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第三章:求导法则

《斯图尔特微积分》第三章:求导法则读书笔记。本章把导数定义发展成可计算的工具箱,并将求导法则用于自然科学、指数增长、相关变化率和线性近似。

本章地图​

小节核心问题需要掌握的内容
3.1 多项式与指数函数的导数基本函数如何求导?常值、幂函数、多项式、指数函数
3.2 函数积与商的求导法则乘积和商怎样求导?乘积法则、商法则
3.3 三角函数的导数三角函数变化率如何计算?六种三角函数的导数
3.4 链式法则复合函数怎样求导?链式法则、一般指数函数
3.5 隐函数求导法方程未显式解出时怎样求导?隐函数、一阶与二阶导数
3.6 对数函数与反三角函数的导数对数和反函数怎样求导?对数求导、反三角函数、数 ee
3.7 自然科学和社会科学中的变化率导数如何进入实际模型?速度、密度、电流、边际量
3.8 指数级增长和衰减比例增长如何建模?种群、衰变、冷却、连续复利
3.9 相关变化率多个变量同时变化时怎么办?隐式关系、单位、建模步骤
3.10 线性近似与微分怎样在局部近似函数?切线近似、微分、误差、泰勒多项式
3.11 双曲函数双曲函数有哪些微分性质?定义、恒等式、导数

3.1 多项式与指数函数的导数​

常值函数​

  • 从最简单的常值函数 f(x)=cf(x)=c 开始,它的图像是水平线 y=cy=c ,其斜率为零,因此有 f′(x)=0f'(x)=0 ,根据导数定义,可得: f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h=lim⁡h→0c−ch=lim⁡h→00=0f'(x)=\lim_{ h \to 0 } \frac{f(x+h)-f(x)}{h}=\lim_{ h \to 0 } \frac{c-c}{h}=\lim_{ h \to 0 } 0=0
  • 使用莱布尼茨符号表示为: 常值函数的导数:ddx(c)=0\text{常值函数的导数:} \frac{d}{dx}(c)=0

幂函数​

提示
  • 幂函数的求导法则:

对于任意实数n,幂函数的导数:ddx(xn)=nxn−1\text{对于任意实数}n,\text{幂函数的导数:} \frac{d}{dx}(x^n)=nx^{n-1}

导数计算的扩展​

  • 函数常数倍的求导法则: 如果c是一个常数,f是一个可微函数,那么:ddx(cf(x))=cddxf(x)\text{如果}c\text{是一个常数},f\text{是一个可微函数,那么:} \frac{d}{dx}(cf(x))=c \frac{d}{dx}f(x)
  • 函数和差的求导法则: ddx[f(x)+g(x)]=ddxf(x)+ddxg(x)\frac{d}{dx}[f(x)+g(x)]=\frac{d}{dx}f(x)+\frac{d}{dx}g(x) ddx[f(x)−g(x)]=ddxf(x)−ddxg(x)\frac{d}{dx}[f(x)-g(x)]=\frac{d}{dx}f(x)-\frac{d}{dx}g(x)

指数函数​

提示
  • 数 ee 的定义:

数e满足:lim⁡h→0eh−1h=1\text{数}e\text{满足:}\lim_{ h \to 0 } \frac{e^h-1}{h}=1

  • 几何上,这意味着在所有可能的指数函数 y=bxy=b^x 中,函数 f(x)=exf(x)=e^x是那个在点 (0,1)(0,1) 处切线的斜率 f′(0)f'(0) 正好为11 的函数。
提示
  • 自然指数函数的导数:

ddx(ex)=ex\frac{d}{dx}(e^x)=e^x

  • 指数函数 f(x)=exf(x)=e^x 具有导数是其本身的特性。这个性质的几何意义是曲线 y=exy=e^x 在点 (x,ex)(x,e^x) 处的切线的斜率等于该点的纵坐标。

3.1 习题​

求下列函数的导数

题目 1​

题目

g(x)=4x+7g(x)=4x+7

解答

g′(x)=4g'(x)=4

题目 2​

题目

g(t)=5t+4t2g(t)=5t+4t^2

解答

g′(t)=5+8tg'(t)=5+8t

题目 3​

题目

f(x)=x75−x+3f(x)=x^{75}-x+3

解答

f′(x)=75x74−1f'(x)=75x^{74}-1

题目 4​

题目

g(x)=74x2−3x+12g(x)=\frac{7}{4}x^2-3x+12

解答

g′(x)=72x−3g'(x)=\frac{7}{2}x-3

题目 5​

题目

f(t)=−2etf(t)=-2e^t

解答

f′(t)=−2etf'(t)=-2e^t

题目 6​

题目

F(t)=t3+e3F(t)=t^3+e^3

解答

F′(t)=3t2F'(t)=3t^2

题目 7​

题目

W(v)=1.8v−3W(v)=1.8v^{-3}

解答

W′(v)=−5.4v−4W'(v)=-5.4v^{-4}

题目 8​

题目

r(z)=z−5−z−12r(z)=z^{-5}-z^{-\frac{1}{2}}

解答

r′(z)=−5z−6+12z−32r'(z)=-5z^{-6}+\frac{1}{2}z^{-\frac{3}{2}}

题目 9​

题目

f(x)=x32+x−3f(x)=x^{\frac{3}{2}}+x^{-3}

解答

f′(x)=32x12−3x−4f'(x)=\frac{3}{2}x^{\frac{1}{2}}-3x^{-4}

题目 10​

题目

V(t)=t−35+t4V(t)=t^{-\frac{3}{5}}+t^4

解答

V′(t)=−35t−85+4t3V'(t)=-\frac{3}{5}t^{-\frac{8}{5}}+4t^3

题目 11​

题目

s(t)=1t+1t2s(t)=\frac{1}{t}+\frac{1}{t^2}

解答

s′(t)=−t−2−2t−3s'(t)=-t^{-2}-2t^{-3}

题目 12​

题目

r(t)=at2+bt4r(t)=\frac{a}{t^2}+\frac{b}{t^4}

解答

r′(t)=−2at−3−4bt−5r'(t)=-2at^{-3}-4bt^{-5}

题目 13​

题目

y=2x+xy=2x+\sqrt{ x }

解答

y′=2+12x−12y'=2+\frac{1}{2}x^{-\frac{1}{2}}

题目 14​

题目

h(w)=2w−2h(w)=\sqrt{ 2 }w-\sqrt{ 2 }

解答

h′(w)=2h'(w)=\sqrt{ 2 }

题目 15​

题目

g(x)=1x+x4g(x)=\frac{1}{\sqrt{ x }}+\sqrt[4]{ x }

解答

g′(x)=−12x−32+14x−34g'(x)=-\frac{1}{2} x^{-\frac{3}{2}}+\frac{1}{4}x^{-\frac{3}{4}}

题目 16​

题目

W(t)=t−2etW(t)=\sqrt{ t }-2e^t

解答

W′(t)=12t−12−2etW'(t)=\frac{1}{2}t^{-\frac{1}{2}}-2e^t

题目 17​

题目

f(x)=x3(x+3)f(x)=x^3(x+3)

解答

f′(x)=4x3+9x2f'(x)=4x^3+9x^2

题目 18​

题目

F(t)=(2t−3)2F(t)=(2t-3)^2

解答

F(t)=4t2−12t+9F(t)=4t^2-12t+9

F′(t)=8t−12F'(t)=8t-12

题目 19​

题目

y=3ex+4x3y=3e^x+\frac{4}{\sqrt[3]{ x }}

解答

y′=3ex+4⋅(−13)⋅x−43y'=3e^x+4\cdot\left( -\frac{1}{3} \right)\cdot x^{-\frac{4}{3}}

y′=3ex−43⋅x−43y'=3e^x-\frac{4}{3}\cdot x^{-\frac{4}{3}}

题目 20​

题目

S(R)=4πR2S(R)=4\pi R^2

解答

S′(R)=8πRS'(R)=8\pi R

题目 21​

题目

f(x)=3x2+x3xf(x)=\frac{3x^2+x^3}{x}

解答

f(x)=3x+x2f(x)=3x+x^2

f′(x)=3+2xf'(x)=3+2x

题目 22​

题目

y=x+xx2y=\frac{\sqrt{ x }+x}{x^2}

解答

y=(x12+x)⋅x−2=x−32+x−1y=\left( x^{\frac{1}{2}}+x \right)\cdot x^{-2}=x^{-\frac{3}{2}}+x^{-1}

y′=−32x−52−x−2y'=-\frac{3}{2}x^{-\frac{5}{2}}-x^{-2}

题目 23​

题目

G(r)=3r32+r52rG(r)=\frac{3r^{\frac{3}{2}}+r^{\frac{5}{2}}}{r}

解答

G(r)=3r12+r32G(r)=3r^{\frac{1}{2}}+r^{\frac{3}{2}}

G′(r)=32r−12+32r12G'(r)=\frac{3}{2}r^{-\frac{1}{2}}+\frac{3}{2}r^{\frac{1}{2}}

题目 24​

题目

G(t)=5t+7tG(t)=\sqrt{ 5t }+\frac{\sqrt{ 7 }}{t}

解答

G′(t)=5⋅12t−12+7⋅(−1)t−2G'(t)=\sqrt{ 5 }\cdot \frac{1}{2}t^{-\frac{1}{2}}+\sqrt{ 7 }\cdot(-1)t^{-2}

G′(t)=52t−12−7t−2G'(t)=\frac{\sqrt{ 5 }}{2}t^{-\frac{1}{2}}-\sqrt{ 7 }t^{-2}

题目 25​

题目

j(x)=x2.4+e2.4j(x)=x^{2.4}+e^{2.4}

解答

j′(x)=2.4x1.4j'(x)=2.4x^{1.4}

题目 26​

题目

k(r)=er+rek(r)=e^r+r^e

解答

k′(r)=er+ere−1k'(r)=e^r+er^{e-1}

题目 27​

题目

F(z)=A+Bz+Cz2z2F(z)=\frac{A+Bz+Cz^2}{z^2}

解答

F′(z)=(B+2Cz)z2−(A+Bz+Cz2)⋅(2z)z4F'(z)=\frac{(B+2Cz)z^2-(A+Bz+Cz^2)\cdot(2z)}{z^4}

F′(z)=(B+2Cz)z−2(A+Bz+Cz2)z3=Bz+2Cz2−2A−2Bz−2Cz2z3F'(z)=\frac{(B+2Cz)z-2(A+Bz+Cz^2)}{z^3}=\frac{Bz+2Cz^2-2A-2Bz-2Cz^2}{z^3}

F′(t)=−2A+Bzz3F'(t)=-\frac{2A+Bz}{z^3}

题目 28​

题目

G(q)=(1+q−1)2G(q)=(1+q^{-1})^2

解答

G(q)=1+2q−1+q−2G(q)=1+2q^{-1}+q^{-2}

G′(q)=−2q−2−2q−3G'(q)=-2q^{-2}-2q^{-3}

题目 29​

题目

D(t)=1+16t2(4t)3D(t)=\frac{1+16t^2}{(4t)^3}

解答

D(t)=1+16t264t3=164t−3+14t−1D(t)=\frac{1+16t^2}{64t^3}=\frac{1}{64}t^{-3}+\frac{1}{4}t^{-1}

D′(t)=−364t−4−14t−2D'(t)=-\frac{3}{64}t^{-4}-\frac{1}{4}t^{-2}

题目 30​

题目

f(v)=v3−2vevvf(v)=\frac{\sqrt[3]{ v }-2ve^v}{v}

解答

f(v)=(v13−2vev)v−1=v−23−2evf(v)=\left( v^{\frac{1}{3}}-2ve^v \right)v^{-1}=v^{-\frac{2}{3}}-2e^v

f′(v)=−23v−53−2evf'(v)=-\frac{2}{3}v^{-\frac{5}{3}}-2e^v

题目 31​

题目

P(w)=2w2−w+4wP(w)=\frac{2w^2-w+4}{\sqrt{ w }}

解答

P(w)=(2w2−w+4)w−12=2w32−w12+4w−12P(w)=(2w^2-w+4)w^{-\frac{1}{2}}=2w^{\frac{3}{2}}-w^{\frac{1}{2}}+4w^{-\frac{1}{2}}

P′(w)=3w12−12w−12−2w−32P'(w)=3w^{\frac{1}{2}}-\frac{1}{2}w^{-\frac{1}{2}}-2w^{-\frac{3}{2}}

题目 32​

题目

y=ex+1+1y=e^{x+1}+1

解答

y′=ex+1y'=e^{x+1}

求 dydx\frac{dy}{dx} 和 dydt\frac{dy}{dt}

题目 33​

题目

y=tx2+t3xy=tx^2+t^3x

解答

dydx=2tx+t3\frac{dy}{dx}=2tx+t^3

dydt=x2+3t2x\frac{dy}{dt}=x^2+3t^2x

题目 34​

题目

y=tx2+xty=\frac{t}{x^2}+\frac{x}{t}

解答

dydx=−2tx−3+1t\frac{dy}{dx}=-2tx^{-3}+\frac{1}{t}

dydt=x−2−xt−2\frac{dy}{dt}=x^{-2}-xt^{-2}

求曲线在给定点处的切线方程

题目 35​

题目

y=2x3−x2+2,(1,3)y=2x^3-x^2+2,\quad (1,3)

解答

y′=6x2−2xy'=6x^2-2x

y′∣(1,3)=6−2=4y'\bigg|_{(1,3)}=6-2=4

切线方程:y−3=4(x−1)  ⟹  y=4x−1y-3=4(x-1)\implies y=4x-1

题目 36​

题目

y=2ex+x,(0,2)y=2e^x+x,\quad (0,2)

解答

y′=2ex+1y'=2e^x+1

y′∣(0,2)=2e0+1=3y'\bigg|_{(0,2)}=2e^0+1=3

切线方程:y−2=3x  ⟹  y=3x+2y-2=3x\implies y=3x+2

题目 37​

题目

y=x+2x,(2,3)y=x+\frac{2}{x},\quad (2,3)

解答

y′=1−2x−2y'=1-2x^{-2}

y′∣(2,3)=1−2⋅2−2=12y'\bigg|_{(2,3)}=1-2\cdot2^{-2}=\frac{1}{2}

切线方程:y−3=12(x−2)  ⟹  y=12x+2y-3=\frac{1}{2}(x-2)\implies y=\frac{1}{2}x+2

题目 38​

题目

y=x4−x,(1,0)y=\sqrt[4]{ x }-x,\quad (1,0)

解答

y′=14x−34−1y'=\frac{1}{4}x^{-\frac{3}{4}}-1

y′∣(1,0)=−34y'\bigg|_{(1,0)}=-\frac{3}{4}

切线方程:y=−34(x−1)  ⟹  y=−34x+34y=-\frac{3}{4}(x-1)\implies y=-\frac{3}{4}x+\frac{3}{4}

求曲线在给定点处的切线和法线方程

题目 39​

题目

y=x4+2ex,(0,2)y=x^4+2e^x,\quad (0,2)

解答

y′=4x3+2exy'=4x^3+2e^x

y′∣(0,2)=0+2e0=2y'\bigg|_{(0,2)}=0+2e^0=2,法线斜率:yn′=−12y'_{n}=-\frac{1}{2}

切线方程:y−2=2x  ⟹  y=2x+2y-2=2x\implies y=2x+2

法线方程:y=−12x+2y=-\frac{1}{2}x+2

题目 40​

题目

y=x32,(1,1)y=x^{\frac{3}{2}},\quad (1,1)

解答

y′=32x12y'=\frac{3}{2}x^{\frac{1}{2}}

y′∣(1,1)=32⋅112=32y'\bigg|_{(1,1)}=\frac{3}{2}\cdot1^{\frac{1}{2}}=\frac{3}{2},法线斜率:yn′=−23y'_{n}=-\frac{2}{3}

切线方程:y−1=32(x−1)  ⟹  y=32x−12y-1=\frac{3}{2}(x-1)\implies y=\frac{3}{2}x-\frac{1}{2}

法线方程:y−1=−23(x−1)  ⟹  y=−23x+53y-1=-\frac{2}{3} (x-1)\implies y=-\frac{2}{3}x+\frac{5}{3}

求下列函数的一阶导数和二阶导数

题目 41​

题目

f(x)=0.001x5−0.02x3f(x)=0.001x^5-0.02x^3

解答

f′(x)=0.005x4−0.06x2f'(x)=0.005x^4-0.06x^2

f′′(x)=0.02x3−0.12xf''(x)=0.02x^3-0.12x

题目 42​

题目

G(r)=r+r3G(r)=\sqrt{ r }+\sqrt[3]{ r }

解答

G′(r)=12r−12+13r−23G'(r)=\frac{1}{2}r^{-\frac{1}{2}}+\frac{1}{3}r^{-\frac{2}{3}}

G′′(r)=−14r−32−29r−53G''(r)=-\frac{1}{4}r^{-\frac{3}{2}}-\frac{2}{9}r^{-\frac{5}{3}}

题目 43​

题目

粒子的运动方程是 s=t3−3ts=t^3-3t ,其中 ss 的单位是 mm ,tt 的单位是 ss ,

i\mathbf{i} 求粒子的速度和加速度关于 tt 的函数。

ii\mathbf{ii} 求 2s2s 后粒子的加速度。

iii\mathbf{iii} 求粒子速度为 00 时的加速度。

解答

速度函数:s′=3t2−3s'=3t^2-3

加速度函数:s′′=6ts''=6t

2s2s 后粒子加速度:s′′∣t=2=6×2=12s''\bigg|_{t=2}=6\times2=12

当s′=0s'=0 时,3t2−3=0  ⟹  t=13t^2-3=0\implies t=1

s′′∣t=1=6×1=6s''\bigg|_{t=1}=6\times1=6

题目 44​

题目

在哪些点处的曲线 y=x3+3x2−9x+10y=x^3+3x^2-9x+10 的切线是水平的?切线是多少?

解答

y′=3x2+6x−9y'=3x^2+6x-9

当 y′=0y'=0 时,可以得到水平切线

y′=3x2+6x−9=0  ⟹  x2+2x−3=0y'=3x^2+6x-9=0\implies x^2+2x-3=0

(x−1)(x+3)=0  ⟹  x1=1,x2=−3(x-1)(x+3)=0\implies x_{1}=1,x_{2}=-3

y1∣x=1=1+3−9+10=5y_{1}\bigg|_{x=1}=1+3-9+10=5

y2∣x=−3=−27+27+27+10=37y_{2}\bigg|_{x=-3}=-27+27+27+10=37

在 (1,5)(1,5) 处的切线方程:y=5y=5

在 (−3,37)(-3,37) 处的切线方程:y=37y=37

题目 45​

题目

当 xx 为何值时,曲线 f(x)=ex−2xf(x)=e^x-2x 的切线是水平线?

解答

f′(x)=ex−2f'(x)=e^x-2

当 y′=0y'=0 时,可以得到水平切线

f′(x)=ex−2=0  ⟹  x=ln⁡2f'(x)=e^x-2=0\implies x=\ln2

当 x=ln⁡2x=\ln 2 ,存在水平切线

题目 46​

题目

证明曲线 y=2ex+3x+5x3y=2e^x+3x+5x^3 没有斜率为2的切线

解答

y′=2ex+3+15x2y'=2e^x+3+15x^2

∵ex>0,x2⩾0\because e^x >0,x^2\geqslant 0

∴y′>3,y≠2\therefore y'>3,y\neq2

∴不存在斜率为2的切线\therefore\text{不存在斜率为2的切线}

题目 47​

题目

求与曲线 y=x4+1y=x^4+1 相切且平行于 32x−y=1532x-y=15 的直线的方程。

解答

斜截式:y=32x+15y=32x+15

切线斜率:y′=4x3=32  ⟹  x=2y'=4x^3=32\implies x=2

代入曲线方程,y=24+1=17y=2^4+1=17 ,切点为 (2,17)(2,17)

切线方程:y−17=32(x−2)  ⟹  y=32x−47y-17=32(x-2)\implies y=32x-47

题目 48​

题目

求与曲线 y=x3−3x2−3y=x^3-3x^2-3 相切且平行于直线 3x−y=153x-y=15 的直线方程。

解答

直线 3x−y=153x-y=15 的斜率为 33

∴y′=3\therefore y'=3

y′=3x2−6x=3  ⟹  x2−2x=1y'=3x^2-6x=3\implies x^2-2x=1

解方程 x2−2x=1x^2-2x=1 ,可得:x1=2+1,x2=−2+1x_{1}=\sqrt{ 2 }+1,x_{2}=-\sqrt{ 2 }+1

代入曲线方程,得到 y1=−5−2,y2=2−5y_{1}=-5-\sqrt{ 2 },y_{2}=\sqrt{ 2 }-5

切线 l1:y−(−2−5)=3(x−2−1)l_{1}: y-(-\sqrt{ 2 }-5)=3(x-\sqrt{ 2 }-1)

化简后:y=3x−42−8y=3x-4\sqrt{ 2 }-8

切线 l2:y−(2−5)=3(x+2−1)l_{2}: y-(\sqrt{ 2 }-5)=3(x+\sqrt{ 2-1 })

化简后:y=3x+42−8y=3x+4\sqrt{ 2 }-8

题目 49​

题目

求平行于直线 2x+y=12x+y=1 的曲线 y=xy=\sqrt{ x } 的法线的方程。

解答

设存在一点在曲线 y=xy=\sqrt{ x } 上,过该点的法线与直线 2x+y=12x+y=1 平行

直线 2x+y=12x+y=1 的斜截式为:y=1−2xy=1-2x ,法线斜率 yn′=−2y'_{n}=-2

切线斜率y′×法线斜率yn′=−1\text{切线斜率}y'\times\text{法线斜率}y'_{n}=-1

切线斜率:y′=12y'=\frac{1}{2}

求切点:y′=12x−12=12  ⟹  x=1y'=\frac{1}{2}x^{-\frac{1}{2}}=\frac{1}{2}\implies x=1

代入曲线方程,y=1=1y=\sqrt{ 1 }=1 ,切点为 (1,1)(1,1)

法线方程:y−1=−2(x−1)  ⟹  y=−2x+3y-1=-2(x-1)\implies y=-2x+3

题目 50​

题目

求二次函数 PP ,使得 P(2)=5,P′(2)=3,P′′(2)=2P(2)=5,P'(2)=3,P''(2)=2 。

解答

设二次函数 P(x)=ax2+bx+cP(x)=ax^2+bx+c

P′(x)=2ax+bP'(x)=2ax+b

P′′(x)=2aP''(x)=2a

将 P(2)=5,P′(2)=3,P′′(2)=2P(2)=5,P'(2)=3,P''(2)=2 代入

可得:

P(2)=4a+2b+c=5P(2)=4a+2b+c=5

P′(2)=4a+b=3P'(2)=4a+b=3

P′′(2)=2a=2P''(2)=2a=2

联立求解:

a=1,b=−1,c=3a=1,b=-1,c=3

P(x)=x2−x+3P(x)=x^2-x+3

题目 51​

题目

方程 y′′+y′−2y=x2y''+y'-2y=x^2 称为微分方程,因为它包含一个未知数 yy 及其导数 y′y' 和 y′′y'' ,求函数 y=Ax2+Bx+Cy=Ax^2+Bx+C 满足该微分方程。

解答

y′=2Ax+By'=2Ax+B

y′′=2Ay''=2A

将以上导数代入函数 yy 中

2A+2Ax+B−2(Ax2+Bx+C)=x22A+2Ax+B-2(Ax^2+Bx+C)=x^2

化简后,

(−2A−1)x2+(2A−2B)x+(2A+B−2C)=0(-2A-1)x^2+(2A-2B)x+(2A+B-2C)=0

可得:

−2A−1=0-2A-1=0

2A−2B=02A-2B=0

2A+B−2C=02A+B-2C=0

联立求解:

A=−12,B=−12,C=−34A=-\frac{1}{2},B=-\frac{1}{2},C=-\frac{3}{4}

得到:y=−12x2−12x−34y=-\frac{1}{2}x^2-\frac{1}{2}x-\frac{3}{4}

题目 52​

题目

求三次函数 y=ax3+bx2+cx+dy=ax^3+bx^2+cx+d ,它在点 (−2,6),(2,0)(-2,6),(2,0) 处的切线是水平的。

解答

先求出一阶导数:y′=3ax2+2bx+cy'=3ax^2+2bx+c

将 (−2,6)(2,0)(-2,6)(2,0) 代入导函数中

可得:

12a−4b+c=012a-4b+c=0

12a+4b+c=012a+4b+c=0

可以求得:b=0b=0

将 (−2,6)(2,0)(-2,6)(2,0) 代入三次函数中

可得:

6=−8a−2c+d6=-8a-2c+d

0=8a+2c+d0=8a+2c+d

联立求解:

a=316,b=0,c=−49,d=3a=\frac{3}{16},b=0,c=-\frac{4}{9},d=3

三次函数为:y=316x3−94x+3y=\frac{3}{16}x^3-\frac{9}{4}x+3

题目 53​

题目

求抛物线 y=ax2+bxy=ax^2+bx ,它在点 (1,1)(1,1) 处的切线的方程为 y=3x−2y=3x-2

解答

一阶导数:y′=2ax+by'=2ax+b

由切线方程可知,斜率为 33,且过点 (1,1)(1,1)

可得:

2a+b=32a+b=3

1=a+b1=a+b

联立求解:

a=2,b=−1a=2,b=-1

抛物线为:y=2x2−xy=2x^2-x

题目 54​

题目

假设曲线 y=x4+ax3+bx2+cx+dy=x^4+ax^3+bx^2+cx+d 在 x=0x=0 处的切线的方程为 y=2x+1y=2x+1 ,在x=1x=1 处的切线的方程为 y=2−3xy=2-3x ,求 该曲线方程。

解答

一阶导数:y′=4x3+3ax2+2bx+cy'=4x^3+3ax^2+2bx+c

y′∣x=0=c=2y'\bigg|_{x=0}=c=2

y′∣x=1=4+3a+2b+c=−3y'\bigg|_{x=1}=4+3a+2b+c=-3

设切点为 (0,y1),(1,y2)(0,y_{1}),(1,y_{2})

切线方程表示为:

y−y1=2(x−0)y-y_{1}=2(x-0)

y−y2=−3(x−1)y-y_{2}=-3(x-1)

联立 y=2x+1,y=2−3xy=2x+1,y=2-3x

可得:

y1=1,y2=−1y_{1}=1,y_{2}=-1

得到切点为 (0,1),(1,−1)(0,1),(1,-1)

将切点代入曲线方程:

1=0+a×0+b×0+c×0+d1=0+a\times0+b\times 0+c\times 0+d

−1=1+a+b+c+d-1=1+a+b+c+d

联立求解:

a=1,b=−6,c=2,d=1a=1,b=-6,c=2,d=1

曲线为:y=x4+x3−6x2+2x+1y=x^4+x^3-6x^2+2x+1

题目 55​

题目

当 x=2x=2 时,直线 2x+y=b2x+y=b 与抛物线 y=ax3y=ax^3 相切,求 aa 和 bb 的值。

解答

抛物线一阶导数:y′=3ax2y'=3ax^2

切线斜率 −2-2

y′∣x=2=3a⋅22=−2y'\bigg|_{x=2}=3a\cdot 2^2=-2

可得:a=−16a=-\frac{1}{6}

设切点为(2,y1)(2,y_{1})

y1=−16×23=−43y_{1}=-\frac{1}{6}\times 2^3=-\frac{4}{3},切点为 (2,−43)\left( 2,-\frac{4}{3} \right)

将切点代入直线中

b=2×2−43=83b=2\times 2-\frac{4}{3}=\frac{8}{3}

最终求得:a=−16,b=83a=-\frac{1}{6},b=\frac{8}{3}

题目 56​

题目

直线 y=32x+6y=\frac{3}{2}x+6 与曲线 y=cxy=c\sqrt{ x } 相切,求 cc 的值。

解答

曲线的导数为:y′=12cx−12y'=\frac{1}{2}cx^{-\frac{1}{2}}

切线斜率 32\frac{3}{2}

可得:32=12cx−1/2  ⟹  c=3x12\frac{3}{2}=\frac{1}{2}cx^{-1/2}\implies c=3x^{\frac{1}{2}}

代入曲线中,

得到 y=3xy=3x ,与 y=32x+6y=\frac{3}{2}x+6联立求解

求的切点: (4,12)(4,12)

c=3×4=6c=3\times \sqrt{ 4 }=6

题目 57​

题目

直线 y=2x+3y=2x+3 与抛物线 y=cx2y=cx^2 相切,求 cc 的值。

解答

抛物线导数:y′=2cx  ⟹  c=1xy'=2cx\implies c=\frac{1}{x}

代入曲线中,

得到 y=xy=x ,与直线 y=2x+3y=2x+3 联立求解

求的切点:(−3,−3)(-3,-3)

c=−13c=-\frac{1}{3}

题目 58​

题目

任何二次函数 f(x)=ax2+bx+cf(x)=ax^2+bx+c 的图像都是一条抛物线。证明抛物线在任意区间 [p,q][p,q] 的端点处的切线的斜率的平均值等于抛物线在区间中点处的切线的斜率。

解答

求导得:f′(x)=2ax+bf'(x)=2ax+b

设在区间两端的切线的斜率分别为 kp,kqk_{p},k_{q}

kp=2ap+bk_{p}=2ap+b

kq=2aq+bk_{q}=2aq+b

区间的斜率平均值为:kp+kq2=12(2ap+b+2aq+b)=a(p+q)+b\frac{k_{p}+k_{q}}{2}=\frac{1}{2}(2ap+b+2aq+b)=a(p+q)+b

区间中点为:x=p+q2x=\frac{p+q}{2}

设区间中点处的切线的斜率为 kmidk_{mid}

kmid=2a⋅p+q2+b=a(p+q)+bk_{mid}=2a\cdot \frac{p+q}{2}+b=a(p+q)+b

kp+kq2=kmid\frac{k_{p}+k_{q}}{2}=k_{mid} ,原命题得证

题目 59​

题目

求使 ff 处处可微的 mm 和 bb 的值。

f(x)={x2,x⩽2,mx+b,x>2.f(x)= \begin{cases} x^2, & x\leqslant 2,\\ mx+b, & x>2. \end{cases}

解答

在 x=2x=2 处有:

左导数=右导数

f′(2−)=2x=2×2=4f'(2^-)=2x=2\times 2=4

f′(2+)=mf'(2^+)=m

∴m=4\therefore m=4

左极限=右极限

lim⁡x→2−x2=4\lim_{ x \to 2^- }x^2=4

lim⁡x→2+(4x+b)=8+b\lim_{ x \to 2^+ }(4x+b)=8+b

∴b=−4\therefore b=-4

最终求得:m=4,b=−4m=4,b=-4

题目 60​

题目

求使给定函数 gg 在 x=1x=1 处可微的 aa 和 bb 的值。

g(x)={ax3−3x,x⩽1,bx2+2,x>1.g(x)= \begin{cases} ax^3-3x, & x\leqslant 1,\\ bx^2+2, & x>1. \end{cases}

解答

在 x=1x=1 处有:

左导数=右导数

f′(1−)=3ax2−3=3a−3f'(1^-)=3ax^2-3=3a-3

f′(1+)=2bf'(1^+)=2b

可得:3a−3=2b3a-3=2b

左极限=右极限

lim⁡x→1−(ax3−3x)=a−3\lim_{ x \to 1^- }(ax^3-3x)=a-3

lim⁡x→1+(bx2+2)=b+2\lim_{ x \to 1^+ }(bx^2+2)=b+2

可得:a−3=b+2a-3=b+2

联立求解:

a=−7,b=−12a=-7,b=-12


3.2 函数积与商的求导法则​

函数积的求导法则​

提示
  • 函数积的求导法则:

ddx[f(x)g(x)]=f(x)ddx[g(x)]+g(x)ddx[f(x)]\frac{d}{dx}[f(x)g(x)]=f(x) \frac{d}{dx}[g(x)]+g(x) \frac{d}{dx}[f(x)]

  • 函数商的求导法则: ddx[f(x)g(x)]=g(x)ddx[f(x)]−f(x)ddx[g(x)][g(x)]2\frac{d}{dx} \left[ \frac{f(x)}{g(x)} \right]= \frac{g(x) \frac{d}{dx}[f(x)]-f(x) \frac{d}{dx}[g(x)]}{[g(x)]^2} (fg)′=gf′−fg′g2\left( \frac{f}{g} \right)'= \frac{gf'-fg'}{g^2}

3.2 习题​

求下列导数

题目 1​

题目

y=(4x2+3)(2x+5)y=(4x^2+3)(2x+5)

解答

y′=8x(2x+5)+2(4x2+3)y'=8x(2x+5)+2(4x^2+3)

y′=16x2+40x+8x2+6y'=16x^2+40x+8x^2+6

y′=24x2+40x+6y'=24x^2+40x+6

题目 2​

题目

y=(10x2+7x−2)(2−x2)y=(10x^2+7x-2)(2-x^2)

解答

y=20x2+14x−4−10x4−7x3+2x2y=20x^2+14x-4-10x^4-7x^3+2x^2

y=22x2+14x−7x3−10x4−4y=22x^2+14x-7x^3-10x^4-4

y′=−40x3−21x2+44x+14y'=-40x^3-21x^2+44x+14

题目 3​

题目

y=x3exy=x^3e^x

解答

y′=3x2ex+x3exy'=3x^2e^x+x^3e^x

y′=x2ex(3+x)y'=x^2e^x(3+x)

题目 4​

题目

y=(ex+2)(2ex−1)y=(e^x+2)(2e^x-1)

解答

y′=ex(2ex−1)+(ex+2)⋅2exy'=e^x(2e^x-1)+(e^x+2)\cdot 2e^x

y′=4e2x+3exy'=4e^{2x}+3e^x

题目 5​

题目

f(x)=(3x2−5x)exf(x)=(3x^2-5x)e^x

解答

y′=(6x−5)ex+(3x2−5x)exy'=(6x-5)e^x+(3x^2-5x)e^x

y′=ex(3x2+x−5)y'=e^x(3x^2+x-5)

求下列导数

题目 6​

题目

g(x)=(x+2x)exg(x)=(x+2\sqrt{ x })e^x

解答

g′(x)=(1+x−12)ex+(x+2x)exg'(x)=\left( 1+x^{-\frac{1}{2}} \right)e^x+(x+2\sqrt{ x })e^x

g′(x)=ex(1+1x+x+2x)g'(x)=e^x\left( 1+\frac{1}{\sqrt{ x }}+x+2\sqrt{ x } \right)

题目 7​

题目

y=xexy=\frac{x}{e^x}

解答

y′=1e2x(ex−xex)y'=\frac{1}{e^{2x}}(e^x-xe^x)

y′=1ex(1−x)y'=\frac{1}{e^x}(1-x)

题目 8​

题目

y=ex1−exy=\frac{e^x}{1-e^x}

解答

y′=1(1−ex)2[ex(1−ex)−ex(−ex)]y'=\frac{1}{(1-e^x)^2}[e^x(1-e^x)-e^x(-e^x)]

y′=ex(1−ex)2y'=\frac{e^x}{(1-e^x)^2}

题目 9​

题目

g(t)=3−2t5t+1g(t)=\frac{3-2t}{5t+1}

解答

g′(t)=(5t+1)−2[−2(5t+1)−5(3−2t)]g'(t)=(5t+1)^{-2}[-2(5t+1)-5(3-2t)]

g′(t)=−17(5t+1)−2g'(t)=-17(5t+1)^{-2}

题目 10​

题目

G(u)=6u4−5uu+1G(u)=\frac{6u^4-5u}{u+1}

解答

G′(u)=(u+1)−2[(24u3−5)(u+1)−(6u4−5u)]G'(u)=(u+1)^{-2}[(24u^3-5)(u+1)-(6u^4-5u)]

G′(u)=(u+1)−2(18u4+24u3−5)G'(u)=(u+1)^{-2}(18u^4+24u^3-5)

求下列导数

题目 11​

题目

f(t)=5tt3−t−1f(t)=\frac{5t}{t^3-t-1}

解答

f′(t)=(t3−t−1)−2[5(t3−t−1)−5t(3t2−1)]f'(t)=(t^3-t-1)^{-2}[5(t^3-t-1)-5t(3t^2-1)]

f′(t)=(t3−t−1)−2(−10t3−5)f'(t)=(t^3-t-1)^{-2}(-10t^3-5)

题目 12​

题目

F(x)=12x3−6x2+5F(x)=\frac{1}{2x^3-6x^2+5}

解答

F′(x)=(2x3−6x2+5)−2[−(6x2−12x)]F'(x)=(2x^3-6x^2+5)^{-2}[-(6x^2-12x)]

题目 13​

题目

y=s−ss2y=\frac{s-\sqrt{ s }}{s^2}

解答

y=s−1−s−32y=s^{-1}-s^{-\frac{3}{2}}

y′=−s−2+32s−52y'=-s^{-2}+\frac{3}{2}s^{-\frac{5}{2}}

题目 14​

题目

y=xx+1y=\frac{\sqrt{ x }}{\sqrt{ x }+1}

解答

y′=12x(x+1)y'=\frac{1}{2\sqrt{ x }(\sqrt{ x }+1)}

题目 15​

题目

J(u)=(1u+1u2)(u+1u)J(u)=\left( \frac{1}{u}+\frac{1}{u^2} \right)\left( u+\frac{1}{u} \right)

解答

J(u)=1+u−2+u−1+u−3J(u)=1+u^{-2}+u^{-1}+u^{-3}

J′(u)=−2u−3−u−2−3u−4J'(u)=-2u^{-3}-u^{-2}-3u^{-4}

题目 16​

题目

如果 g(x)=xexg(x)=\frac{x}{e^x} ,求 g(n)(x)g^{(n)}(x) 。

解答

g′(x)=1−xexg'(x)=\frac{1-x}{e^x}

g′′(x)=x−2exg''(x)=\frac{x-2}{e^x}

g′′′(x)=3−xexg'''(x)=\frac{3-x}{e^x}

根据规律:

g(n)(x)=(−1)n(x−n)exg^{(n)}(x)=\frac{(-1)^n(x-n)}{e^x}

题目 17​

题目

设 f(x)=exg(x)f(x)=e^xg(x) ,其中 g(0)=2g(0)=2 且 g′(0)=5g'(0)=5 ,求 f′(0)f'(0)

解答

f′(x)=exg(x)+exg′(x)f'(x)=e^xg(x)+e^xg'(x)

f′(0)=e0g(0)+e0g′(0)f'(0)=e^0g(0)+e^0g'(0)

f′(0)=2+5=7f'(0)=2+5=7

题目 18​

题目

设 h(2)=4,h′(2)=−3h(2)=4,h'(2)=-3 ,求 ddx(h(x)x)∣x=2\frac{d}{dx}\left( \frac{h(x)}{x} \right)\bigg|_{x=2}

解答

[h(x)x]′=x−2[xh′(x)−h(x)]\left[ \frac{h(x)}{x} \right]'=x^{-2}[xh'(x)-h(x)]

ddx(h(x)x)∣x=2=14(−6−4)=−52\frac{d}{dx}\left( \frac{h(x)}{x} \right)\bigg|_{x=2}=\frac{1}{4}(-6-4)=-\frac{5}{2}

题目 19​

题目

求 R′(0)R'(0),其中

R(x)=x−3x2+5x51+3x3+6x6+9x9R(x)=\frac{x-3x^2+5x^5}{1+3x^3+6x^6+9x^9}

解答

令 f(x)=x−3x2+5x5,g(x)=1+3x3+6x6+9x9f(x)=x-3x^2+5x^5,g(x)=1+3x^3+6x^6+9x^9

∴f′(x)=1−6x+10x4,g′(x)=9x2+36x5+81x8\therefore f'(x)=1-6x+10x^4,g'(x)=9x^2+36x^5+81x^8

R(x)=f(x)g(x)R(x)=\frac{f(x)}{g(x)}

R′(x)=f′(x)g(x)−f(x)g′(x)[g(x)]2R'(x)=\frac{f'(x)g(x)-f(x)g'(x)}{[g(x)]^2}

R′(0)=f′(0)g(0)−f(0)g′(0)[g(0)]2R'(0)=\frac{f'(0)g(0)-f(0)g'(0)}{[g(0)]^2}

f(0)=0,f′(0)=1,g(0)=1,g′(0)=0f(0)=0,f'(0)=1,g(0)=1,g'(0)=0

∴R′(0)=1\therefore R'(0)=1

广义函数积的求导法则

题目 20​

题目

函数积的求导法则可以推广到三个函数的积。

i\mathbf{i} 使用函数积的求导法则两次,证明:如果 ff、gg、hh 都可微,那么

(fgh)′=f′gh+fg′h+fgh′(fgh)'=f'gh+fg'h+fgh'

ii\mathbf{ii} 若 f=g=hf=g=h,则有

ddx[f(x)]3=3[f(x)]2f′(x)\frac{d}{dx}[f(x)]^3=3[f(x)]^2f'(x)

iii\mathbf{iii} 求 y=e3xy=e^{3x} 的导数。

解答

i(fgh)′=((fg)h)′=(fg)′h+(fg)h′=fgh′+fg′h+fgh′\mathbf{i} \quad(fgh)'=((fg)h)'=(fg)'h+(fg)h'=fgh'+fg'h+fgh'

ii∵f=g=h,∴ddx[f(x)]3=fff′+fff′+fff′\mathbf{ii} \quad\because f=g=h,\therefore \frac{d}{dx}[f(x)]^3=fff'+fff'+fff'

ddx[f(x)]3=3f2f′=3[f(x)]2f′(x)\quad\quad\frac{d}{dx}[f(x)]^3=3f^2f'=3[f(x)]^2f'(x)

iiiy′=(ex⋅ex⋅ex)′=3e2xex=3e3x\mathbf{iii}\quad y'=(e^x\cdot e^x\cdot e^x)'=3e^{2x}e^x=3e^{3x}

函数倒数的求导法则

题目 21​

题目

如果 gg 是一个可微函数,则函数倒数的求导法则如下:

ddx[1g(x)]=−g′(x)[g(x)]2\frac{d}{dx}\left[\frac{1}{g(x)}\right] =-\frac{g'(x)}{[g(x)]^2}

i\mathbf{i} 利用函数商求导法则证明该法则。

解答

i\mathbf{i}

ddx[1g(x)]=0−g′(x)[g(x)]2\frac{d}{dx}\left[\frac{1}{g(x)}\right] =\frac{0-g'(x)}{[g(x)]^2} ddx[1g(x)]=−g′(x)[g(x)]2\frac{d}{dx}\left[\frac{1}{g(x)}\right] =-\frac{g'(x)}{[g(x)]^2}

3.3 三角函数的导数​

三角函数的导数​

提示 ddx(sin⁡x)=cos⁡x\frac{d}{dx}(\sin x)=\cos x ddx(cos⁡x)=−sin⁡x\frac{d}{dx}(\cos x)=-\sin x ddx(tan⁡x)=sec⁡2x\frac{d}{dx}(\tan x)=\sec^2 x ddx(csc⁡x)=−csc⁡xcot⁡x\frac{d}{dx}(\csc x)=-\csc x\cot x ddx(sec⁡x)=sec⁡xtan⁡x\frac{d}{dx}(\sec x)=\sec x\tan x ddx(cot⁡x)=−csc⁡2x\frac{d}{dx}(\cot x)=-\csc^2x

两个特殊的三角函数​

提示 lim⁡θ→0sin⁡θθ=1\lim_{ \theta \to 0 } \frac{\sin\theta}{\theta}=1 lim⁡θ→0cos⁡θ−1θ=0\lim_{ \theta \to 0 } \frac{\cos\theta-1}{\theta}=0

3.3 习题​

求导下列函数

题目 1​

题目

f(x)=tan⁡x−4sin⁡xf(x)=\tan x-4\sin x

解答

(tan⁡x)′=sec⁡2x(\tan x)'=\sec^2x

(sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)'=\cos x

f′(x)=sec⁡2x−4cos⁡xf'(x)=\sec^2x-4\cos x

题目 2​

题目

y=2sec⁡x−csc⁡xy=2\sec x-\csc x

解答

(sec⁡x)′=sec⁡xtan⁡x(\sec x)'=\sec x\tan x

(csc⁡x)′=−csc⁡xcot⁡x(\csc x)'=-\csc x\cot x

y′=2sec⁡xtan⁡x+csc⁡xcot⁡xy'=2\sec x\tan x+\csc x\cot x

题目 3​

题目

f(w)=1+sec⁡w1−sec⁡wf(w)=\frac{1+\sec w}{1-\sec w}

解答

f′(w)=sec⁡wtan⁡x(1−sec⁡w)−(1+sec⁡w)(−sec⁡wtan⁡w)(1−sec⁡w)2f'(w)=\frac{\sec w\tan x(1-\sec w)-(1+\sec w)(-\sec w\tan w)}{(1-\sec w)^2}

f′(w)=2sec⁡wtan⁡w(1−sec⁡w)2f'(w)=\frac{2\sec w\tan w}{(1-\sec w)^2}

题目 4​

题目

f(t)=tetcot⁡tf(t)=t e^t \cot t

解答

f′(t)=1×etcot⁡t+tetcot⁡t+tet(−csc⁡2t)f'(t)=1\times e^t\cot t+t e^t\cot t+t e^t(-\csc^2t)

f′(t)=etcot⁡t+tetcot⁡t−tetcsc⁡2tf'(t)=e^t\cot t+t e^t\cot t-t e^t\csc^2t

求下列极限

题目 5​

题目

lim⁡x→0sin⁡5x3x\lim_{ x \to 0 } \frac{\sin5x}{3x}

解答

lim⁡x→053sin⁡5x5x\lim_{ x \to 0 } \frac{5}{3} \frac{\sin 5x}{5x}

=53lim⁡x→01=\frac{5}{3}\lim_{ x \to 0 } 1

=53=\frac{5}{3}

题目 6​

题目

lim⁡x→0sin⁡xsin⁡πx\lim_{ x \to 0 } \frac{\sin x}{\sin \pi x}

解答

lim⁡x→0sin⁡xxsin⁡πxπxπ\lim_{ x \to 0 } \frac{\frac{\sin x}{x}}{\frac{\sin \pi x}{\pi x}\pi}

=1π\frac{1}{\pi}

题目 7​

题目

lim⁡x→0sin⁡3tsin⁡t\lim_{ x \to 0 } \frac{\sin 3t}{\sin t}

解答

lim⁡t→03tsin⁡3t3ttsin⁡tt\lim_{ t \to 0 } \frac{3t\frac{\sin 3t}{3t}}{t\frac{\sin t}{t}}

=3=3

题目 8​

题目

lim⁡x→0sin⁡23xx\lim_{ x \to 0 } \frac{\sin^2 3x}{x}

解答

lim⁡x→09xsin⁡3x3xsin⁡3x3x\lim_{ x \to 0 } 9x\frac{\sin 3x}{3x} \frac{\sin 3x}{3x}

=0=0


3.4 链式法则​

链式法则​

  • 对于复合函数 F(x)=f(x)∘g(x)F(x)=f(x) \circ g(x) F′(x)=f′[g(x)]⋅g′(x)F'(x)=f'[g(x)]\cdot g'(x)

  • 如果 y=f(u),u=g(x),则dydx=dydu⋅dudxy=f(u),u=g(x),\text{则} \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot \frac{du}{dx}

  • 幂函数求导法则结合链式法则 ddx(un)=nun−1dudx\frac{d}{dx}(u^n)=n u^{n-1} \frac{du}{dx} ddx[g(x)]n=n[g(x)]n−1⋅g′(x)\frac{d}{dx}[g(x)]^n=n[g(x)]^{n-1}\cdot g'(x)

一般指数函数导数​

  • 指数函数结合链式法则 ddx(bx)=bxln⁡b\frac{d}{dx}(b^x)=b^x \ln b

3.4 习题​

将下列复合函数表示 f(g(x))f(g(x)) 的形式,(内层函数为 u=g(x)u=g(x),外层函数为 y=f(u)y=f(u)。)求导数 dydx\frac{dy}{dx} 。

题目 1​

题目

y=(5−x4)3y=(5-x^4)^3

解答

u=g(x)=5−x4u=g(x)=5-x^4

y=f(u)=u3y=f(u)=u^3

dydx=3(5−x4)2(−4x3)\frac{dy}{dx}=3(5-x^4)^2(-4x^3)

dydx=−12x3(5−x4)2\frac{dy}{dx}=-12x^3(5-x^4)^2

题目 2​

题目

y=x3+2y=\sqrt{ x^3+2 }

解答

u=g(x)=x3+2u=g(x)=x^3+2

y=f(u)=uy=f(u)=\sqrt{ u }

dydx=12(x3+2)−12(3x2)\frac{dy}{dx}=\frac{1}{2}(x^3+2)^{-\frac{1}{2}}(3x^2)

dydx=32x2(x3+2)−12\frac{dy}{dx}=\frac{3}{2}x^2(x^3+2)^{-\frac{1}{2}}

题目 3​

题目

y=tan⁡(x2)y=\tan(x^2)

解答

u=g(x)=x2u=g(x)=x^2

y=f(u)=tan⁡uy=f(u)=\tan u

dydx=2xsec⁡2x2\frac{dy}{dx}=2x \sec^2 x^2

求下列函数的导数。

题目 4​

题目

f(x)=ex2−xf(x)=e^{x^2-x}

解答

f′(x)=(2x−1)ex2−xf'(x)=(2x-1)e^{x^2-x}

题目 5​

题目

f(t)=tsin⁡πtf(t)=t\sin \pi t

解答

f′(t)=sin⁡πt+πtcos⁡πtf'(t)=\sin \pi t+\pi t\cos \pi t

题目 6​

题目

f(t)=eatsin⁡btf(t)=e^{at}\sin bt

解答

f′(t)=aeatsin⁡bt+beatcos⁡btf'(t)=ae^{at}\sin bt+be^{at}\cos bt

题目 7​

题目

g(u)=(u3−1u3+1)8g(u)=\left( \frac{u^3-1}{u^3+1} \right)^8

解答

g′(u)=8(u3−1u3+1)7⋅3u2(u3+1)−3u2(u3−1)(u3+1)2g'(u)=8\left( \frac{u^3-1}{u^3+1} \right)^7\cdot \frac{3u^2(u^3+1)-3u^2(u^3-1)}{(u^3+1)^2}

题目 8​

题目

g(x)=sin⁡(ex1+ex)g(x)=\sin\left( \frac{e^x}{1+e^x} \right)

解答

g′(x)=cos⁡(ex1+ex)⋅ex(1+ex)−e2x(1+ex)2g'(x)=\cos \left( \frac{e^x}{1+e^x} \right)\cdot \frac{e^x(1+e^x)-e^{2x}}{(1+e^x)^2}

g′(x)=cos⁡(ex1+ex)⋅ex(1+ex)2g'(x)=\cos \left( \frac{e^x}{1+e^x} \right)\cdot \frac{e^x}{(1+e^x)^2}

题目 9​

题目

f(x)=esin⁡2(x2)f(x)=e^{\sin^2(x^2)}

解答

f′(x)=esin⁡2(x2)⋅2sin⁡(x2)⋅cos⁡(x2)⋅2xf'(x)=e^{\sin^2(x^2)}\cdot 2\sin(x^2)\cdot \cos (x^2)\cdot 2x

f′(x)=4xsin⁡(x2)cos⁡(x2)esin⁡2(x2)f'(x)=4x\sin(x^2)\cos(x^2)e^{\sin^2(x^2)}

f′(x)=2xsin⁡(2x2)esin⁡2(x2)f'(x)=2x\sin(2x^2)e^{\sin^2(x^2)}

题目 10​

题目

G(z)=(1−4z)2z2+1G(z)=(1-4z)^2\sqrt{ z^2+1 }

解答

G′(z)=2(1−4z)⋅(−4)x2+1+(1−4z)2⋅12(z2+1)−12⋅2zG'(z)=2(1-4z)\cdot(-4)\sqrt{ x^2+1 }+(1-4z)^2\cdot \frac{1}{2}(z^2+1)^{-\frac{1}{2}}\cdot 2z

G′(z)=−8(1−4z)z2+1+z(1−4z)2(z2+1)−12G'(z)=-8(1-4z)\sqrt{ z^2+1 }+z(1-4z)^2(z^2+1)^{-\frac{1}{2}}

G′(z)=−8(1−4z)(z2+1)+z(1−4z2)z2+1G'(z)=\frac{-8(1-4z)(z^2+1)+z(1-4z^2)}{\sqrt{ z^2+1 }}

G′(z)=48z3−16z2+33z−8z2+1G'(z)=\frac{48z^3-16z^2+33z-8}{\sqrt{ z^2+1 }}

题目 11​

题目

y=sin⁡3(cos⁡(x2))y=\sin^3(\cos(x^2))

解答

y′=3sin⁡2(cos⁡(x2))⋅cos⁡(cos⁡(x2))⋅(−sin⁡(x2))⋅2xy'=3\sin^2(\cos(x^2))\cdot \cos(\cos(x^2))\cdot (-\sin(x^2))\cdot 2x

y′=6xsin⁡2(cos⁡(x2))⋅cos⁡(cos⁡(x2))⋅(−sin⁡(x2))y'=6x\sin^2(\cos(x^2))\cdot \cos(\cos(x^2))\cdot (-\sin(x^2))

题目 12​

题目

证明 y=e2x(Acos⁡3x+Bsin⁡3x)y=e^{2x}(A\cos 3x+B\sin 3x) 满足微分方程 y′′−4y′+13y=0y''-4y'+13y=0

解答

y′=e2x[(2A+3B)cos⁡3x+(2B−3A)sin⁡3x]y'=e^{2x}[(2A+3B)\cos 3x+(2B-3A)\sin 3x]

y′′=e2x[(−5A+12B)cos⁡3x+(−5B−12A)sin⁡3x]y''=e^{2x}[(-5A+12B)\cos 3x+(-5B-12A)\sin 3x]

把 y′y' 和 y′′y'' 代入 y′′−4y′+13y=0y''-4y'+13y=0 中

最终可以证明微分方程成立


3.5 隐函数求导法​

隐函数​

  • 例如:笛卡儿叶形线,x3+y3=6xyx^3+y^3=6xy ,无法解出 yy 关于 xx 的显示方程,我们称此为隐函数。
  • 即: x3+[f(x)]3=6xf(x)x^3+[f(x)]^3=6x f(x)

隐函数求导法​

  • 我们不需要用 xx 表示 yy 来求出 yy 的导数,而是采用隐函数求导法。
  • 例1:如果 x2+y2=25x^2+y^2=25 ,求 dydx\frac{dy}{dx} 。求圆 x2+y2=25x^2+y^2=25 在点 (3,4)(3,4) 处的切线方程。
    • 解:在方程 x2+y2=25x^2+y^2=25 的两边求关于 xx 的导数:
    • ddx(x2+y2)=ddx(25)\frac{d}{dx}(x^2+y^2)=\frac{d}{dx}(25)
    • ddx(x2)+ddx(y2)=0\frac{d}{dx}(x^2)+\frac{d}{dx}(y^2)=0
    • yy 是 xx 的函数,应用链式法则可得
    • ddx(y2)=ddy(y2)⋅dydx=2ydydx\frac{d}{dx}(y^2)=\frac{d}{dy}(y^2)\cdot \frac{dy}{dx}=2y \frac{dy}{dx}
    • 因此
    • 2x+2y⋅dydx=02x+2y\cdot \frac{dy}{dx}=0
    • 得到
    • dydx=−xy\frac{dy}{dx}=-\frac{x}{y}
    • 在点 (3,4)(3,4) 处有
    • dydx=−34\frac{dy}{dx}=-\frac{3}{4}
    • 所以,在 (3,4)(3,4) 处的切线方程是
    • y−4=−34(x−3)y-4=-\frac{3}{4}(x-3)
  • 例2:已知 sin⁡(x+y)=y2cos⁡x\sin(x+y)=y^2\cos x ,求 y′y' 。
    • 解:yy 是 xx 的函数,应用链式法则可得
    • cos⁡(x+y)(1+y′)=−y2sin⁡x+cos⁡x⋅2y⋅y′\cos(x+y)(1+y')=-y^2\sin x+\cos x\cdot 2y\cdot y'
    • cos⁡(x+y)+cos⁡(x+y)⋅y′=−y2sin⁡x+2y⋅y′cos⁡x\cos(x+y)+\cos(x+y)\cdot y'=-y^2\sin x+2y\cdot y'\cos x
    • y′=y2sin⁡x+cos⁡(x+y)2ycos⁡x−cos⁡(x+y)y'= \frac{y^2\sin x+\cos(x+y)}{2y\cos x-\cos(x+y)}

隐函数的二阶导数​

  • 例1:已知 x4+y4=16x^4+y^4=16 ,求 y′′y'' 。
    • 解:yy 是 xx 的函数,应用链式法则可得
    • 4x3+4y3⋅y′=04x^3+4y^3\cdot y'=0
    • y′=−x3y3y'=-\frac{x^3}{y^3}
    • 继续求导,
    • y′′=y3⋅3x2−x2⋅3y2⋅y′y6y''=\frac{y^3\cdot 3x^2-x^2\cdot 3y^2\cdot y'}{y^6}
    • 代入 y′y' ,
    • y′′=y3⋅3x2−x2⋅3y2⋅(−x3y3)y6y''=\frac{y^3\cdot 3x^2-x^2\cdot 3y^2\cdot (-\frac{x^3}{y^3})}{y^6}
    • y′′=−3x2(y4+x4)y7y''=-\frac{3x^2(y^4+x^4)}{y^7}
    • 将x4+y4=16x^4+y^4=16 代入,
    • y′′=48x2y7y''=\frac{48x^2}{y^7}

3.5 习题​

利用隐函数求导法求 y′y' 。

题目 1​

题目

5x2−y3=75x^2-y^3=7

解答

10x−3y2⋅y′=010x-3y^2\cdot y'=0

y′=10x3y2y'=\frac{10x}{3y^2}

题目 2​

题目

6x4+y5=2x6x^4+y^5=2x

解答

24x3+4y4⋅y′=224x^3+4y^4\cdot y'=2

y′=2−24x34y4y'=\frac{2-24x^3}{4y^4}

y′=1−12x32y4y'=\frac{1-12x^3}{2y^4}

题目 3​

题目

x+y=1\sqrt{ x }+\sqrt{ y }=1

解答

x12+y12=1x^{\frac{1}{2}}+y^{\frac{1}{2}}=1

12x−12+12y−12⋅y′=0\frac{1}{2}x^{-\frac{1}{2}}+\frac{1}{2}y^{-\frac{1}{2}}\cdot y'=0

y′=−x−12y−12=−yxy'=-\frac{x^{-\frac{1}{2}}}{y^{-\frac{1}{2}}}=-\sqrt{ \frac{y}{x} }

题目 4​

题目

2x−1y=4\frac{2}{x}-\frac{1}{y}=4

解答

2x−1−y−1=42x^{-1}-y^{-1}=4

−2x−2+y−2⋅y′=0-2x^{-2}+y^{-2}\cdot y'=0

y′=y−22x−2y'=\frac{y^{-2}}{2x^{-2}}

利用隐函数求导法求 dydx\frac{dy}{dx} 。

题目 5​

题目

x2−4xy+y2=4x^2-4xy+y^2=4

解答

2x−4y−4xdydx+2ydydx=02x-4y-4x \frac{dy}{dx}+2y \frac{dy}{dx}=0

(2y−4x)dydx=4y−2x(2y-4x) \frac{dy}{dx}=4y-2x

dydx=2y−xy−2x\frac{dy}{dx}=\frac{2y-x}{y-2x}

题目 6​

题目

2x2+xy−y2=22x^2+xy-y^2=2

解答

4x+xdydx+y−2ydydx=04x+x \frac{dy}{dx}+y-2y \frac{dy}{dx}=0

(x−2y)dydx=−4x−y(x-2y) \frac{dy}{dx}=-4x-y

dydx=−4x−yx−2y\frac{dy}{dx}=\frac{-4x-y}{x-2y}

题目 7​

题目

x4+x2y2+y3=5x^4+x^2y^2+y^3=5

解答

4x3+2xy2+x2⋅2ydydx+3y2dydx=04x^3+2xy^2+x^2\cdot 2y \frac{dy}{dx}+3y^2 \frac{dy}{dx}=0

(2x2y+3y2)dydx=−4x3−2xy2(2x^2y+3y^2) \frac{dy}{dx}=-4x^3-2xy^2

dydx=−4x3−2xy22x2y+3y2\frac{dy}{dx}=\frac{-4x^3-2xy^2}{2x^2y+3y^2}

题目 8​

题目

x3−xy2+y3=1x^3-xy^2+y^3=1

解答

3x2−(y2+2xydydx)+3y2dydx=03x^2-\left( y^2+2xy \frac{dy}{dx} \right)+3y^2 \frac{dy}{dx}=0

(3y2−2xy)dydx=y2−3x2(3y^2-2xy) \frac{dy}{dx}=y^2-3x^2

dydx=y2−3x23y2−2xy\frac{dy}{dx}=\frac{y^2-3x^2}{3y^2-2xy}

题目 9​

题目

x2x+y=y2+1\frac{x^2}{x+y}=y^2+1

解答

x2=(y2+1)(x+y)x^2=(y^2+1)(x+y)

x2=xy2+y3+x+yx^2=xy^2+y^3+x+y

2x=y2+2xydydx+3y2dydx+1+dydx2x=y^2+2xy \frac{dy}{dx}+3y^2 \frac{dy}{dx}+1+\frac{dy}{dx}

2x−y2−1=(2xy+3y2+1)dydx2x-y^2-1=(2xy+3y^2+1) \frac{dy}{dx}

dydx=2x−y2−12xy+3y2+1\frac{dy}{dx}=\frac{2x-y^2-1}{2xy+3y^2+1}

题目 10​

题目

xey=x−yxe^y=x-y

解答

ey+xey⋅dydx=1−dydxe^y+xe^y\cdot \frac{dy}{dx}=1-\frac{dy}{dx}

(xey+1)dydx=1−ey(xe^y+1) \frac{dy}{dx}=1-e^y

dydx=1−eyxey+1\frac{dy}{dx}=\frac{1-e^y}{xe^y+1}

题目 11​

题目

sin⁡x+cos⁡y=2x−3y\sin x+\cos y=2x-3y

解答

cos⁡x−sin⁡y⋅dydx=2−3dydx\cos x-\sin y\cdot \frac{dy}{dx}=2-3 \frac{dy}{dx}

(3−sin⁡y)dydx=2−cos⁡x(3-\sin y) \frac{dy}{dx}=2-\cos x

dydx=2−cos⁡x3−sin⁡y\frac{dy}{dx}=\frac{2-\cos x}{3-\sin y}

题目 12​

题目

exsin⁡y=x+ye^x\sin y=x+y

解答

excos⁡y⋅dydx+exsin⁡y=1+dydxe^x\cos y \cdot \frac{dy}{dx}+e^x\sin y=1+\frac{dy}{dx}

(excos⁡y−1)dydx=1−exsin⁡y(e^x\cos y-1) \frac{dy}{dx}=1-e^x\sin y

dydx=1−exsin⁡yexcos⁡y−1\frac{dy}{dx}=\frac{1-e^x\sin y}{e^x\cos y-1}

利用隐函数求导法求 dydx\frac{dy}{dx} 。

题目 13​

题目

sin⁡(x+y)=cos⁡x+cos⁡y\sin(x+y)=\cos x +\cos y

解答

cos⁡(x+y)⋅(1+dydx)=−sin⁡x−sin⁡y⋅dydx\cos(x+y)\cdot \left( 1+\frac{dy}{dx} \right)=-\sin x-\sin y\cdot \frac{dy}{dx}

dydx=−cos⁡(x+y)−sin⁡xcos⁡(x+y)+sin⁡y\frac{dy}{dx}=\frac{-\cos(x+y)-\sin x}{\cos(x+y)+\sin y}

题目 14​

题目

tan⁡(x−y)=2xy+1\tan(x-y)=2xy+1

解答

sec⁡2(x+y)⋅(1−dydx)=2(y+xdydx)\sec^2(x+y)\cdot\left( 1-\frac{dy}{dx} \right)=2\left( y+x \frac{dy}{dx} \right)

dydx=2y−sec⁡2(x+y)−2x−sec⁡2(x+y)\frac{dy}{dx}=\frac{2y-\sec^2(x+y)}{-2x-\sec^2(x+y)}

题目 15​

题目

ycos⁡x=x2+y2y\cos x=x^2+y^2

解答

dydxcos⁡x−ysin⁡x=2x+2ydydx\frac{dy}{dx}\cos x-y\sin x=2x+2y \frac{dy}{dx}

dydx=2x+ysin⁡xcos⁡x−2y\frac{dy}{dx}=\frac{2x+y\sin x}{\cos x-2y}

题目 16​

题目

sin⁡(xy)=cos⁡(x+y)\sin(xy)=\cos(x+y)

解答

cos⁡(xy)⋅(y+xdydx)=−sin⁡(x+y)⋅(1+dydx)\cos(xy)\cdot\left( y+x \frac{dy}{dx} \right)=-\sin(x+y)\cdot\left( 1+\frac{dy}{dx} \right)

dydx=−sin⁡(x+y)−ycos⁡(xy)xcos⁡(xy)+sin⁡(x+y)\frac{dy}{dx}=\frac{-\sin(x+y)-y\cos(xy)}{x\cos(xy)+\sin(x+y)}

题目 17​

题目

2xey+yex=32xe^y+ye^x=3

解答

2(ey+xey⋅dydx)+ex⋅dydx+yex=02\left( e^y+xe^y\cdot \frac{dy}{dx} \right)+e^x\cdot \frac{dy}{dx}+ye^x=0

dydx=−yex−2ey2xey+ex\frac{dy}{dx}=\frac{-ye^x-2e^y}{2xe^y+e^x}

题目 18​

题目

sin⁡xcos⁡y=x2−5y\sin x\cos y=x^2-5y

解答

cos⁡xcos⁡y−sin⁡xcos⁡y⋅dydx=2x−5dydx\cos x \cos y-\sin x\cos y \cdot \frac{dy}{dx}=2x-5 \frac{dy}{dx}

dydx=2x−cos⁡xcos⁡y5−sin⁡xcos⁡y\frac{dy}{dx}=\frac{2x-\cos x\cos y}{5-\sin x\cos y}

题目 19​

题目

x+y=x4+y4\sqrt{ x+y }=x^4+y^4

解答

12(x+y)−12⋅(1+dydx)=4x3+4y3dydx\frac{1}{2} (x+y)^{-\frac{1}{2}}\cdot\left( 1+\frac{dy}{dx} \right)=4x^3+4y^3 \frac{dy}{dx}

dydx=4x3−12(x+y)−1212(x+y)−12−4y3\frac{dy}{dx}=\frac{4x^3-\frac{1}{2}(x+y)^{-\frac{1}{2}}}{\frac{1}{2}(x+y)^{-\frac{1}{2}}-4y^3}

dydx=8x3⋅x+y−11−8y3⋅x+y\frac{dy}{dx}=\frac{8x^3 \cdot \sqrt{ x+y }-1}{1-8y^3 \cdot\sqrt{ x+y }}

题目 20​

题目

xy=x2+y2xy=\sqrt{ x^2+y^2 }

解答

y+xdydx=121x2+y2⋅(2x+2ydydx)y+ x \frac{dy}{dx}= \frac{1}{2} \frac{1}{\sqrt{ x^2+y^2 }}\cdot (2x+2y \frac{dy}{dx})

dydx=x−yx2+y2xx2+y2−y\frac{dy}{dx}=\frac{x-y\sqrt{ x^2+y^2 }}{x\sqrt{ x^2+y^2 }-y}

题目 21​

题目

exy=x−ye^{\frac{x}{y}}=x-y

解答

exy⋅(y−xdydxy2)=1−dydxe^{\frac{x}{y}}\cdot \left( \frac{y-x \frac{dy}{dx}}{y^2} \right)=1-\frac{dy}{dx}

dydx=y2−yexyy2−xexy\frac{dy}{dx}=\frac{y^2-ye^{\frac{x}{y}}}{y^2-xe^{\frac{x}{y}}}

题目 22​

题目

cos⁡(x2+y2)=xey\cos(x^2+y^2)=xe^y

解答

−sin⁡(x2+y2)⋅(2x+2ydydx)=ey+xeydydx-\sin(x^2+y^2)\cdot\left( 2x+2y \frac{dy}{dx} \right)=e^y+xe^y \frac{dy}{dx}

dydx=ey+2xsin⁡(x2+y2)−xey−2ysin⁡(x2+y2)\frac{dy}{dx}= \frac{e^y+2x\sin(x^2+y^2)}{-xe^y-2y\sin(x^2+y^2)}

题目 23​

题目

设 f(x)+x2[f(x)]3=10f(x)+x^2[f(x)]^3=10 ,f(1)=2f(1)=2 ,求 f′(1)f'(1) 。

解答

f′(x)+2x[f(x)]3+3x2[f(x)]2f′(x)=0f'(x)+2x[f(x)]^3+3x^2[f(x)]^2f'(x)=0

f′(x)=−2x[f(x)]31+3x2[f(x)]2f'(x)=-\frac{2x[f(x)]^3}{1+3x^2[f(x)]^2}

f′(1)=−1613f'(1)=-\frac{16}{13}

题目 24​

题目

设 g(x)+xsin⁡g(x)=x2g(x)+x\sin g(x)=x^2 ,求 g′(x)g'(x) 。

解答

g′(x)+sin⁡g(x)+xcos⁡g(x)⋅g′(x)=2xg'(x)+\sin g(x)+x\cos g(x)\cdot g'(x)=2x

g′(x)=2x−sin⁡g(x)1+xcos⁡g(x)g'(x)=\frac{2x-\sin g(x)}{1+x\cos g(x)}

下列函数中,自变量为 yy ,因变量为 xx 利用隐函数求导法求 dxdy\frac{dx}{dy}。

题目 25​

题目

x4y2−x3y+2xy3=0x^4y^2-x^3y+2xy^3=0

解答

4x3y2dxdy+x4⋅2y−(3x2ydxdy+x3)+2y3dxdy+2x⋅3y2=04x^3y^2 \frac{dx}{dy}+x^4\cdot 2y-\left( 3x^2y \frac{dx}{dy}+x^3 \right)+2y^3 \frac{dx}{dy}+2x\cdot 3y^2=0

dxdy=−2x4y+x3−6xy24x3y2−3x2y+2y3\frac{dx}{dy}=\frac{-2x^4y+x^3-6xy^2}{4x^3y^2-3x^2y+2y^3}

题目 26​

题目

ysec⁡x=xtan⁡yy\sec x=x\tan y

解答

sec⁡x+ysec⁡xtan⁡x⋅dxdy=tan⁡y⋅dxdy+xsec⁡2y\sec x+y\sec x\tan x \cdot \frac{dx}{dy}=\tan y \cdot \frac{dx}{dy}+x\sec^2y

dxdy=xsec⁡2y−sec⁡xysec⁡xtan⁡x−tan⁡y\frac{dx}{dy}=\frac{x\sec^2y-\sec x}{y\sec x\tan x-\tan y}

利用隐函数求导法求出曲线在给定点处的切线的方程。

题目 27​

题目

yesin⁡x=xcos⁡y,(0,0)ye^{\sin x}=x\cos y,\quad(0,0)

解答

esin⁡xy′+yesin⁡xcos⁡x=cos⁡y−xsin⁡y⋅y′e^{\sin x}y'+ye^{\sin x}\cos x=\cos y-x\sin y\cdot y'

y′=cos⁡y−yesin⁡xcos⁡xesin⁡x+xsin⁡yy'=\frac{\cos y-ye^{\sin x}\cos x}{e^{\sin x}+x\sin y}

y′∣(0,0)=cos⁡0−0e0+0=1y'\bigg|_{(0,0)}=\frac{\cos 0-0}{e^0+0}=1

切线方程:y=xy=x

题目 28​

题目

tan⁡(x+y)+sec⁡(x−y)=2,(π8,π8)\tan(x+y)+\sec(x-y)=2,\quad \left( \frac{\pi}{8}, \frac{\pi}{8} \right)

解答

sec⁡2(x+y)⋅(1+y′)+sec⁡(x−y)tan⁡(x−y)⋅(1−y′)=0\sec^2(x+y)\cdot (1+y')+\sec(x-y)\tan(x-y)\cdot(1-y')=0

sec⁡2(π4)⋅(1+y′)+0=0\sec^2\left( \frac{\pi}{4} \right)\cdot(1+y')+0=0

2(1+y′)=0⇔y′=−12(1+y')=0\Leftrightarrow y'=-1

y−π8=−(x−π8)y-\frac{\pi}{8}=-\left( x-\frac{\pi}{8} \right)

y=−x+π4y=-x+\frac{\pi}{4}

题目 29​

题目

x23+y23=4,(−33,1)x^{\frac{2}{3}}+y^{\frac{2}{3}}=4,\quad(-3\sqrt{ 3 },1)

解答

解:·

23x−13+23y−13⋅y′=0\frac{2}{3}x^{-\frac{1}{3}}+\frac{2}{3}y^{-\frac{1}{3}}\cdot y'=0

y′=−y13x13=12716=33y'=-\frac{y^{\frac{1}{3}}}{x^{\frac{1}{3}}}=\frac{1}{27^{\frac{1}{6}}}=\frac{\sqrt{ 3 }}{3}

y−1=33(x+33)y-1=\frac{\sqrt{ 3 }}{3}(x+3\sqrt{ 3 })

y=33x+4y=\frac{\sqrt{ 3 }}{3}x+4


3.6 对数函数与反三角函数的导数​

对数函数的导数​

提示 ddx(log⁡bx)=1xln⁡b\frac{d}{dx}(\log _{b}x)=\frac{1}{x\ln b} ddx(ln⁡x)=1x\frac{d}{dx}(\ln x)=\frac{1}{x} ddx[ln⁡g(x)]=g′(x)g(x)\frac{d}{dx}[\ln g(x)]=\frac{g'(x)}{g(x)} ddxln⁡∣x∣=1x\frac{d}{dx}\ln |x|=\frac{1}{x}

对数求导法​

提示

对数求导法的步骤

1)在方程 y=f(x)y=f(x) 两边同时取自然对数,并利用对数运算法则化简。 2)求关于 xx 的导数。 3)解方程,求 y′y' ,并用 f(x)f(x) 替换 yy 。

将数e表示为极限​

提示 e=lim⁡x→0(1+x)1xe=\lim_{ x \to 0 }(1+x)^{\frac{1}{x}} e=lim⁡x→∞(1+1x)xe=\lim_{ x \to \infty }\left( 1+\frac{1}{x} \right)^x

反三角函数的导数​

提示 ddx(sin⁡−1x)=ddx(arcsin⁡x)=11−x2\frac{d}{dx}(\sin^{-1}x)=\frac{d}{dx}(\arcsin x)=\frac{1}{\sqrt{ 1-x^2 }} ddx(cos⁡−1x)=ddx(arccos⁡x)=−11−x2\frac{d}{dx}(\cos^{-1}x)=\frac{d}{dx}(\arccos x)=-\frac{1}{\sqrt{ 1-x^2 }} ddx(tan⁡−1x)=ddx(arctan⁡x)=11+x2\frac{d}{dx}(\tan^{-1}x)=\frac{d}{dx}(\arctan x)=\frac{1}{1+x^2} ddx(cot⁡−1x)=−11+x2\frac{d}{dx}(\cot^{-1}x)=-\frac{1}{1+x^2} ddx(csc⁡−1x)=−1xx2−1\frac{d}{dx}(\csc^{-1}x)=-\frac{1}{x\sqrt{ x^2-1 }} ddx(sec⁡−1x)=1xx2−1\frac{d}{dx}(\sec^{-1}x)=\frac{1}{x\sqrt{ x^2-1 }}

3.6 习题​

求下列函数导数

题目 1​

题目

g(t)=ln⁡(3+t2)g(t)=\ln(3+t^2)

解答

g′(t)=2t3+t2g'(t)=\frac{2t}{3+t^2}

题目 2​

题目

f(x)=ln⁡(x2+3x+5)f(x)=\ln(x^2+3x+5)

解答

f′(x)=2x+3x2+3x+5f'(x)=\frac{2x+3}{x^2+3x+5}

题目 3​

题目

F(t)=(ln⁡t)2sin⁡tF(t)=(\ln t)^2\sin t

解答

F′(t)=2ln⁡t⋅1tsin⁡t+(ln⁡t)2cos⁡tF'(t)=2\ln t\cdot \frac{1}{t} \sin t +(\ln t)^2\cos t

题目 4​

题目

y=log⁡8(x2+3x)y=\log_{8}(x^2+3x)

解答

y′=2x+3(x2+3x)ln⁡8y'=\frac{2x+3}{(x^2+3x)\ln 8}

题目 5​

题目

g(t)=ln⁡t(t2+1)42t−13g(t)=\ln \frac{t(t^2+1)^4}{\sqrt[3]{ 2t-1 }}

解答

g(t)=ln⁡t+4ln⁡(t2+1)−32ln⁡(2t−1)g(t)=\ln t+4\ln(t^2+1)-\frac{3}{2}\ln(2t-1)

g′(t)=1t+8tt2+1−32t−1g'(t)=\frac{1}{t}+\frac{8t}{t^2+1}-\frac{3}{2t-1}

题目 6​

题目

y=log⁡2(xlog⁡5x)y=\log_{2}(x\log_{5}x)

解答

y′=1xlog⁡5x⋅ln⁡2(log⁡5x+x⋅1xln⁡5)y'=\frac{1}{x\log_{5}x\cdot\ln 2} \left( \log_{5}x+x\cdot \frac{1}{x\ln 5} \right)

换底公式:log⁡5x=ln⁡xln⁡5\log_{5}x=\frac{\ln x}{\ln 5}

y′=1xln⁡2ln⁡5ln⁡x(ln⁡xln⁡5+1ln⁡5)y'=\frac{1}{x\ln 2} \frac{\ln 5}{\ln x}\left( \frac{\ln x}{\ln 5}+\frac{1}{\ln 5} \right)

y′=ln⁡x+1xln⁡2+ln⁡xy'=\frac{\ln x+1}{x\ln 2+\ln x}

题目 7​

题目

证明:ddxln⁡(x+x2+1)=1x2+1\frac{d}{dx}\ln(x+\sqrt{ x^2+1 })=\frac{1}{\sqrt{ x^2+1 }}

解答

y′=1x+x2+1[1+2x⋅12(x2+1)−12]y'=\frac{1}{x+\sqrt{ x^2+1 }}\left[ 1+2x \cdot\frac{1}{2}(x^2+1)^{-\frac{1}{2}} \right]

y′=1x+x2+1⋅x2+1+xx2+1y'=\frac{1}{x+\sqrt{ x^2+1 }}\cdot \frac{\sqrt{ x^2+1 }+x}{\sqrt{ x^2+1 }}

y′=1x2+1y'=\frac{1}{\sqrt{ x^2+1 }}

用对数求导法则求下列函数的导数

题目 8​

题目

y=(x2+2)2(x4+4)4y=(x^2+2)^2(x^4+4)^4

解答

ln⁡y=2ln⁡(x2+2)+4ln⁡(x4+4)\ln y=2\ln(x^2+2)+4\ln(x^4+4)

y′=(4xx2+2+16x3x4+4)(x2+2)2(x4+4)4y'=\left( \frac{4x}{x^2+2}+\frac{16x^3}{x^4+4} \right)(x^2+2)^2(x^4+4)^4

y′=4x(x2+2)(x4+4)4+16x3(x2+2)2(x4+4)3y'=4x(x^2+2)(x^4+4)^4+16x^3(x^2+2)^2(x^4+4)^3

题目 9​

题目

y=e−xcos⁡2xx2+x+1y=\frac{e^{-x}\cos^2x}{x^2+x+1}

解答

ln⁡y=−x+2ln⁡cos⁡x−ln⁡(x2+x+1)\ln y=-x+2\ln \cos x-\ln(x^2+x+1)

y′=(−1−2tan⁡x−2x+1x2+x+1)(e−xcos⁡2xx2+x+1)y'=\left( -1-2\tan x-\frac{2x+1}{x^2+x+1} \right)\left( \frac{e^{-x}\cos^2x}{x^2+x+1} \right)

题目 10​

题目

y=x⋅ex2−x(x+1)23y=\sqrt{ x }\cdot e^{x^2-x}(x+1)^{\frac{2}{3}}

解答

ln⁡y=12ln⁡x+x2−x+23ln⁡(x+1)\ln y=\frac{1}{2}\ln x+x^2-x+\frac{2}{3}\ln(x+1)

y′=(12x+2x−1+23(x+1))xex2−x(x+1)23y'=\left( \frac{1}{2x}+2x-1+\frac{2}{3(x+1)} \right)\sqrt{ x }e^{x^2-x}(x+1)^{\frac{2}{3}}

题目 11​

题目

y=(sin⁡x)ln⁡xy=(\sin x)^{\ln x}

解答

ln⁡y=ln⁡x⋅ln⁡sin⁡x\ln y=\ln x\cdot \ln \sin x

y′=(ln⁡sin⁡xx+ln⁡xcos⁡xsin⁡x)⋅(sin⁡x)ln⁡xy'=\left( \frac{\ln \sin x}{x}+\ln x \frac{\cos x}{\sin x} \right)\cdot (\sin x)^{\ln x}

求下列函数导数

题目 12​

题目

f(x)=sin⁡−1(5x)f(x)=\sin^{-1}(5x)

解答

f′(x)=51−25x2f'(x)=\frac{5}{\sqrt{ 1-25x^2 }}

题目 13​

题目

g(x)=sec⁡−1(ex)g(x)=\sec^{-1}(e^x)

解答

g′(x)=exexe2x−1=1e2x−1g'(x)=\frac{e^x}{e^x\sqrt{ e^{2x}-1 }}=\frac{1}{\sqrt{ e^{2x}-1 }}

题目 14​

题目

y=tan⁡−1x−1y=\tan^{-1}\sqrt{ x-1 }

解答

y′=11+(x−1)2⋅12x−1y'=\frac{1}{1+(\sqrt{ x-1 })^2}\cdot \frac{1}{2\sqrt{ x-1 }}

y′=12xx−1y'=\frac{1}{2x\sqrt{ x-1 }}

题目 15​

题目

y=cos⁡−1(sin⁡−1t)y=\cos^{-1}(\sin^{-1}t)

解答

y′=−11−(sin⁡−1t)2⋅11−t2y'=-\frac{1}{\sqrt{ 1-(\sin^{-1}t)^2 }}\cdot \frac{1}{\sqrt{ 1-t^2 }}

反函数的导数

题目 16​

题目

假设 ff 是一个可微函数,它的反函数 f−1f^{-1} 也是可微的,利用隐函数求导法则证明:

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

解答

反函数:y=f−1(x)  ⟹  x=f(y)y=f^{-1}(x)\implies x=f(y)

1=f′(y)⋅dydx1=f'(y)\cdot \frac{dy}{dx}

(f−1)′(x)=dydx=1f′(y)=1f′(f−1(x))(f^{-1})'(x)=\frac{dy}{dx}=\frac{1}{f'(y)}=\frac{1}{f'(f^{-1}(x))}

题目 17​

题目

如果 f(4)=5,f′(4)=23f(4)=5,f'(4)=\frac{2}{3} ,求 (f−1)′(5)(f^{-1})'(5)

解答

f(4)=5  ⟹  4=f−1(5)f(4)=5\implies 4=f^{-1}(5)

(f−1)′(5)=1f′(f−1(x))(f^{-1})'(5)=\frac{1}{f'(f^{-1}(x))}

=1f′(f−1(5))=1f′(4)=32=\frac{1}{f'(f^{-1}(5))}=\frac{1}{f'(4)}=\frac{3}{2}


3.7 自然科学和社会科学中的变化率​

物理学中的变化率​

  • 速度和加速度 s=f(t)s=f(t) v=s′=dsdtv=s'=\frac{ds}{dt} a=v′=s′′=d2sdt2a=v'=s''=\frac{d^2s}{dt^2}
  • 物理学中的速度、密度、电流、功率和温度梯度,化学中的反应速率和压缩率,生物学中的生长速度和血液流速梯度,经济学中的边际成本和边际利润,地质学中的热传导率,心理学中的成绩提高率,社会学中的传闻传播速度,这些都是数学中一个简单的概念-导数应用的特殊场景。

3.8 指数级增长和衰减​

引文

许多自然现象中,量的增长或衰减的速度与他们的大小成正比。例如,如果 y=f(t)y=f(t) 是在 tt 时动物或细菌种群的个体数量,那么似乎合理地预期增长率 f′(t)f'(t) 与种群规模 f(t)f(t) 成正比。

y(t)=y(0)ekty(t)=y(0)e^{kt}

种群增长​

  • P(t)P(t) 是 tt 时的种群规模,于是: dPdt=kP\frac{dP}{dt}=kP
  • 其中 dP/dtP\frac{dP/dt}{P} 是增长率除以种群规模,称为相对增长率。

放射性衰变​

  • 放射性物质通过自发向外辐射而衰变。如果 m(t)m(t) 是初始质量为 m0m_{0} 的物质在 tt 时剩余的质量,那么相对衰变率: m(t)=m0ektm(t)=m_{0}e^{kt}

牛顿冷却定律​

  • 牛顿冷却定律指出,物质的冷却速度和物体与周围环境的温度成正比,不过这个温差不能太大。 dTdt=k(T−Ts)\frac{dT}{dt}=k(T-T_{s})
  • 其中 TsT_{s} 为周围环境的温度,kk 是常数。

连续复利​

  • 一笔投资为 A0A_{0} ,利率为 rr ,nn 为复利周期,则: A=A0(1+rn)ntA=A_{0}\left( 1+\frac{r}{n} \right)^{nt}

3.9 相关变化率​

小结

解题的基本策略

1、仔细读题。 2、如果可以,画出大致图像。 3、引入符号,梳理变量之间的关系。 4、用导数表示已知信息和所求的变化率。 5、写出方程,把各个变量联系起来。 6、结合已知信息,用链式法则求导数。

3.10 线性近似与微分​

线性化和近似​

  • 用 (a,f(a))(a,f(a)) 处的切线作为 xx 在 aa 附近时曲线 y=f(x)y=f(x) 的近似。这条切线的方程是: y=f(a)+f′(a)(x−a)y=f(a)+f'(a)(x-a)
提示
  • 线性函数的图像就是这条切线:

L(x)=f(a)+f′(a)(x−a)L(x)=f(a)+f'(a)(x-a)

  • 称为 ff 在 aa 处的线性化表示,近似 f(x)≈L(x)f(x)\approx L(x),叫做 f(x)f(x) 在 aa 处的线性近似或切线近似: f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)f(x)\approx f(a)+f'(a)(x-a)

在物理学中的应用​

引文

在物理学中经常用到线性近似,为了简化函数,物理学家需要用函数的线性近似来代替它。

等价代换的原则

    1. 乘除关系可以换
    • 若 α∼α1,β∼β1,则lim⁡αβ=lim⁡α1β=limαβ1=limα1β1\text{若 }\alpha\sim\alpha_1,\beta\sim\beta_1,\text{则}\lim\frac\alpha\beta=\lim\frac{\alpha_1}\beta=\mathbf{lim}\frac\alpha{\beta_1}=\mathbf{lim}\frac{\alpha_1}{\beta_1}
    1. 加减关系在一定条件下可以换
    • 减法
      • 若 α∼α1,β∼β1,且 lim⁡α1β1=A≠1. 则 α−β∼α1−β1\text{若 }\alpha{\sim}\alpha_1,\beta{\sim}\beta_1,\text{且 }\lim\frac{\alpha_1}{\beta_1}=A\neq1.\text{ 则 }\alpha{-}\beta{\sim}\alpha_1{-}\beta_1
      • 减法换的条件:两个减法项不等价,A 不等于 1;
      • 比如:sin2x−tanxsin2x - tanx ~ 2x−x2x - x
    • 加法
      • 若α∼α1,β∼β1,且 lim⁡α1β1=A≠−1. 则 α−β∼α1+β1\text{若}\alpha{\sim}\alpha_1,\beta{\sim}\beta_1,\text{且 }\lim\frac{\alpha_1}{\beta_1}=A\neq-1.\text{ 则 }\alpha{-}\beta{\sim}\alpha_1{+}\beta_1
      • 减法换的条件:两个加法项不等价,A 不等于 -1;

微分​

引文

线形近似可以通过微分表达。

取 y=f(x)y=f(x) ,其中 ff 是可微函数。

  • 微分 dydy 定义: dy=f′(x)dxdy=f'(x)dx

因此 dydy 是因变量,它依赖于 xx 和 dxdx 。

小结

当 x→0x \to 0 时,等价无穷小:

x∼sin⁡x∼tan⁡x∼arcsin⁡x∼arctan⁡x∼ln⁡(1+x)∼ex−1(1+x)a−1∼ax,ax−1∼xln⁡a,1−cos⁡x∼12x2,x−ln⁡(1+x)∼12x2arcsin⁡x−x∼x−sin⁡x∼16x3,tan⁡x−x∼13x3log⁡a(1+2x)∼(2x)a=2axa(1−ax)1α∼(12x2)1α\begin{aligned} &x\sim\sin x\sim\tan x\sim\arcsin x\sim\arctan x\sim\ln(1+x)\sim e^x-1\\ &{(1+x)^a-1}\sim{ax},\quad a^x-1\sim x\ln a, \\ &1-\cos x\sim\frac12x^2,\quad x-\ln(1+x)\sim\frac12x^2 \\ &\arcsin x-x\sim x-\sin x\sim\frac16x^3,\quad\tan x-x\sim\frac13x^3 \\ &\log^{a}(1+2x)\sim(2x)^{a}=2^{a}x^{a} \\ &(1-ax)^{\frac{1}{\alpha}}\sim(\frac{1}{2}x^{2})^{\frac{1}{\alpha}} \end{aligned}

泰勒多项式​

  • 为了取代 f(x)f(x) 在 x=ax=a 附近的线性近似,我们尝试求出一个更好的高次多项式作为近似:

Tn(x)=c0+c1(x−a)+c2(x−a)2+c3(x−a)3+⋯+cn(x−a)nT_{n}(x)=c_{0}+c_{1}(x-a)+c_{2}(x-a)^2+c_{3}(x-a)^3+\dots +c_{n}(x-a)^n

  • 在 a=0a=0 处的展开:
小结
  • 泰勒展开:
sin⁡x=x−16x3+o(x3)arcsin⁡x=x+16x3+o(x3)tan⁡x=x+13x3+o(x3)arctan⁡x=x−13x3+o(x3)cos⁡x=1−12!x2+14!x4+o(x4)ex=1+x+12!x2+13!x3+o(x3)ln⁡(1+x)=x−12x2+13x3+o(x3)(1+x)α=1+αx+α(α−1)2!x2+α(α−1)(α−2)3!x3+o(x3)\begin{aligned} &\sin x=x-\frac1{6}x^3+o\left(x^3\right) \\ &\arcsin x=x+\frac16x^3+o\left(x^3\right) \\ &\tan x=x+\frac13x^3+o\left(x^3\right) \\ &\arctan x=x-\frac13x^3+o\left(x^3\right) \\ &\cos x=1-\frac1{2!}x^2+\frac1{4!}x^4+o\left(x^4\right) \\ &\mathrm{e}^x=1+x+\frac1{2!}x^2+\frac1{3!}x^3+o\left(x^3\right) \\ &\ln\left(1+x\right)=x-\frac12x^2+\frac13x^3+o\left(x^3\right) \\ &\left(1+x\right)^\alpha =1+\alpha x+\frac{\alpha\left(\alpha-1\right)}{2!}x^2 +\frac{\alpha(\alpha-1)(\alpha-2)}{3!}x^3+o\left(x^3\right) \end{aligned}

3.11 双曲函数​

双曲函数及其导数​

引文

指数函数 exe^x 和 e−xe^{-x} 的某些组合在数学及其应用中出现频繁,它们获得了特定的名字。 在很多方面,它们和三角函数相似,取名为双曲函数。

双曲函数的定义

sinh⁡x=ex−e−x2\sinh x=\frac{e^x-e^{-x}}{2} cosh⁡x=ex+e−x2\cosh x=\frac{e^x+e^{-x}}{2}

提示

双曲函数之间的关系

tanh⁡x=sinh⁡xcosh⁡x\tanh x=\frac{\sinh x}{\cosh x}

提示

双曲恒等式

sinh⁡(−x)=−sinh⁡x\sinh(-x)=-\sinh x cosh⁡(−x)=cosh⁡x\cosh(-x)=\cosh x cosh⁡2x−sinh⁡2x=1\cosh^2x-\sinh^2x=1 1−tanh⁡2x=sech2x1-\tanh^2x=sech^2x sinh⁡(x+y)=sinh⁡xcosh⁡y+cosh⁡xsinh⁡y\sinh(x+y)=\sinh x\cosh y+\cosh x \sinh y cosh⁡(x+y)=cosh⁡xcosh⁡y+sinh⁡xsinh⁡y\cosh(x+y)=\cosh x\cosh y+\sinh x\sinh y

提示

双曲函数的导数

ddx(sinh⁡x)=cosh⁡x\frac{d}{dx}(\sinh x)=\cosh x ddx(cosh⁡x)=sinh⁡x\frac{d}{dx}(\cosh x)=\sinh x ddx(tanh⁡x)=sech2x\frac{d}{dx}(\tanh x)=sech^2x ddx(coth⁡x)=−csch2x\frac{d}{dx}(\coth x)=-csch^2x ddx(cschx)=−cschxcoth⁡x\frac{d}{dx}(csch x)=-cschx\coth x ddx(sechx)=−sechxtanh⁡x\frac{d}{dx}(sechx)=-sechx\tanh x

提示 反双曲函数的导数 ddx(sinh⁡−1x)=11+x2\frac{d}{dx}(\sinh^{-1}x)=\frac{1}{\sqrt{ 1+x^2 }} ddx(cosh⁡−1x)=1x2−1\frac{d}{dx}(\cosh^{-1}x)=\frac{1}{\sqrt{ x^2-1}} ddx(tanh⁡−1x)=11−x2\frac{d}{dx}(\tanh^{-1}x)=\frac{1}{1-x^2} ddx(coth⁡−1x)=11−x2\frac{d}{dx}(\coth^{-1}x)=\frac{1}{1-x^2} ddx(csch−1x)=−1∣x∣x2−1\frac{d}{dx}(csch^{-1}x)=-\frac{1}{|x|\sqrt{ x^2-1 }} ddx(sech−1x)=−1xx2−1\frac{d}{dx}(sech^{-1}x)=-\frac{1}{x\sqrt{ x^2-1 }}


第三章复习​

计算下列函数的导数。

题目 1​

题目

y=tan⁡x1+cos⁡xy=\frac{\tan x}{1+\cos x}

解答

利用商法则:

y′=sec⁡2x(1+cos⁡x)+tan⁡xsin⁡x(1+cos⁡x)2.y' = \frac{\sec^2x(1+\cos x)+\tan x\sin x} {(1+\cos x)^2}.

题目 2​

题目

y=emxcos⁡nxy=e^{mx}\cos nx

解答

y′=memxcos⁡nx−nemxsin⁡nx.y'=me^{mx}\cos nx-ne^{mx}\sin nx.

题目 3​

题目

y=ln⁡(xln⁡x)y=\ln(x\ln x)

解答

y′=ln⁡x+1xln⁡x.y' =\frac{\ln x+1}{x\ln x}.

题目 4​

题目

y+xcos⁡y=x2yy+x\cos y=x^2y

解答

两边对 xx 求导:

y′+cos⁡y−xsin⁡y⋅y′=2xy+x2y′.y'+\cos y-x\sin y\cdot y' =2xy+x^2y'.

整理得

y′=2xy−cos⁡y1−x2−xsin⁡y.y' =\frac{2xy-\cos y}{1-x^2-x\sin y}.

题目 5​

题目

sin⁡(xy)=x2−y\sin(xy)=x^2-y

解答

cos⁡(xy)(y+xy′)=2x−y′.\cos(xy)(y+xy')=2x-y'.

因此

y′=2x−ycos⁡(xy)xcos⁡(xy)+1.y' =\frac{2x-y\cos(xy)}{x\cos(xy)+1}.

题目 6​

题目

y=log⁡5(1+2x)y=\log_5(1+2x)

解答

y′=2(1+2x)ln⁡5.y'=\frac{2}{(1+2x)\ln 5}.

题目 7​

题目

y=(cos⁡x)xy=(\cos x)^x

解答

使用对数求导:

ln⁡y=xln⁡(cos⁡x).\ln y=x\ln(\cos x).

所以

y′=(cos⁡x)x[ln⁡(cos⁡x)−xtan⁡x].y' =(\cos x)^x\left[\ln(\cos x)-x\tan x\right].

题目 8​

题目

y=ln⁡(arcsin⁡x2)y=\ln(\arcsin x^2)

解答

y′=2xarcsin⁡(x2)1−x4.y' =\frac{2x} {\arcsin(x^2)\sqrt{1-x^4}}.

题目 9​

题目

y=cosh⁡−1(sinh⁡x)y=\cosh^{-1}(\sinh x)

解答

y′=cosh⁡xsinh⁡2x−1.y' =\frac{\cosh x} {\sqrt{\sinh^2x-1}}.

题目 10​

题目

y=xtanh⁡−1xy=x\tanh^{-1}\sqrt{x}

解答

利用乘积法则:

y′=tanh⁡−1x+x⋅11−x⋅12x=tanh⁡−1x+x2(1−x).\begin{aligned} y' &=\tanh^{-1}\sqrt{x} +x\cdot\frac{1}{1-x}\cdot\frac{1}{2\sqrt{x}}\\ &=\tanh^{-1}\sqrt{x} +\frac{\sqrt{x}}{2(1-x)}. \end{aligned}

本章总结​

  • 幂、指数、三角、对数与反三角函数构成常用求导公式表。
  • 乘积法则、商法则和链式法则把基本公式扩展到复杂函数。
  • 隐函数求导允许直接从变量关系中求变化率。
  • 相关变化率问题的核心是先建立变量关系,再对时间求导。
  • 线性化用切线在局部近似函数,是误差分析与数值计算的基础。