导数

定义

点可导

函数 y=f(x)y=f(x) 在点 x0x_0 的邻域 U(x0)U(x_0) 有定义,给定一个增量 Δx\Delta x(x0+Δx∈U(x0)x_0+\Delta x\in U(x_0),Δx\Delta x 可正可负),且极限 lim⁡Δx→0f(x0+Δx)−f(x0)Δx\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x} 存在,则称此极限为 f(x)f(x) 在 x0x_0 处的导数,记作 f′(x0)f'(x_0) 或 y′∣x=x0y'|_{x=x_0} 或 dydx∣x=x0\frac{dy}{dx}|_{x=x_0} 或 df(x)dx∣x=x0\frac{df(x)}{dx}|_{x=x_0}

此极限还有另一种表示形式,令 x=x0+Δxx=x_0+\Delta x,则 Δx=x−x0\Delta x=x-x_0

f′(x0)=lim⁡Δx→x0f(x0+Δx)−f(x0)Δx=lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0\begin{aligned}f'(x_0)&=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow x_0}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}\\&=\lim\limits_{x\rightarrow x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}\end{aligned}

由定义可知导数 f′(x)f'(x) 实质就是一个特殊的极限

区间可导

若函数 y=f(x)y=f(x) 在区间 IxI_x 的每一点都可导,记作 f′(x)f'(x) 或 y′y' 或 dydx\frac{dy}{dx} 或 df(x)dx\frac{df(x)}{dx},称 f′(x)f'(x) 为 f(x)f(x) 的导函数

单侧导数

左导数

函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 的左邻域 U(x0−)U(x_0^-) 有定义,则左导数定义为

f′(x0−)=lim⁡x→x0−f(x)−f(x0)x−x0f'(x_0^-)=\lim\limits_{x\rightarrow x_0^-}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}

右导数

函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 的右邻域 U(x0+)U(x_0^+) 有定义,则右导数定义为

f′(x0+)=lim⁡x→x0+f(x)−f(x0)x−x0f'(x_0^+)=\lim\limits_{x\rightarrow x_0^+}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}

存在条件

函数 y=f(x)y=f(x) 在 x0x_0 处存在导数的充要条件为

  • f(x)f(x) 在 x0x_0 处连续
    此条件保证了 f(x0)f(x_0) 存在且导数定义式极限不为无穷大
  • f(x)f(x) 在 x0x_0 处左右导数相等
    此条件保证了 xx 以任意方式趋近 x0x_0 的结果都一样

这两个条件缺一不可,如下图
导数存在条件演示图

  • 左图 y=x(x−2)x−2y=\frac{x(x-2)}{x-2} 在点 (2,2)(2,2) 处不连续但是左右导数相等,f(2)f(2) 不存在,因此极限 lim⁡x→2f(x)−f(2)x−2\lim\limits_{x\rightarrow 2}\frac{f(x)-f(2)}{x-2} 不存在,f(x)f(x) 在 22 处导数不存在
  • 右图 y=∣x∣y=|x| 在点 (0,0)(0,0) 处左右导数不相等但是连续,左导数 f(0−)=−1f(0^-)=-1、右导数 f(0+)=1f(0^+)=1,因此导数不存在

意义

函数意义

函数 y=f(x)y=f(x) 在 x0x_0 处的导数 f′(x0)f'(x_0) 即为 f(x)f(x) 在 x0x_0 处的变化率(变化快慢)

几何意义

函数 y=f(x)y=f(x) 在 x0x_0 处的导数 f′(x0)f'(x_0) 即为 f(x)f(x) 在 x0x_0 处切线的斜率

求导法则

和差积商

u=u(x), v=v(x)u=u(x),~v=v(x) 都可导,则

  • (u±v)′=u′±v′(u\pm v)'=u'\pm v'
  • (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv'
  • (uv)′=u′v−uv′v2, v(x)≠0(\frac{u}{v})'=\frac{u'v-uv'}{v^2},~v(x)\neq 0
证明过程

(u±v)′=u′±v′(u\pm v)'=u'\pm v' 由极限运算法则的加减法则易知

(uv)′=lim⁡Δx→0u(x+Δx)v(x+Δx)−u(x)v(x)Δx=lim⁡Δx→0u(x+Δx)v(x+Δx)−u(x)v(x+Δx)+u(x)v(x+Δx)−u(x)v(x)Δx=lim⁡Δx→0[u(x+Δx)−u(x)]v(x+Δx)Δx+lim⁡Δx→0[v(x+Δx)−v(x)]u(x)Δx=u′(x)v(x)+u(x)v′(x)\begin{aligned} (uv)'&=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{u(x+\Delta x)v(x+\Delta x)-u(x)v(x)}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{u(x+\Delta x)v(x+\Delta x)-u(x)v(x+\Delta x)+u(x)v(x+\Delta x)-u(x)v(x)}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{[u(x+\Delta x)-u(x)]v(x+\Delta x)}{\Delta x}+\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{[v(x+\Delta x)-v(x)]u(x)}{\Delta x}\\ &=u'(x)v(x)+u(x)v'(x) \end{aligned}

(uv)′=lim⁡Δx→0u(x+Δx)v(x+Δx)−u(x)v(x)Δx=lim⁡Δx→0u(x+Δx)v(x)−u(x)v(x+Δx)v(x+Δx)v(x)Δx=lim⁡Δx→0u(x+Δx)v(x)−u(x)v(x)+u(x)v(x)−u(x)v(x+Δx)v(x+Δx)v(x)Δx=lim⁡Δx→0[u(x+Δx)−u(x)]v(x)−u(x)[v(x+Δx)−v(x)]v(x+Δx)v(x)Δx=u′(x)v(x)−u(x)v′(x)v2(x)\begin{aligned} (\frac{u}{v})'&=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\frac{u(x+\Delta x)}{v(x+\Delta x)}-\frac{u(x)}{v(x)}}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\frac{u(x+\Delta x)v(x)-u(x)v(x+\Delta x)}{v(x+\Delta x)v(x)}}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{u(x+\Delta x)v(x)-u(x)v(x)+u(x)v(x)-u(x)v(x+\Delta x)}{v(x+\Delta x)v(x)\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{[u(x+\Delta x)-u(x)]v(x)-u(x)[v(x+\Delta x)-v(x)]}{v(x+\Delta x)v(x)\Delta x}\\ &=\frac{u'(x)v(x)-u(x)v'(x)}{v^2(x)} \end{aligned}

反函数

函数 y=f(x)y=f(x) 与 x=f−1(y)x=f^{-1}(y) 互为反函数,则

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

也可写成

dydx=1dxdy\frac{dy}{dx}=\frac{1}{\frac{dx}{dy}}

证明过程

给定 xx 一个增量 Δx\Delta x,对应的 yy 的增量为 Δy\Delta y
因为可导一定连续,即 lim⁡Δx→0Δy\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\Delta y,则 Δx→0\Delta x\rightarrow 0 时 Δy→0\Delta y\rightarrow 0

f′(x)=lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→01ΔxΔy=lim⁡Δy→01ΔxΔy=1lim⁡Δy→0ΔxΔy=1[f−1(y)]′\begin{aligned} f'(x)&=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\Delta y}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{1}{\frac{\Delta x}{\Delta y}}\\ &=\lim\limits_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{1}{\frac{\Delta x}{\Delta y}}\\ &=\frac{1}{\lim\limits_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{\Delta x}{\Delta y}}\\ &=\frac{1}{[f^{-1}(y)]'} \end{aligned}

复合函数

复合函数 y=f[g(x)]y=f[g(x)] 由函数 y=f(u)y=f(u) 和 u=g(x)u=g(x) 复合而成,则

y′=f′(u)⋅g′(x)y'=f'(u)\cdot g'(x)

也可写成

dydx=dydu⋅dudx\frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx}

证明过程

给定 xx 一个增量 Δx\Delta x,对应的 uu 的增量为 Δu\Delta u,对应的 yy 的增量为 Δy\Delta y
∵f′(u)=lim⁡Δu→0ΔyΔu\because f'(u)=\lim\limits_{\Delta u\rightarrow 0}\frac{\Delta y}{\Delta u}
∴ΔyΔu=f′(u)+α(Δu)\therefore\frac{\Delta y}{\Delta u}=f'(u)+\alpha(\Delta u)
∴Δy=f′(u)Δu+α(Δu)Δu\therefore\Delta y=f'(u)\Delta u+\alpha(\Delta u)\Delta u
∴ΔyΔx=f′(u)ΔuΔx+α(Δu)ΔuΔx\therefore\frac{\Delta y}{\Delta x}=f'(u)\frac{\Delta u}{\Delta x}+\alpha(\Delta u)\frac{\Delta u}{\Delta x}
可导一定连续,则 Δx→0\Delta x\rightarrow 0 时 Δu→0\Delta u\rightarrow 0,Δu→0\Delta u\rightarrow 0 时 Δy→0\Delta y\rightarrow 0

dydx=lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→0[f′(u)ΔuΔx+α(Δu)ΔuΔx]=f′(u)⋅g′(x)\begin{aligned} \frac{dy}{dx}&=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\Delta y}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}[f'(u)\frac{\Delta u}{\Delta x}+\alpha(\Delta u)\frac{\Delta u}{\Delta x}]\\ &=f'(u)\cdot g'(x) \end{aligned}

作用

判断函数单调性

若函数 y=f(x)y=f(x) 在区间 (a,b)(a,b) 内导函数 f′(x)≥0f'(x)\geq 0 且等号只在有限个点成立,则 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 内单调递增

若函数 y=f(x)y=f(x) 在区间 (a,b)(a,b) 内导函数 f′(x)≤0f'(x)\leq 0 且等号只在有限个点成立,则 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 内单调递减

判断函数凹凸性

若函数 y=f(x)y=f(x) 在区间 (a,b)(a,b) 内二阶导数 f′′(x)>0f''(x)>0,则 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 内为凹函数

若函数 y=f(x)y=f(x) 在区间 (a,b)(a,b) 内二阶导数 f′′(x)<0f''(x)<0,则 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 内为凸函数

判断函数极值点

若函数 y=f(x)y=f(x) 在 x0x_0 处取得极值,则 f′(x0)=0f'(x_0)=0

常见函数的导数

原函数 导函数
f(x)=Cf(x)=C f′(x)=0f'(x)=0
f(x)=xμf(x)=x^\mu f′(x)=μxμ−1f'(x)=\mu x^{\mu-1}
f(x)=axf(x)=a^x f′(x)=axln⁡af'(x)=a^x\ln a
f(x)=exf(x)=e^x f′(x)=exf'(x)=e^x
f(x)=log⁡axf(x)=\log_ax f′(x)=1xln⁡af'(x)=\frac{1}{x\ln a}
f(x)=ln⁡xf(x)=\ln x f′(x)=1xf'(x)=\frac{1}{x}
f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x f′(x)=cos⁡xf'(x)=\cos x
f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x f′(x)=−sin⁡xf'(x)=-\sin x
f(x)=tan⁡xf(x)=\tan x f′(x)=sec⁡2xf'(x)=\sec^2x
f(x)=cot⁡xf(x)=\cot x f′(x)=−csc⁡2xf'(x)=-\csc^2x
f(x)=sec⁡xf(x)=\sec x f′(x)=sec⁡xtan⁡xf'(x)=\sec x\tan x
f(x)=csc⁡xf(x)=\csc x f′(x)=−csc⁡xcot⁡xf'(x)=-\csc x\cot x
f(x)=arcsin⁡xf(x)=\arcsin x f′(x)=11−x2f'(x)=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
f(x)=arccos⁡xf(x)=\arccos x f′(x)=1−1−x2f'(x)=\frac{1}{-\sqrt{1-x^2}}
f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x f′(x)=11+x2f'(x)=\frac{1}{1+x^2}
f(x)=arccot xf(x)=\text{arccot}~x f′(x)=−11+x2f'(x)=-\frac{1}{1+x^2}

常数函数

f(x)=Cf(x)=C,其中 CC 为常数,则 f′(x)=0f'(x)=0

证明过程

f′(x)=lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0=lim⁡x→x0C−Cx−x0=lim⁡x→x00x−x0=0\begin{aligned}f'(x)&=\lim\limits_{x\rightarrow x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}\\&=\lim\limits_{x\rightarrow x_0}\frac{C-C}{x-x_0}\\&=\lim\limits_{x\rightarrow x_0}\frac{0}{x-x_0}\\&=0\end{aligned}

幂函数

f(x)=xμf(x)=x^\mu,其中 μ∈R\mu\in\mathbb R,则 f′(x)=μxμ−1f'(x)=\mu x^{\mu-1}

证明过程

f′(x)=lim⁡Δx→0f(x+Δx)−f(x)Δx=lim⁡Δx→0(x+Δx)μ−xμΔx=lim⁡Δx→0xμ[(1+Δxx)μ−1]Δx=lim⁡Δx→0xμ−1[(1+Δxx)μ−1]Δxx=xμ−1lim⁡Δx→0(1+Δxx)μ−1Δxx=xμ−1lim⁡Δx→0μΔxxΔxx=μxμ−1\begin{aligned} f'(x)&=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{(x+\Delta x)^\mu-x^\mu}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{x^\mu[(1+\frac{\Delta x}{x})^\mu-1]}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{x^{\mu-1}[(1+\frac{\Delta x}{x})^\mu-1]}{\frac{\Delta x}{x}}\\ &=x^{\mu-1}\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{(1+\frac{\Delta x}{x})^\mu-1}{\frac{\Delta x}{x}}\\ &=x^{\mu-1}\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\mu\frac{\Delta x}{x}}{\frac{\Delta x}{x}}\\ &=\mu x^{\mu-1} \end{aligned}

由常见等价无穷小知 (1+Δxx)μ−1∼μΔxx(1+\frac{\Delta x}{x})^\mu-1\sim\mu\frac{\Delta x}{x}

指数函数

f(x)=axf(x)=a^x,其中 a∈R,a>0,a≠1a\in\mathbb{R},a>0,a\neq 1,则 f′(x)=axln⁡af'(x)=a^x\ln a

证明过程

f′(x)=lim⁡Δx→0f(x+Δx)−f(x)Δx=lim⁡Δx→0ax+Δx−axΔx=lim⁡Δx→0ax(aΔx−1)Δx=axlim⁡Δx→0aΔx−1Δx=axln⁡a\begin{aligned} f'(x)&=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{a^{x+\Delta x}-a^x}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{a^x(a^{\Delta x}-1)}{\Delta x}\\ &=a^x\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{a^{\Delta x}-1}{\Delta x}\\ &=a^x\ln a \end{aligned}

由常见等价无穷小知 ax−1∼xln⁡aa^x-1\sim x\ln a

对数函数

f(x)=log⁡axf(x)=\log_a x,其中 a∈R,a>0,a≠1a\in\mathbb{R},a>0,a\neq 1,则 f′(x)=1xln⁡af'(x)=\frac{1}{x\ln a}

证明过程

f′(x)=lim⁡Δx→0f(x+Δx)−f(x)Δx=lim⁡Δx→0log⁡a(x+Δx)−log⁡axΔx =lim⁡Δx→0log⁡a(x+Δx)xΔx=lim⁡Δx→0log⁡a(1+Δxx)x⋅Δxx=1xlim⁡Δx→0log⁡a(1+Δxx)xΔx=1xlog⁡alim⁡Δx→0(1+Δxx)xΔx=1xlog⁡ae=1xln⁡a\begin{aligned} f'(x)&=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\log_a(x+\Delta x)-\log_a x}{\Delta x}\\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\log_a\frac{(x+\Delta x)}{x}}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\log_a(1+\frac{\Delta x}{x})}{x\cdot \frac{\Delta x}{x}}\\ &=\frac{1}{x}\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\log_a(1+\frac{\Delta x}{x})^\frac{x}{\Delta x}\\ &=\frac{1}{x}\log_a\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}(1+\frac{\Delta x}{x})^{\frac{x}{\Delta x}}\\ &=\frac{1}{x}\log_a e\\ &=\frac{1}{x\ln a} \end{aligned}

由自然底数 ee 的定义知 lim⁡x→0(1+x)1x=e\lim\limits_{x\rightarrow 0}(1+x)^{\frac{1}{x}}=e

三角函数

正弦函数

f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x,则 f′(x)=cos⁡xf'(x)=\cos x

证明过程

f′(x)=lim⁡Δx→0f(x+Δx)−f(x)Δx=lim⁡Δx→0sin⁡(x+Δx)−sin⁡xΔx=lim⁡Δx→02cos⁡(2x+Δx2)sin⁡(Δx2)Δx=lim⁡Δx→0cos⁡(x+Δx2)sin⁡Δx2Δx2=cos⁡x\begin{aligned} f'(x)&=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\sin(x+\Delta x)-\sin x}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{2\cos(\frac{2x+\Delta x}{2})\sin(\frac{\Delta x}{2})}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\cos(x+\frac{\Delta x}{2})\sin\frac{\Delta x}{2}}{\frac{\Delta x}{2}}\\ &=\cos x \end{aligned}

由和差化积公式知 sin⁡(x+Δx)−sin⁡x=2cos⁡(2x+Δx2)sin⁡Δx2\sin(x+\Delta x)-\sin x=2\cos(\frac{2x+\Delta x}{2})\sin\frac{\Delta x}{2}
由两个重要极限知 lim⁡Δx→0sin⁡Δx2Δx2=1\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\sin\frac{\Delta x}{2}}{\frac{\Delta x}{2}}=1

余弦函数

f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x,则 f′(x)=−sin⁡xf'(x)=-\sin x

证明过程

f′(x)=lim⁡Δx→0f(x+Δx)−f(x)Δx=lim⁡Δx→0cos⁡(x+Δx)−cos⁡xΔx=lim⁡Δx→0−2sin⁡(2x+Δx2)sin⁡(Δx2)Δx=lim⁡Δx→0−sin⁡(x+Δx2)sin⁡Δx2Δx2=sin⁡x\begin{aligned} f'(x)&=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\cos(x+\Delta x)-\cos x}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{-2\sin(\frac{2x+\Delta x}{2})\sin(\frac{\Delta x}{2})}{\Delta x}\\ &=\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{-\sin(x+\frac{\Delta x}{2})\sin\frac{\Delta x}{2}}{\frac{\Delta x}{2}}\\ &=\sin x \end{aligned}

由和差化积公式知 cos⁡(x+Δx)−cos⁡x=−2sin⁡(2x+Δx2)sin⁡Δx2\cos(x+\Delta x)-\cos x=-2\sin(\frac{2x+\Delta x}{2})\sin\frac{\Delta x}{2}
由两个重要极限知 lim⁡Δx→0sin⁡Δx2Δx2=1\lim\limits_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\sin\frac{\Delta x}{2}}{\frac{\Delta x}{2}}=1

正切函数

f(x)=tan⁡xf(x)=\tan x,则 f′(x)=sec⁡2xf'(x)=\sec^2 x

证明过程

f′(x)=(sin⁡xcos⁡x)′=(sin⁡x)′cos⁡x−sin⁡x(cos⁡x)′cos⁡2x=cos2x+sin2xcos⁡2x=1cos⁡2x=sec⁡2x\begin{aligned} f'(x)&=(\frac{\sin x}{\cos x})'\\ &=\frac{(\sin x)'\cos x-\sin x(\cos x)'}{\cos^2x}\\ &=\frac{cos^2x+sin^2x}{\cos^2x}\\ &=\frac{1}{\cos^2x}\\ &=\sec^2x \end{aligned}

反三角函数

反正弦函数

f(x)=arcsin⁡xf(x)=\arcsin x,则 f′(x)=11−x2f'(x)=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}

证明过程

f′(x)=1[f−1(y)]′=1[sin⁡(y)]′=1cos⁡y\begin{aligned} f'(x)&=\frac{1}{[f^{-1}(y)]'}\\ &=\frac{1}{[\sin(y)]'}\\ &=\frac{1}{\cos y} \end{aligned}

∵x=sin⁡y, sin⁡2y+cos⁡2y=1\because x=\sin y,~\sin^2y+\cos^2y=1
∴x2+cos⁡2y=1\therefore x^2+\cos^2y=1
∴cos⁡y=±1−x2\therefore \cos y=\pm\sqrt{1-x^2}
∵y∈[−π2, π2]\because y\in[-\frac{\pi}{2},~\frac{\pi}{2}]
∴cos⁡y=1−x2\therefore \cos y=\sqrt{1-x^2}
∴f′(x)=11−x2\therefore f'(x)=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}

反余弦函数

f(x)=arccos⁡xf(x)=\arccos x,则 f′(x)=−11−x2f'(x)=-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}

证明过程

f′(x)=1[f−1(y)]′=1(cos⁡y)′=1−sin⁡y=−1sin⁡y\begin{aligned} f'(x)&=\frac{1}{[f^{-1}(y)]'}\\ &=\frac{1}{(\cos y)'}\\ &=\frac{1}{-\sin y}\\ &=-\frac{1}{\sin y} \end{aligned}

∵x=cos⁡y, sin⁡2y+cos⁡2y=1\because x=\cos y,~\sin^2y+\cos^2y=1
∴sin⁡2y+x2=1\therefore \sin^2y+x^2=1
∴sin⁡y=±1−x2\therefore \sin y=\pm\sqrt{1-x^2}
∵y∈[0, π]\because y\in[0,~\pi]
∴sin⁡y=1−x2\therefore \sin y=\sqrt{1-x^2}
∴f′(x)=−11−x2\therefore f'(x)=-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}

反正切函数

f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x,则 f′(x)=11+x2f'(x)=\frac{1}{1+x^2}

证明过程

f′(x)=1[f−1(y)]′=1(tan⁡y)′=1sec⁡2y\begin{aligned} f'(x)&=\frac{1}{[f^{-1}(y)]'}\\ &=\frac{1}{(\tan y)'}\\ &=\frac{1}{\sec^2y} \end{aligned}

∵x=tan⁡y, 1+tan⁡2y=sec⁡2y\because x=\tan y,~1+\tan^2y=\sec^2y
∴1+x2=sec⁡2y\therefore 1+x^2=\sec^2y
∴f′(x)=11+x2\therefore f'(x)=\frac{1}{1+x^2}

高阶导数

定义

函数 y=f(x)y=f(x) 可导,则

  • 二阶导数
    若 f(x)f(x) 的一阶导数 f′(x)f'(x) 可导,则 f′(x)f'(x) 的导数记作 f′′(x)f''(x) 或 ddx(dydx)=d2ydx\frac{d}{dx}(\frac{dy}{dx})=\frac{d^2y}{dx}
  • 三阶导数
    若 f(x)f(x) 的二阶导数 f′′(x)f''(x) 可导,则 f′′(x)f''(x) 的导数记作 f′′′(x)f'''(x) 或 d3ydx\frac{d^3y}{dx}
  • 四阶导数
    若 f(x)f(x) 的三阶导数 f′′′(x)f'''(x) 可导,则 f′′′(x)f'''(x) 的导数记作 f(4)(x)f^{(4)}(x) 或 d4ydx\frac{d^4y}{dx}
  • nn 阶导数
    若 f(x)f(x) 的 n−1n-1 阶导数 f(n−1)(x)f^{(n-1)}(x) 可导,则 f(n−1)(x)f^{(n-1)}(x) 的导数记作 f(n)(x)f^{(n)}(x) 或 dnydx\frac{d^ny}{dx}

莱布尼茨公式

函数 u=u(x), v=v(x)u=u(x),~v=v(x) 则

(uv)(n)=u(n)v+nu(n−1)v′+n(n−1)2!u(n−2)v′′+⋯+n(n−1)⋯(n−k+1)k!u(n−k)v(k)+⋯+uv(n)=∑k=0nCnku(n−k)v(k)\begin{aligned} (uv)^{(n)}&=u^{(n)}v+nu^{(n-1)}v'+\frac{n(n-1)}{2!}u^{(n-2)}v''+\cdots+\frac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{k!}u^{(n-k)}v^{(k)}+\cdots+uv^{(n)}\\ &=\sum\limits_{k=0}^{n}C_n^ku^{(n-k)}v^{(k)} \end{aligned}

常见函数高阶导数

  • (sin⁡x)(n)=sin⁡(x+n⋅π2)(\sin x)^{(n)}=\sin(x+n\cdot\frac{\pi}{2})
  • (cos⁡x)(n)=cos⁡(x+n⋅π2)(\cos x)^{(n)}=\cos(x+n\cdot\frac{\pi}{2})

参考

[1] 高等数学同济大学数学系高等教育出版社上册


导数
https://wuqin0202.github.io/2023/08/04/mathematics/导数/
作者
wuqin
发布于
2023年8月4日
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