3.3 常用求导公式

3.3.1幂函数的导函数

我们首先根据导函数的定义来推出f(x)=x2f(x)=x^2的导函数。

f(x)=limx0f(x+x)f(x)x=limx0(x+x)2x2xf'(x)=\lim_{\triangle x \to 0}\frac{f(x+\triangle x)-f(x)}{\triangle x}=\lim_{\triangle x \to 0}\frac{(x+\triangle x)^2-x^2}{\triangle x}

=limx0x2+2xx+x2x2x=\lim_{\triangle x \to 0}\frac{x^2+2x\triangle x+{\triangle x}^2-x^2}{\triangle x}

=limx02xx+x2x=\lim_{\triangle x \to 0}\frac{2x\triangle x+{\triangle x}^2}{\triangle x}

=2x+limx0x=2x+\lim_{\triangle x \to 0}{\triangle x}

=2x=2x



接下来我们推导一下f(x)=xnf(x)=x^n的导函数。

二项式定理

(a+b)n=k=0nCnkankbk(a + b)^n = \sum_{k=0}^n C_{n}^{k}a^{n-k} b^k



首先复习一下二项式定理,n个(a+b)相乘,实际展开式中的每一项都是n个数的乘积。n个数里要么是a,要么是b。n个数里有k个a,n-k个b的概率就为CnkC_{n}^{k}

接下来我们进行幂函数的导函数推导:

f(x)=limx0f(x+x)f(x)x=limx0(x+x)nxnxf'(x)=\lim_{\triangle x \to 0}\frac{f(x+\triangle x)-f(x)}{\triangle x}=\lim_{\triangle x \to 0}\frac{(x+\triangle x)^n-x^n}{\triangle x}



对于(x+x)n{(x+\triangle x)}^n部分利用二项式定理展开:

(x+x)n=xn+nxn1x+n(n1)2xn2x2++xn{(x+\triangle x)}^n=x^n + nx^{n-1}\triangle x+\frac{n(n-1)}{2}x^{n-2}{\triangle x}^2+\cdot\cdot\cdot+{\triangle x}^n



将展开式带入幂函数求导极限式中有:

f(x)=limx0nxn1x+n(n1)2xn2x2++xnxf'(x)=\lim_{\triangle x \to 0}\frac{nx^{n-1}\triangle x+\frac{n(n-1)}{2}x^{n-2}{\triangle x}^2+\cdot\cdot\cdot+{\triangle x}^n}{\triangle x}

f(x)=limx0nxn1+(n1)xn2x++xn1f'(x)=\lim_{\triangle x \to 0}{nx^{n-1}+(n-1)x^{n-2}{\triangle x}+\cdot\cdot\cdot+{\triangle x}^{n-1}}

f(x)=nxn1f'(x)=nx^{n-1}



所以最终得到f(x)=xnf(x)=x^n的导函数为nxn1nx^{n-1}

3.3.2 常见函数的导函数

毕竟我们这个不是高数课,就不一一推导每种常见函数的导函数了。这里给出公式,都是必须记住的。

常数求导

如果f(x)=Cf(x)=C,C为常数,则:f(x)=0f'(x)=0。导数描述的是因变量针对自变量而言在某一点的变化率,函数值为常数,变化率一直为0。

幂函数求导

如果f(x)=xnf(x)=x^n,其中n为实数,则f(x)=nxn1f'(x)=nx^{n-1}

指数函数求导

如果f(x)=axf(x)=a^x,其中(a>0;a1)(a>0;a\ne1), 则f(x)=axlnaf'(x)=a^x \ln a

特别的如果f(x)=exf(x)=e^x,则f(x)=exf'(x)=e^x (导函数和原函数相同)

对数函数求导

如果f(x)=logaxf(x)=\log_{a}{x} ,其中(a>0;a1)(a>0;a\ne1),则f(x)=1xlnaf'(x)=\frac{1}{x \ln a}

特别的,如果f(x)=lnxf(x) = \ln x,则f(x)=1xf'(x) = \frac{1}{x}

三角函数求导

如果f(x)=sinxf(x)=\sin x,则f(x)=cosxf'(x)=\cos x

如果f(x)=cosxf(x)=\cos x,则f(x)=sinxf'(x)=-\sin x

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