
例
f(x)=ln(1+x2) 的定义域为 R,导数为 2x/(1+x2)。g(x)=xe−x 的导数为 e−x(1−x),指数内的 −x 贡献一个负号。
先辨认最外层运算再求导
设 f(x)=ln(x2+1)。最外层为对数,内层导数为 2x,故 f′(x)=2x/(x2+1),定义域为全体实数。
设 g(x)=x2e−x。最外层为乘积,两因子均须求导:
g′(x)=2xe−x−x2e−x=x(2−x)e−x.
对 h(x)=lnx/x,先限定 x>0,再用商法则得 h′(x)=(1−lnx)/x2。最后的因式分解或通分不仅为了简洁,也为了下一步判断符号。
三角函数求导公式中的自变量以弧度计。若把 sin(πx/180) 作为关于角度数值 x 的函数,导数还需乘 π/180。
易错点
(uv)′ 不是 u′v′;复合求导不能漏内层导数。导数公式只在可导点适用,不能用形式计算掩盖尖点或分段连接点。
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