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)=limh0(f+g)(x+h)(f+g)(x)h=limh0f(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)=limh0(fg)(x+h)(fg)(x)h=limh0f(x+h)g(x+h)f(x+h)g(x)+f(x+h)g(x)f(x)g(x)h=limh0f(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(nk)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))=limh01g(x+h)1g(x)h=limh0g(x)g(x+h)h1g(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=tanxy=\tan x的导数

  • 计算y=2x3sinx+lnxy=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)])=limh0f[g(x+h)]f[g(x)]h=limh0f[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=1x2y=\sqrt{1-x^2}

  • y=ln(cosx2)y=\ln(\cos x^2)

反函数的求导法则

x=f(y)x=f(y)有反函数y=f1(x)y=f^{-1}(x),且f,f1f,f^{-1}都可导,则

(f1(x))=1f(y)=1f(f1(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

(f1(x))=limh0f1(x+h)f1(x)x+hx=limΔy0y+Δyyf(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,a1)(a>0, a\neq1)

  • y=xxy=x^x

背熟常用函数导数表:P92

综合练习

f(x)={x2sin1xx<00x=0x2cos1xx>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x0x\neq0f(x)f(x)的导数

(2)利用定义验证f(x)f(x)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