数分第5章22导数的应用:费尔马定理和达布定理
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导数知识点归纳及应用导数是微积分的基础知识之一,它描述了一个函数在其中一点的变化率。
导数的概念非常重要,广泛应用于科学和工程领域中的各种问题的建模和解决。
一、导数的定义及基本性质1.导数的定义:对于一个函数f(x),它的导数可以通过以下极限定义求得:f'(x) = lim ( h -> 0 ) [ f(x+h) - f(x) ] / h导数表示了函数f(x)在x点处的变化率。
如果导数存在,则称f(x)在该点可导。
2.导数的图像表示:导数可以表示为函数f(x)的图像上的斜率线,也就是切线的斜率。
3.导数的几何意义:a.函数图像在特定点的切线的斜率等于该点的导数。
b.导数为正,表示函数在该点上升;导数为负,表示函数在该点下降;导数为零,表示函数在该点取得极值。
4.基本导数公式:a.常数函数的导数为0。
b.幂函数f(x)=x^n的导数为f'(x)=n*x^(n-1)。
c. 指数函数 f(x) = a^x 的导数为 f'(x) = ln(a) * a^x。
d. 对数函数 f(x) = log_a(x) 的导数为 f'(x) = 1 / (x * ln(a))。
二、导数的计算方法1.导数的基本定义法:根据导数的定义,通过计算极限来求得导数。
2.导数的运算法则:a.和差法则:(f(x)±g(x))'=f'(x)±g'(x)。
b.乘法法则:(f(x)*g(x))'=f'(x)*g(x)+f(x)*g'(x)。
c.商法则:(f(x)/g(x))'=(f'(x)*g(x)-f(x)*g'(x))/(g(x))^2d.复合函数法则:(f(g(x)))'=f'(g(x))*g'(x)。
3.链式法则:对于复合函数f(g(x)),可以利用链式法则求导数:(f(g(x)))'=f'(g(x))*g'(x)。
5.2.2 导数的四则运算法则学习目标1.理解函数的和、差、积、商的求导法则.2.理解求导法则的证明过程,能够综合运用导数公式和导数运算法则求函数的导数.知识点 导数的运算法则已知f (x ),g (x )为可导函数,且g (x )≠0. (1)[f (x )±g (x )]′=f ′(x )±g ′(x ).(2)[f (x )·g (x )]′=f ′(x )g (x )+f (x )g ′(x ),特别地,[cf (x )]′=cf ′(x ).(3)⎣⎢⎡⎦⎥⎤f x g x ′=f ′x g x -f x g ′x[g x ]2.1.⎝⎛⎭⎪⎫ex +cosπ4′=e x .( √ ) 2.函数f (x )=x e x 的导数是f ′(x )=e x (x +1).( √ ) 3.当g (x )≠0时,⎣⎢⎡⎦⎥⎤1g x ′=-g ′x g2x .( √ )一、利用运算法则求函数的导数 例1 求下列函数的导数: (1)y =15x 5+43x 3;(2)y =3x 2+x cos x ; (3)y =x 1+x ;(4)y =lg x -e x ; (5)y =(x +1)⎝⎛⎭⎪⎫1x -1.解 (1)y ′=⎝ ⎛⎭⎪⎫15x5+43x3′=⎝ ⎛⎭⎪⎫15x5′+⎝ ⎛⎭⎪⎫43x3′=x 4+4x 2. (2)y ′=(3x 2+x cos x )′=(3x 2)′+(x cos x )′=6x +x ′cos x +x (cos x )′=6x +cos x -x sin x . (3)y ′=⎝⎛⎭⎪⎫x 1+x ′=x ′1+x -x 1+x ′1+x 2=1+x -x 1+x 2=11+x 2. (4)y ′=(lg x -e x )′=(lg x )′-(e x )′=1xln 10-e x .(5)y ′=⎣⎢⎡⎦⎥⎤x +1⎝⎛⎭⎪⎫1x -1′=⎝ ⎛⎭⎪⎫1x -x ′1122=x x '-⎛⎫- ⎪⎝⎭ 1131222211=22x 'x 'x x ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭---=---=-12x ⎝ ⎛⎭⎪⎫1+1x .反思感悟 利用导数运算法则的策略(1)分析待求导式子符合哪种求导法则,每一部分式子是由哪种基本初等函数组合成的,确定所需的求导法则和基本公式.(2)如果求导式比较复杂,则需要对式子先变形再求导,常用的变形有乘积式展开变为和式求导,商式变乘积式求导,三角函数恒等变换后求导等.(3)利用导数运算法则求导的原则是尽可能化为和、差,能利用和差的求导法则求导的,尽量少用积、商的求导法则求导.跟踪训练1 求下列函数的导数: (1)y =x 2+x ln x ; (2)y =ln x x2;(3)y =ex x;(4)y =(2x 2-1)(3x +1).解 (1)y ′=(x 2+x ln x )′=(x 2)′+(x ln x )′ =2x +(x )′ln x +x (ln x )′ =2x +ln x +x ·1x=2x +ln x +1. (2)y ′=⎝⎛⎭⎪⎫ln x x2′=ln x ′·x2-ln x x2′x4=1x ·x2-2xln x x4=1-2ln xx3. (3)y ′=⎝ ⎛⎭⎪⎫ex x ′=ex ′x -ex x ′x2=ex ·x -ex x2.(4)方法一 y ′=[(2x 2-1)(3x +1)]′=(2x 2-1)′(3x +1)+(2x 2-1)(3x +1)′ =4x (3x +1)+(2x 2-1)×3 =12x 2+4x +6x 2-3 =18x 2+4x -3.方法二 ∵y =(2x 2-1)(3x +1)=6x 3+2x 2-3x -1, ∴y ′=(6x 3+2x 2-3x -1)′ =(6x 3)′+(2x 2)′-(3x )′-(1)′ =18x 2+4x -3.二、利用运算法则求曲线的切线例2 (1)曲线y =sin x sin x +cos x -12在点M ⎝ ⎛⎭⎪⎫π4,0处的切线的斜率为( )A .-12 B.12 C .-22 D.22答案 B解析 y ′=cos x sin x +cos x -sin x cos x -sin x sin x +cos x 2=1sin x +cos x 2,故π=4|x y'=12, ∴曲线在点M ⎝ ⎛⎭⎪⎫π4,0处的切线的斜率为12.(2)已知曲线f (x )=x 3+ax +b 在点P (2,-6)处的切线方程是13x -y -32=0. ①求a ,b 的值;②如果曲线y =f (x )的切线与直线y =-14x +3垂直,求切线的方程.解 ①f (x )=x 3+ax +b 的导数f ′(x )=3x 2+a ,由题意可得f ′(2)=12+a =13,f (2)=8+2a +b =-6, 解得a =1,b =-16.②∵切线与直线y =-x4+3垂直,∴切线的斜率k =4.设切点的坐标为(x 0,y 0), 则f ′(x 0)=3x 20+1=4,∴x 0=±1.由f (x )=x 3+x -16,可得y 0=1+1-16=-14或y 0=-1-1-16=-18, 则切线方程为y =4(x -1)-14或y =4(x +1)-18, 即y =4x -18或y =4x -14.反思感悟 (1)此类问题往往涉及切点、切点处的导数、切线方程三个主要元素,其他的条件可以进行转化,从而转化为这三个要素间的关系.(2)准确利用求导法则求出导函数是解决此类问题的第一步,也是解题的关键,务必做到准确. (3)分清已知点是否在曲线上,若不在曲线上,则要设出切点,这是解题时的易错点. 跟踪训练2 (1)曲线y =x 3-4x 2+4在点(1,1)处的切线方程为( ) A .y =-x +2 B .y =5x -4 C .y =-5x +6 D .y =x -1答案 C解析 由y =x 3-4x 2+4,得y ′=3x 2-8x , y ′|x =1=3-8=-5,所以曲线y =x 3-4x 2+4在点(1,1)处的切线方程为y -1=-5(x -1),即y =-5x +6. (2)已知函数f (x )=aln x x +1+bx ,曲线y =f (x )在点A (1,f (1))处的切线方程为x +2y -3=0,则a ,b 的值分别为________.答案 1,1解析 f ′(x )=a ⎝ ⎛⎭⎪⎫x +1x -ln x x +12-bx2.由于直线x +2y -3=0的斜率为-12,且过点(1,1),故⎩⎪⎨⎪⎧f 1=1,f ′1=-12,即⎩⎪⎨⎪⎧b =1,a 2-b =-12,解得⎩⎪⎨⎪⎧a =1,b =1.三、与切线有关的综合问题例3 (1)曲线y =x ln x 上的点到直线x -y -2=0的最短距离是( ) A.2 B.22C .1D .2 答案 B解析 设曲线y =x ln x 在点(x 0,y 0)处的切线与直线x -y -2=0平行. ∵y ′=ln x +1, ∴=|x x y'=ln x 0+1=1,解得x 0=1,∴y 0=0,即切点坐标为(1,0).∴切点(1,0)到直线x -y -2=0的距离为d =|1-0-2|1+1=22,即曲线y =x ln x 上的点到直线x -y -2=0的最短距离是22. (2)设曲线 y =a (x -1)e x 在点(1,0)处的切线与直线 x +2y +1=0垂直,则实数a =________. 答案 2e解析 令y =f (x ),则曲线y =a (x -1)e x 在点(1,0)处的切线的斜率为f ′(1), 又切线与直线x +2y +1=0垂直, 所以f ′(1)=2. 因为f (x )=a (x -1)e x ,所以f ′(x )=a e x +a (x -1)e x =ax e x , 所以f ′(1)=a e ,故a =2e.反思感悟 本题正确的求出函数的导数是前提,审题时注意所给点是否是切点,挖掘题目隐含条件,求出参数,解决已知经过一定点的切线问题,寻求切点是解决问题的关键.跟踪训练3 求曲线y =2e (x -1)e x 在点(1,0)处的切线与坐标轴围成的面积.解 由题意可知,y ′=2e x ·e x,y ′|x =1=2,∴切线方程为y =2(x -1),即2x -y -2=0. 令x =0得y =-2;令y =0得x =1.∴曲线y =2e (x -1)e x 在点(1,0)处的切线与坐标轴围成的面积为S =12×2×1=1.1.已知f (x )=ax 3+3x 2+2,若f ′(-1)=4,则a 的值是( ) A.193 B.163 C.133 D.103 答案 D解析 ∵f ′(x )=3ax 2+6x , ∴f ′(-1)=3a -6=4, ∴a =103.2.设函数y =-2e x sin x ,则y ′等于( ) A .-2e x cos x B .-2e x sin x C .2e x sin x D .-2e x (sin x +cos x )答案 D解析 y ′=-2(e x sin x +e x cos x ) =-2e x (sin x +cos x ).3.若函数f (x )=12 f ′(-1)x 2-2x +3,则f ′(-1)的值为( )A .-1B .0C .1D .2 答案 A解析 因为f (x )=12 f ′(-1)x 2-2x +3,所以f ′(x )=f ′(-1)x -2.所以f ′(-1)=f ′(-1)×(-1)-2, 所以f ′(-1)=-1.4.已知f (x )=ln xx ,则f ′(1)=________.答案 1 解析 f ′(x )=ln x ′·x -ln x ·x′x2=1x ·x -ln x x2=1-ln xx2, 所以f ′(1)=1.5.已知函数f (x )=f ′⎝ ⎛⎭⎪⎫π4cos x +sin x ,则f ⎝ ⎛⎭⎪⎫π4的值为________. 答案 1解析 ∵f ′(x )=-f ′⎝ ⎛⎭⎪⎫π4sin x +cos x , ∴f ′⎝ ⎛⎭⎪⎫π4=-f ′⎝ ⎛⎭⎪⎫π4×22+22,得f ′⎝ ⎛⎭⎪⎫π4=2-1.∴f (x )=(2-1)cos x +sin x ,∴f ⎝ ⎛⎭⎪⎫π4=1.1.知识清单: (1)导数的运算法则.(2)综合运用导数公式和导数运算法则求函数的导数. 2.方法归纳:转化法.3.常见误区:对于函数求导,一般要遵循先化简、再求导的基本原则.1.(多选)下列运算中正确的是( ) A .(ax 2+bx +c )′=a (x 2)′+b (x )′ B .(sin x -2x 2)′=(sin x )′-2′(x 2)′ C.⎝⎛⎭⎪⎫sin x x2′=sin x ′-x2′x2D .(cos x ·sin x )′=(cos x )′sin x +cos x (sin x )′ 答案 AD解析 A 项中,(ax 2+bx +c )′=a (x 2)′+b (x )′,故正确; B 项中,(sin x -2x 2)′=(sin x )′-2(x 2)′,故错误; C 项中,⎝⎛⎭⎪⎫sin x x2′=sin x ′x2-sin x x2′x22,故错误;D 项中,(cos x ·sin x )′=(cos x )′sin x +cos x (sin x )′,故正确. 2.函数f (x )=e x cos x 的图象在点(0,f (0))处的切线的倾斜角为( ) A .0 B.π4 C .1 D.π2答案 B解析 对函数求导得f ′(x )=e x (cos x -sin x ),∴f ′(0)=1,∴函数f (x )=e x cos x 的图象在点(0,f (0))处的切线的倾斜角为π4.3.设f (x )=x ln x ,若f ′(x 0)=2,则x 0等于( )A .e 2B .e C.ln 22 D .ln 2答案 B解析 ∵f (x )=x ln x ,∴f ′(x )=ln x +1(x >0),由f ′(x 0)=2,得ln x 0+1=2,即ln x 0=1,解得x 0=e.4.若函数f (x )=ax 4+bx 2+c 满足f ′(1)=2,则f ′(-1)等于( ) A .-1 B .-2 C .2 D .0 答案 B解析 ∵f ′(x )=4ax 3+2bx ,f ′(x )为奇函数, ∴f ′(-1)=-f ′(1)=-2.5.(多选)当函数y =x2+a2x (a >0)在x =x 0处的导数为0时,那么x 0可以是( )A .aB .0C .-aD .a 2 答案 AC 解析 y ′=⎝⎛⎭⎪⎫x2+a2x ′=2x ·x -x2+a2x2=x2-a2x2,由x 20-a 2=0得x 0=±a .6.已知f (x )=sin x 1+cos x ,则f ′⎝ ⎛⎭⎪⎫π3=________. 答案 23解析 因为f ′(x ) =sin x ′1+cos x -sin x 1+cos x ′1+cos x 2=cos x 1+cos x -sin x -sin x1+cos x 2=cos x +cos2x +sin2x1+cos x 2=cos x +11+cos x 2=11+cos x.所以f ′⎝ ⎛⎭⎪⎫π3=11+cosπ3=23.7.已知f (x )=exx ,则f ′(1) =________,若f ′(x 0)+f (x 0)=0,则x 0=________.答案 012解析 因为f ′(x )=ex ′x -ex x ′x2=ex x -1x2(x ≠0).所以f ′(1)=0.由f ′(x 0)+f (x 0)=0,得()00020e 1e 0.x x x x x 0-+=解得x 0=12.8.已知函数f (x )=e x ·sin x ,则曲线y =f (x )在点(0,f (0))处的切线方程是____________. 答案 y =x解析 ∵f (x )=e x ·sin x ,f ′(x )=e x (sin x +cos x ),f ′(0)=1,f (0)=0,∴曲线y =f (x )在点(0,0)处的切线方程为y -0=1×(x -0),即y =x .9.若曲线y =x 2-ax +ln x 存在垂直于y 轴的切线,求实数a 的取值范围. 解 ∵y =x 2-ax +ln x ,∴y ′=2x -a +1x ,由题意可知,存在实数x >0使得2x -a +1x =0,即a =2x +1x成立,∴a =2x +1x ≥22(当且仅当2x =1x ,即x =22时等号成立).∴a 的取值范围是[22,+∞).10.已知函数f (x )=ax 2+bx +3(a ≠0),其导函数f ′(x )=2x -8. (1)求a ,b 的值;(2)设函数g (x )=e x sin x +f (x ),求曲线g (x )在x =0处的切线方程. 解 (1)因为f (x )=ax 2+bx +3(a ≠0), 所以f ′(x )=2ax +b ,又f ′(x )=2x -8,所以a =1,b =-8. (2)由(1)可知g (x )=e x sin x +x 2-8x +3, 所以g ′(x )=e x sin x +e x cos x +2x -8, 所以g ′(0)=e 0sin 0+e 0cos 0+2×0-8=-7, 又g (0)=3,所以曲线g (x )在x =0处的切线方程为y -3=-7(x -0), 即7x +y -3=0.11.已知曲线f (x )=x2+ax +1在点(1,f (1))处切线的倾斜角为3π4,则实数a 等于( )A .1B .-1C .7D .-7答案 C解析 ∵f ′(x )=2x x +1-x2+a x +12=x2+2x-ax +12,又f ′(1)=tan 3π4=-1,∴a =7.12.已知曲线f (x )=(x +a )·ln x 在点(1,f (1))处的切线与直线2x -y =0垂直,则a 等于() A.12 B .1 C .-32 D .-1 答案 C解析 因为f (x )=(x +a )·ln x ,x >0, 所以f ′(x )=ln x +(x +a )·1x ,所以f ′(1)=1+a .又因为f (x )在点(1,f (1))处的切线与直线2x -y =0垂直,所以f ′(1)=-12,所以a =-32,故选C.13.已知函数f (x )=f ′(-1)x22-2x +3,则f (-1)的值为________.答案 92解析 ∵f ′(x )=f ′(-1)·x -2,∴f ′(-1)=-f ′(-1)-2,解得f ′(-1)=-1.∴f (x )=-x22-2x +3,∴f (-1)=92.14.已知函数f (x )=x lnx ,若直线l 过点(0,-1),并且与曲线y =f (x )相切,则直线l 的方程为______________.答案 x -y -1=0解析 ∵点(0,-1)不在曲线f (x )=x ln x 上,∴设切点坐标为(x 0,y 0).又∵f ′(x )=1+ln x (x >0),∴⎩⎪⎨⎪⎧ y0=x0ln x0,y0+1=1+ln x0x0,解得x 0=1,y 0=0.∴切点坐标为(1,0),∴f ′(1)=1+ln 1=1.∴直线l 的方程为y =x -1,即x -y -1=0.15.等比数列{a n }中,a 1=2,a 8=4,函数f (x )=x (x -a 1)(x -a 2)·…·(x -a 8),则f ′(0)=________. 答案 212解析 因为f ′(x )=(x )′·[(x -a 1)(x -a 2)·…·(x -a 8)]+[(x -a 1)·(x -a 2)·…·(x -a 8)]′·x =(x -a 1)(x -a 2)·…·(x -a 8)+[(x -a 1)·(x -a 2)·…·(x -a 8)]′·x ,所以f ′(0)=(0-a 1)(0-a 2)·…·(0-a 8)+0=a 1a 2·…·a 8.因为数列{a n }为等比数列,所以a 1a 8=a 2a 7=a 3a 6=a 4a 5=8,所以f ′(0)=84=212.16.偶函数f (x )=ax 4+bx 3+cx 2+dx +e 的图象过点P (0,1),且在x =1处的切线方程为y =x -2,求f (x )的解析式.解 ∵f (x )的图象过点P (0,1),∴e =1.又∵f (x )为偶函数,∴f (x )=f (-x ).故ax 4+bx 3+cx 2+dx +e =ax 4-bx 3+cx 2-dx +e .∴b =0,d =0.∴f (x )=ax 4+cx 2+1.∵函数f (x )在x =1处的切线方程为y =x -2,∴切点坐标为(1,-1).∴a +c +1=-1.∵f ′(1)=4a +2c ,∴4a +2c =1.∴a =52,c =-92. ∴函数f (x )的解析式为f (x )=52x 4-92x 2+1.。
第二讲 导数、微分及其应用一、导数、偏导数和微分的定义对于一元函数()y f x = ()()()0lim h f x h f x dyy f x dx h→+-''===对于多元函数(),z f x y =()()()0,,,lim x h f x h y f x y zf x y x h→+-∂==∂对于函数微分()()()y x x f x x dy οο'+=∆∆=∆+∆z zx y d z z x yοο∆=+=+∂∂∆+∂∆∂注:注意左、右导数的定义和记号。
二、导数、偏导数和微分的计算:1)能熟练运用求导公式、运算法则计算导数、偏导数和微分; 2)隐函数、参数方程的导数3)高阶导数:特别要注意莱布尼茨公式()()()()0nn k n k k n k uv C u v -==∑的运用。
例1:求函数arcsin y x =在0x =处的n 阶导数。
解:,y y '''==,所以有()21xy xy '''=- (1)利用莱布尼茨公式对(1)两边求2n -阶导数得 ()()()()()()()()12121212222122n n nn n n n n xyC yx y C x yC y-------+=-+-+-当0x =时, ()()()()()()()()()22200230n n n n yy n n y ---=---()()()()()22020n n y n y -=-由此可得 ()()()()()222202224200n yn n y ''=--=()()()()()()()22222122021231021231n yn n y n n +'=--=--例2:求()211f x x=+的n 阶导数。
解:()⎪⎭⎫⎝⎛+--=+=i x i x i x x f 1121112()()()()()()()11!1!121----+----=n n n n n i x n i x n ix f()()()()()111212!1+++--++-=n n n n i x i x xi n设()()θθθθsin cos ,sin cos i r i x i r i x -=-+=+ 其中,x arc x r cot ,12=+=θ,则有()()()()()()()()()xarc n x n x arc n i x xi n x fn n n n n n cot 1sin 1!1cot 1sin 2112!1121212++-=⎪⎭⎫ ⎝⎛+++-=+++注:计算时注意一阶微分不变性的应用。
《数学分析》第五章导数和微分1《数学分析》第五章导数和微分1导数和微分是数学分析中非常重要的概念。
导数以及微分的概念不仅在数学中有着广泛的应用,而且在物理、经济、工程等各个学科中都起着关键的作用。
本章首先介绍导数的概念和性质。
导数是描述函数变化快慢的指标,它衡量了函数在其中一点附近的变化率。
直观地说,如果函数在其中一点附近呈现出逐渐增大的趋势,那么该点的导数将是正值;如果函数在其中一点附近呈现出逐渐减小的趋势,那么该点的导数将是负值。
导数的符号和数值都能够揭示出函数局部性质的特点。
导数的计算通常使用极限的概念。
通过定义极限,我们可以精确地计算出函数在其中一点的导数值。
导数的定义以及计算方法是数学分析中的重要内容,对于理解函数的变化规律以及解决实际问题有着重要的帮助。
接下来,本章详细介绍了一阶导数和高阶导数的概念。
一阶导数是函数变化最基本的指标,它描述了函数在其中一点的瞬时变化率;而高阶导数则描述了函数变化率的变化率,它们在一阶导数的基础上进一步深化了对函数性质的研究。
导数和微分在实际问题中有着丰富的应用。
通过导数和微分可以解决各种数学建模中的问题,如最大值、最小值的求解、函数图形的研究、曲线的切线和法线的求解等等。
导数和微分在物理学、经济学、工程学等应用领域也有着广泛的运用,如速度和加速度的求解、最优化问题的分析等。
在本章的最后,还介绍了一些与导数和微分相关的基本定理,如费马定理、罗尔定理、拉格朗日中值定理等。
这些定理是导数和微分性质的重要推论,它们在数学分析和应用领域中起着重要的作用。
总之,导数和微分是数学分析中重要的概念,它们具有广泛的应用价值。
通过深入学习导数和微分的概念、性质和计算方法,我们可以更好地理解函数的特性、求解实际问题,为数学和应用科学的发展做出贡献。
2.许寿裳,王薄清.数学分析[M].高等教育出版社,2024.。