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求导法则

上一节我们从定义求得了一些函数的导数。下面我们引入一些求导法则,这样就能很快求得复杂函数的导数。

🔶 定理 3:求导法则

若函数 u(x)u(x) 与 v(x)v(x) 在点 x0x_0 处可导,则

  1. f(x)=u(x)±v(x)f(x)=u(x)\pm v(x) 在点 x0x_0 处可导,且
f′(x0)=u′(x)±v′(x)\begin{align} f'(x_0)=u'(x)\pm v'(x) \end{align}
  1. f(x)=u(x)v(x)f(x)=u(x)v(x) 在点 x0x_0 处可导,且
f′(x0)=u′(x)v(x0)+v′(x)u(x0)\begin{align} f'(x_0)=u'(x)v(x_0)+v'(x)u(x_0) \end{align}

3.若 v(x0)≠0v(x_0)\ne 0 ,则 f(x)=u(x)v(x)f(x)=\frac{u(x)}{v(x)} 在点 x0x_0 处可导,且

f′(x0)=u′(x0)v(x)−v′(x0)u(x0)[v′(x0)]2\begin{align} f'(x_0)=\frac{u'(x_0)v(x)-v'(x_0)u(x_0)}{\left[v'(x_0)\right]^2} \end{align}

解: 只需根据定义证明即可

f′(x0)=lim⁡Δx→0[u(x0+Δx)±v(x0+Δx)]−[u(x0)±v(x0)]Δx=lim⁡Δx→0u(x0+Δx)−u(x0)Δx±lim⁡Δx→0v(x0+Δx)−v(x0)Δx=u′(x)±v′(x)\begin{align*} & f'(x_0)=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\left[u(x_0+\Delta x)\pm v(x_0+\Delta x)\right]-\left[u(x_0)\pm v(x_0)\right]}{\Delta x}\\ & =\lim_{\Delta x\to 0}\frac{u(x_0+\Delta x)-u(x_0)}{\Delta x}\pm\lim_{\Delta x\to 0}\frac{v(x_0+\Delta x)-v(x_0)}{\Delta x}=u'(x)\pm v'(x)\\ \end{align*}
f′(x0)=lim⁡Δx→0u(x0+Δx)v(x0+Δx)−u(x0)v(x0)Δx=lim⁡Δx→0u(x0+Δx)v(x0+Δx)−u(x0)v(x0+Δx)Δx+lim⁡Δx→0u(x0)v(x0+Δx)−u(x0)v(x0)Δx=lim⁡Δx→0u(x0+Δx)−u(x0)Δxv(x0+Δx)+lim⁡Δx→0v(x0+Δx)−v(x0)Δxu(x0)=u′(x)v(x0)+v′(x)u(x0)\begin{align*} & f'(x_0)=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{u(x_0+\Delta x)v(x_0+\Delta x)-u(x_0)v(x_0)}{\Delta x}\\ & =\lim_{\Delta x\to 0}\frac{u(x_0+\Delta x)v(x_0+\Delta x)-u(x_0)v(x_0+\Delta x)}{\Delta x}+\lim_{\Delta x\to 0}\frac{u(x_0)v(x_0+\Delta x)-u(x_0)v(x_0)}{\Delta x}\\ & =\lim_{\Delta x\to 0}\frac{u(x_0+\Delta x)-u(x_0)}{\Delta x}v(x_0+\Delta x)+\lim_{\Delta x\to 0}\frac{v(x_0+\Delta x)-v(x_0)}{\Delta x}u(x_0)\\ & =u'(x)v(x_0)+v'(x)u(x_0) \end{align*}

3.令 f(x)=u(x)g(x)f(x)=u(x)g(x) , g(x)=1v(x)g(x)=\frac{1}{v(x)} ,使用公式(8),可得

f′(x0)=u′(x0)g(x0)+g′(x0)u(x0)f'(x_0)=u'(x_0)g(x_0)+g'(x_0)u(x_0)

下面求 g′(x0)g'(x_0)

g′(x0)=lim⁡Δx→01v(x0+Δx)−1v(x0)Δx=−lim⁡Δx→0v(x0+Δx)−v(x0)Δx⋅1v(x0+Δx)v(x0)=−v′(x0)[v(x0)]2\begin{align*} & g'(x_0)=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\frac{1}{v(x_0+\Delta x)}-\frac{1}{v(x_0)}}{\Delta x}\\ & = -\lim_{\Delta x\to 0}\frac{{v(x_0+\Delta x)}-{v(x_0)}}{\Delta x}\cdot \frac{1}{v(x_0+\Delta x)v(x_0)}\\ & =-\frac{v'(x_0)}{\left[v(x_0)\right]^2}\\ \end{align*}

因此

f′(x0)=u′(x0)g(x0)+g′(x0)u(x0)=u′(x0)v(x)−v′(x0)u(x0)[v′(x0)]2f'(x_0)=u'(x_0)g(x_0)+g'(x_0)u(x_0)=\frac{u'(x_0)v(x)-v'(x_0)u(x_0)}{\left[v'(x_0)\right]^2}
🔵 推论 3

我们可以将公式(8)推广到 nn 个函数相乘 [∏k=1nfk(x)]′=∑k=1nfk′(x)∏1≤i≤ni≠kfi(x)\left[\prod_{k=1}^{n}f_{k}(x)\right]'=\sum_{k=1}^{n}f'_{k}(x)\prod_{\substack{1 \leq i \leq n \\ i \neq k}}f_{i}(x) 公式(2)就是 k=2k=2 时的特殊情形。

📌 例 7

求:

  1. (xsin⁡x)′(x\sin x)'
  2. (tan⁡x)′(\tan x)'
  3. (xex)′(xe^x)'
  4. (1xn)′\left(\frac{1}{x^n}\right)' , n∈N+n\in N_{+}

解: 1.

(xsin⁡x)′=sin⁡x+xcos⁡x(x\sin x)'=\sin x+x\cos x
(tan⁡x)′=(sin⁡xcos⁡x)′=cos⁡2x+sin⁡2xcos⁡2x=1cos⁡2x(\tan x)'=\left(\frac{\sin x}{\cos x}\right)'=\frac{\cos^2 x+\sin^2 x}{\cos^2 x}=\frac{1}{\cos^2 x}
(xex)′=ex+xex=ex(1+x)(xe^x)'=e^x+xe^x=e^x(1+x)
(1xn)′=0−nxn−1x2n=−nxn+1\left(\frac{1}{x^n}\right)'=\frac{0-nx^{n-1}}{x^{2n}}=-\frac{n}{x^{n+1}}

反函数是一类导函数不太好求的函数,如果直接使用导数的定义求解可能会很繁琐,因此我们引入反函数求导公式。有时候,使用反函数求导公式能够很快计算出反函数的导数。

🔶 定理 4:反函数求导公式

设 y=f(x)y=f(x) 与 x=φ(y)x=\varphi(y) 互为反函数,若 φ(y)\varphi(y) 在 y0y_0 的某个邻域连续,严格单调且 φ′(y0)≠0\varphi'(y_0)\ne 0 ,则 f(x)f(x) 在点 x=x0=φ(y0)x=x_0=\varphi(y_0) 处可导,且导数为

f′(x0)=1φ′(y0)\begin{align} f'(x_0)=\frac{1}{\varphi'(y_0)} \end{align}

证: 令 Δx=φ(y0+δ)−φ(y0)\Delta x=\varphi(y_0+\delta)-\varphi(y_0) , Δy=f(x0+δ)−f(x0)\Delta y=f(x_0+\delta)-f(x_0) . 由于 y=f(x)y=f(x) 与 x=φ(y)x=\varphi(y) 互为反函数,且 φ(y)\varphi(y) 在 y0y_0 的某个邻域连续,严格单调且 φ′(y0)≠0\varphi'(y_0)\ne 0 从而 f(x)f(x) 在 x0x_0 的某个邻域连续,严格单调。因此 Δx=0\Delta x=0 当且仅当 Δy=0\Delta y=0 , Δx→0\Delta x\to 0 当且仅当 Δy→0\Delta y\to 0 因此

f′(x0)=lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δy→0ΔyΔx=1lim⁡Δy→0ΔxΔy=1φ′(y0)f'(x_0)=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\Delta y}{\Delta x}=\lim_{\Delta y\to 0}\frac{\Delta y}{\Delta x}=\frac{1}{\lim_{\Delta y\to 0}\frac{\Delta x}{\Delta y}}=\frac{1}{\varphi'(y_0)}

在使用反函数求导公式求导时,求导结果要表示成关于 xx 的函数,因此最后替换一下即可,即:

f′(x)=1φ′(y)=1φ′[f(x)]\begin{align} f'(x)=\frac{1}{\varphi'(y)}=\frac{1}{\varphi'\left[f(x)\right]} \end{align}
📌 例 8

求:

  1. (arcsin⁡x)′(\arcsin x)'

  2. (arccos⁡x)′(\arccos x)'

  3. (arctan⁡x)′(\arctan x)'

  4. (arccotx)′(arccot x)'

解:

  1. f(x)=arcsin⁡xf(x)=\arcsin x 的反函数为 x=sin⁡yx=\sin y 因此
f′(x)=1(sin⁡y)′=1cos⁡y=11−sin⁡2x=11−x2f'(x)=\frac{1}{(\sin y)'}=\frac{1}{\cos y}=\frac{1}{\sqrt{1-\sin^2{x}}}=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
  1. f(x)=arccos⁡xf(x)=\arccos x 的反函数为 x=cos⁡yx=\cos y 因此
f′(x)=1(cos⁡y)′=−1sin⁡y=−11−cos⁡2x=−11−x2f'(x)=\frac{1}{(\cos y)'}=-\frac{1}{\sin y}=-\frac{1}{\sqrt{1-\cos^2{x}}}=-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
  1. f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x 的反函数为 x=tan⁡yx=\tan y 因此
f′(x)=1(tan⁡y)′=1sec⁡2y=11+tan⁡2x=11+x2f'(x)=\frac{1}{(\tan y)'}=\frac{1}{\sec^2 y}=\frac{1}{1+\tan^2{x}}=\frac{1}{1+x^2}
  1. f(x)=arccotxf(x)=arccot x 的反函数为 x=cot⁡yx=\cot y 因此
f′(x)=1(cot⁡y)′=−1csc⁡2y=−11+cot⁡2x=−11+x2f'(x)=\frac{1}{(\cot y)'}=-\frac{1}{\csc^2 y}=-\frac{1}{1+\cot^2{x}}=-\frac{1}{1+x^2}

虽然使用导数的四则运算及反函数的求导公式能够解决一部分求导数问题,但是事实上大多函数都不是基本初等函数,而是经过初等函数复合得到的函数。因此掌握复合函数求导公式尤为重要。

🔮 引理 1

函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处可导的充要条件是:在 x0x_0 的某个邻域 U(x0)U(x_0) 上,存在一个在点 x0x_0 处连续的函数 H(x)H(x) ,使得

f(x)−f(x0)=H(x)(x−x0)f(x)-f(x_0)=H(x)(x-x_0)

那么就有

lim⁡x→x0H(x)=lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0=f′(x0)\lim_{x\to x_0}H(x)=\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}=f'(x_0)

证: ( ⇒\Rightarrow )此时已有 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处可导,我们只需构造一个 H(x)H(x) 即可。令

H(x)={f(x)−f(x0)x−x0,x∈U∘(x0)f′(x0),x=x0H(x)=\begin{cases} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}&, x\in U^{\circ}(x_0)\\ f'(x_0)&,x=x_0 \end{cases}

那么

lim⁡x→x0H(x)=lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0=f′(x0)=H(x0)\lim_{x\to x_0}H(x)=\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}=f'(x_0)=H(x_0)

此时 H(x)H(x) 满足题目要求。 ( ⇐\Leftarrow )由于 H(x)H(x) 在点 x0x_0 处连续,且

f(x)−f(x0)=H(x)(x−x0)f(x)-f(x_0)=H(x)(x-x_0)

因此

lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0=lim⁡x→x0H(x)=H(x0)\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}=\lim_{x\to x_0}H(x)=H(x_0)

因此 f(x)f(x) 在 x=x0x=x_0 处可导,且 H(x0)=f′(x0)H(x_0)=f'(x_0) \qed

下面引入复合函数求导法则。

🔶 定理 5:复合函数求导法则

设 y=f(u),u=g(x)y=f(u),u=g(x) 若 u=g(x)u=g(x) 在 x=x0x=x_0 处可导, y=f(u)y=f(u) 在 u0=g(x0)u_0=g(x_0) 处可导,则复合函数 f(g(x))f(g(x)) 在 x=x0x=x_0 处可导,且

[f(g(x))]′=f′(u0)g′(x0)=f′(g(x0))g′(x0)[f(g(x))]'=f'(u_0)g'(x_0)=f'(g(x_0))g'(x_0)

证: 由于 y=f(u)y=f(u) 在点 u=u0u=u_0 处可导。因此存在一个在点 u=u0u=u_0 处连续的函数 F(u)F(u) ,使得 f′(u0)=F(u0)f'(u_0)=F(u_0) ,且

f(u)−f(u0)=F(u)(u−u0) , (u∈U(u0))f(u)-f(u_0)=F(u)(u-u_0)\ ,\ (u\in U(u_0))

同理,由于 u=g(x)u=g(x) 在点 x=x0x=x_0 处可导。因此存在一个在点 x=x0x=x_0 处连续的函数 G(x)G(x) ,使得 g′(x0)=G(x0)g'(x_0)=G(x_0) ,且

g(x)−g(x0)=G(x)(x−x0) , (u∈U(x0))g(x)-g(x_0)=G(x)(x-x_0)\ ,\ (u\in U(x_0))

因此

f(u)−f(u0)=f[g(x))−f(g(x0)]=F[g(x)]⋅[g(x)−g(x0)]=F(g(x))G(x)(x−x0)\begin{align*} &f(u)-f(u_0)=f[g(x))-f(g(x_0)]\\ &=F[g(x)]\cdot[g(x)-g(x_0)]=F(g(x))G(x)(x-x_0) \end{align*}

由于 g(x),G(x)g(x),G(x) 在 x=x0x=x_0 处连续, f(u),F(u)f(u),F(u) 在 u=u0u=u_0 处连续,因此 H(x)=F(g(x))G(x)H(x)=F(g(x))G(x) 在 x=x0x=x_0 处连续。从而由引理可得 f(g(x))f(g(x)) 在 x=x0x=x_0 处可导,且

[(f∘g)]′(x0)=F(g(x0))G(x0)=f′(g(x0))g′(x0)\left[(f\circ g)\right]'(x_0)=F(g(x_0))G(x_0)=f'(g(x_0))g'(x_0)

注: 事实上

lim⁡x→x0f(g(x))−f(g(x0))x−x0=lim⁡x→x0f(g(x))−f(g(x0))g(x)−g(x0)⋅g(x)−g(x0)x−x0=lim⁡u→u0f(u)−f(u0)u−u0⋅lim⁡x→x0g(x)−g(x0)x−x0=f′(u0)g′(x0)=f′(g(x0))g′(x0)\begin{align*} &\lim_{x\to x_0}\frac{f(g(x))-f(g(x_0))}{x-x_0}\\ &=\lim_{x\to x_0}\frac{f(g(x))-f(g(x_0))}{g(x)-g(x_0)}\cdot\frac{g(x)-g(x_0)}{x-x_0}\\ &=\lim_{u\to u_0}\frac{f(u)-f(u_0)}{u-u_0}\cdot\lim_{x\to x_0}\frac{g(x)-g(x_0)}{x-x_0}\\ &=f'(u_0)g'(x_0)=f'(g(x_0))g'(x_0) \end{align*}

注: 复合函数的求导法则也称为链式法则,一般也记作

dydx=dydu⋅dudt\begin{align} \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dt} \end{align}

如果复合嵌套次数较多时,使用(6)可以清楚地知道该对哪一层函数求导。因此

🔵 推论 4

对于函数 y=f0(x1),x1=f1(x2)⋯xn=fn(x)y=f_{0}(x_1),x_1=f_{1}(x_2)\cdots x_n=f_{n}(x) , y=f0∘f1∘⋯∘fn(x)y=f_{0}\circ f_{1}\circ \cdots \circ f_{n}(x) 的导数为

dydx=dydx1⋅dx1dx2⋯dxndx\begin{align} \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{dx_1}\cdot\frac{dx_1}{dx_2}\cdots\frac{dx_n}{dx} \end{align}
📌 例 9

求 f′(x)f'(x) ,其中:

  1. f(x)=ex2f(x)=e^{x^2}

  2. f(x)=sin⁡(cos⁡x)f(x)=\sin(\cos x)

  3. f(x)=ln⁡(tan⁡x) (x∈D)f(x)=\ln(\tan x)\ (x\in D)

  4. f(x)=tan⁡(ln⁡x) (x>0)f(x)=\tan(\ln x)\ (x>0)

  5. f(x)=(x−1)4(x−2)5x2(x+2)3 (x>2)f(x)=\frac{(x-1)^4(x-2)^{5}}{x^{2}(x+2)^3}\ (x>2)

解: 1.

f′(x)=ex2(x2)′=2xex2f'(x)=e^{x^2}(x^2)'=2xe^{x^2}
f′(x)=cos⁡(cos⁡x)(cos⁡)′=−sin⁡x⋅cos⁡(cos⁡x)f'(x)=\cos(\cos x)(\cos)'=-\sin x \cdot \cos(\cos x)
f′(x)=1tan⁡x(tan⁡x)′=1sin⁡xcos⁡x (x∈D)f'(x)=\frac{1}{\tan x}(\tan x)'=\frac{1}{\sin x \cos x}\ (x\in D)
f′(x)=1cos⁡2(ln⁡x)(ln⁡x)′=1xcos⁡2(ln⁡x) (x>0)f'(x)=\frac{1}{\cos^2(\ln x)}(\ln x)'=\frac{1}{x\cos^2(\ln x)}\ (x>0)

5.本题直接求比较麻烦,因为有多个因式乘积求导,需要分别计算各自的导数。但是如果我们取对数,各个因式都变成了加减运算,这样就能大大简化运算。 先取对数

ln⁡y=ln⁡(x−1)4(x−2)5x2(x+2)3=4ln⁡(x−1)+5ln⁡(x−2)−2ln⁡x−3ln⁡(x+2)\ln y=\ln \frac{(x-1)^4(x-2)^{5}}{x^{2}(x+2)^3}=4\ln(x-1)+5\ln(x-2)-2\ln x-3\ln(x+2)

两边同时对 xx 求导,得

y′y=4x−1+5x−2−2x−3x+2\frac{y'}{y}=\frac{4}{x-1}+\frac{5}{x-2}-\frac{2}{x}-\frac{3}{x+2}

因此

y′=(x−1)4(x−2)5x2(x+2)3[4x−1+5x−2−2x−3x+2] (x>0)y'=\frac{(x-1)^4(x-2)^{5}}{x^{2}(x+2)^3}\left[\frac{4}{x-1}+\frac{5}{x-2}-\frac{2}{x}-\frac{3}{x+2}\right]\ (x>0)

类似于上述求导的方法我们称为对数-指数求导法。为什么有指数呢?因为我们可以把 yy 写成 eln⁡ye^{\ln y} 形式,然后使用复合函数求导法则即可得到其导数。

🔶 定理 6:对数-指数求导法

在求解形如 y=u(x)v(x)y=u(x)^{v(x)} 类型的导数时,我们可以先对 yy 取对数 ln⁡y=v(x)ln⁡(u(x))\ln y=v(x)\ln(u(x)) ,然后求导:

y′y=v′(x)ln⁡(u(x))+u′(x)u(x)v(x)\frac{y'}{y}=v'(x)\ln(u(x))+\frac{u'(x)}{u(x)}v(x)

那么就有

y′=[u(x)v(x)]′=u(x)v(x)[v′(x)ln⁡(u(x))+u′(x)u(x)v(x)]\begin{align} y'=\left[u(x)^{v(x)}\right]'=u(x)^{v(x)}\left[v'(x)\ln(u(x))+\frac{u'(x)}{u(x)}v(x)\right] \end{align}

或者将其化为指数 y=u(x)v(x)=ev(x)ln⁡(u(x))y=u(x)^{v(x)}=e^{v(x)\ln(u(x))} ,那么也能得到

y′=ev(x)ln⁡(u(x))[v(x)ln⁡(u(x))]′=u(x)v(x)[v′(x)ln⁡(u(x))+u′(x)u(x)v(x)]y'=e^{v(x)\ln(u(x))}\left[v(x)\ln(u(x))\right]'=u(x)^{v(x)}\left[v'(x)\ln(u(x))+\frac{u'(x)}{u(x)}v(x)\right]
📌 例 10

求 y=xxy=x^x 的导数

解: 由于 y=xx=exln⁡xy=x^x=e^{x\ln x} ,因此y′=exln⁡x(xln⁡x)′=xx(1+ln⁡x)y'=e^{x\ln x}(x\ln x)'=x^x(1+\ln x)

练习: 求:1. (xsin⁡x)′(x^{\sin x})' 2. (xxx)′\left(x^{x^x}\right)' \

提示:1. (xsin⁡x)′=xsin⁡x(cos⁡xln⁡x+sin⁡xx)(x^{\sin x})'=x^{\sin x}(\cos x \ln x+\frac{\sin x}{x}) 2. (xxx)′=xxx[xx(1+ln⁡x)ln⁡x+xxx]\left(x^{x^x}\right)'=x^{x^x}\left[x^x(1+\ln x)\ln x+\frac{x^x}{x}\right]

至此,我们叙述了基本求导法则以及一些函数的导数公式,下面全部列举出来:\ 基本求导法则

  • (u±v)′=u′±v′(u\pm v)'=u'\pm v'
  • (uv)′=u′v+v′u(uv)'=u'v+v'u
  • (uv)′=u′v−v′uv2(\frac{u}{v})'=\frac{u'v-v'u}{v^2}
  • 反函数求导法则 dydx=1dxdy\frac{dy}{dx}=\frac{1}{\frac{dx}{dy}}
  • 复合函数求导法则 dtdx=dydu⋅dudx\frac{dt}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx}
  • 对数-指数求导法 y′=y⋅(ln⁡y)′y'=y\cdot (\ln y)'

一些函数导数公式

  • (C)′=0 (C∈R)(C)'=0\ (C\in R)
  • (xα)′=αxα−1 (α∈R)(x^{\alpha})'=\alpha x^{\alpha-1}\ (\alpha\in R)
  • (sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)'=\cos x , (cos⁡x)′=−sin⁡x(\cos x)'=-\sin x , (tan⁡x)′=sec2x(\tan x)'=sec^2 x , (cot⁡x)′=−csc⁡2x(\cot x)'=-\csc^2 x
  • (arcsin⁡x)′=11−x2(\arcsin x)'=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}} , (arccos⁡x)′=−11−x2(\arccos x)'=-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}} , (arctan⁡x)′=11+x2(\arctan x)'=\frac{1}{1+x^2}
  • (ax)′=axln⁡a (a>0,a≠1)(a^x)'=a^x\ln a \ (a>0,a\ne 1)
  • (log⁡ax)′=1xln⁡a (a>0,a≠1)(\log_{a}x)'=\frac{1}{x\ln a}\ (a>0,a\ne 1)
  • [u(x)v(x)]′=u(x)v(x)[v′(x)ln⁡(u(x))+u′(x)u(x)v(x)]\left[u(x)^{v(x)}\right]'=u(x)^{v(x)}\left[v'(x)\ln(u(x))+\frac{u'(x)}{u(x)}v(x)\right]