2.2 导数的运算法则

高等数学A1



周维祺

加法法则

(f+g)′(x)=f′(x)+g′(x)(f+g)'(x)=f'(x)+g'(x)

加法法则的证明

(f+g)′(x)=lim⁡h→0(f+g)(x+h)−(f+g)(x)h=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h+g(x+h)−g(x)h=f′(x)+g′(x)\begin{align*}(f+g)'(x)&=\lim_{h\to0}\frac{(f+g)(x+h)-(f+g)(x)}{h} \\ &=\lim_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}+\frac{g(x+h)-g(x)}{h} \\ &=f'(x)+g'(x) \end{align*}

乘法法则

(fg)′(x)=f′(x)g(x)+g′(x)f(x)(fg)'(x)=f'(x)g(x)+g'(x)f(x)

乘法法则的证明

(fg)′(x)=lim⁡h→0(fg)(x+h)−(fg)(x)h=lim⁡h→0f(x+h)g(x+h)−f(x+h)g(x)+f(x+h)g(x)−f(x)g(x)h=lim⁡h→0f(x+h)g(x+h)−g(x)h+g(x)f(x+h)−f(x)h=f(x)g′(x)+g(x)f′(x)\begin{align*}(fg)'(x)&=\lim_{h\to0}\frac{(fg)(x+h)-(fg)(x)}{h} \\ &=\lim_{h\to0}\frac{f(x+h)g(x+h)-f(x+h)g(x)+f(x+h)g(x)-f(x)g(x)}{h} \\ &=\lim_{h\to0}f(x+h)\frac{g(x+h)-g(x)}{h}+g(x)\frac{f(x+h)-f(x)}{h} \\ &=f(x)g'(x)+g(x)f'(x) \end{align*}

高阶导数的乘法法则

(fg)(n)=∑k=0n(nk)f(n−k)g(k)(fg)^{(n)}=\sum_{k=0}^n\binom{n}{k}f^{(n-k)}g^{(k)}

除法法则

(f(x)g(x))′=f′(x)g(x)−g′(x)f(x)(g(x))2,g(x)≠0\left(\frac{f(x)}{g(x)}\right)'=\frac{f'(x)g(x)-g'(x)f(x)}{\left(g(x)\right)^2},\quad g(x)\neq0

除法法则的证明

(1g(x))′=lim⁡h→01g(x+h)−1g(x)h=lim⁡h→0g(x)−g(x+h)h⋅1g(x)g(x+h)=−g′(x)(g(x))2\begin{align*}\left(\frac{1}{g(x)}\right)'&=\lim_{h\to0}\frac{\frac{1}{g(x+h)}-\frac{1}{g(x)}}{h} \\ &=\lim_{h\to0}\frac{g(x)-g(x+h)}{h}\cdot\frac{1}{g(x)g(x+h)} \\ &=-\frac{g'(x)}{\left(g(x)\right)^2} \end{align*}

练习

  • 完成证明的剩余步骤

  • 计算y=tan⁡xy=\tan x的导数

  • 计算y=2x3sin⁡x+ln⁡xy=2x^3\sin x+\ln x的导数

求导运算具有线性性

求导可以与加法和数乘交换顺序

(f+g)′(x)=f′(x)+g′(x)(f+g)'(x)=f'(x)+g'(x)

(af(x))′=af′(x)\left(af(x)\right)'=af'(x)

链式法则

(f[g(x)])′=f′[g(x)]g′(x)\left(f[g(x)]\right)'=f'[g(x)]g'(x)

链式法则的证明

(f[g(x)])′=lim⁡h→0f[g(x+h)]−f[g(x)]h=lim⁡h→0f[g(x+h)]−f[g(x)]g(x+h)−g(x)⋅g(x+h)−g(x)h=f′[g(x)]g′(x)\begin{align*}\left(f[g(x)]\right)'&=\lim_{h\to0}\frac{f[g(x+h)]-f[g(x)]}{h} \\ &=\lim_{h\to0}\frac{f[g(x+h)]-f[g(x)]}{g(x+h)-g(x)}\cdot\frac{g(x+h)-g(x)}{h} \\ &=f'[g(x)]g'(x) \end{align*}

(令u=g(x),u+Δu=g(x+h)u=g(x),\quad u+\Delta u=g(x+h))

练习

  • 计算下列函数的导数

  • y=1−x2y=\sqrt{1-x^2}

  • y=ln⁡(cos⁡x2)y=\ln(\cos x^2)

反函数的求导法则

若x=f(y)x=f(y)有反函数y=f−1(x)y=f^{-1}(x),且f,f−1f,f^{-1}都可导,则

(f−1(x))′=1f′(y)=1f′(f−1(x))\left(f^{-1}(x)\right)'=\frac{1}{f'(y)}=\frac{1}{f'\left(f^{-1}(x)\right)}

反函数求导法则的证明

(f−1(x))′=lim⁡h→0f−1(x+h)−f−1(x)x+h−x=lim⁡Δy→0y+Δy−yf(y+Δy)−f(y)=1f′(y)\begin{align*}\left(f^{-1}(x)\right)'&=\lim_{h\to0}\frac{f^{-1}(x+h)-f^{-1}(x)}{x+h-x} \\ &=\lim_{\Delta y\to0}\frac{y+\Delta y-y}{f(y+\Delta y)-f(y)} \\ &=\frac{1}{f'(y)} \\ \end{align*}

练习

  • 计算下列函数的导数

  • y=axy=a^x (a>0,a≠1)(a>0, a\neq1)

  • y=xxy=x^x

背熟常用函数导数表:P92

综合练习

f(x)={x2sin⁡1xx<00x=0x2cos⁡1xx>0f(x)=\begin{dcases}x^2\sin\frac{1}{x} & x<0 \\ 0 & x=0 \\ x^2\cos\frac{1}{x} & x>0\end{dcases}

(1)计算x≠0x\neq0时f(x)f(x)的导数

(2)利用定义验证f(x)f(x)在x=0x=0处是否可导

(3)f′(x)f'(x)是否连续?

处处可导的函数,导数也不一定连续

小结

  • 加法、乘法、除法法则

  • 链式法则

  • 反函数求导

  • 导数表